RSM970S雷达安全链PLC替代方案研究

傅新廷

(民航安徽空中交通管理分局,安徽 合肥230001)

1 AA2000安全链简介

THALES RSM970S雷达系统中,室内设备的AA2000机柜是天线的控制驱动系统。在这个天线控制枢纽中,有一条对天线启动运行条件进行判定的链路。在这条链路上包含了天线转动声音告警、紧急停止、刹车盘告警、油位告警、马达过热告警。安全链上的任意一个环节发生问题,都会造成天线停转。安全链中的判定电路主要是由各类继电器组合而成。

1.1 天线转动声音告警

天线开始启动时,会发出一个声音告警,由电流门限继电器K29监视通过告警喇叭的电流。当电流足够高时,经过30S延迟后继电器K29连接点25、28将会闭合,然后继电器K26工作,闭合其连接点21、24使继电器K1、K2工作,使马达控制工作,天线旋转。当电流不足够时,继电器K29保持打开状态,经过继电器K51延迟后继电器K25工作,使得天线旋转喇叭告警指示灯DS18点亮同时发送一个报告给RCMS,天线马达不会通电。

1.2 紧急停止

当按下了紧急停止开关、打开了天线安全链开关、马达刹车盘未取下或者天线旋转告警喇叭未启动,会使得继电器K8停止工作进而使天线停止旋转。同时AA2000面板上紧急停止告警等点亮。

1.3 刹车盘告警

当刹车盘未取下时,继电器K6断电,安全链路被打开避免天线旋转,同时一个错误报告会发送至RCMS,点亮AA2000面板上DS11刹车盘告警指示灯。

1.4 油位告警

大盘和减速箱都装有油位传感器,当油位过低时,油位监测器会触发告警电路工作产生告警信息。其中大盘油位过低时,继电器K27断开,继电器K55开始延时,持续30分钟开,继电器K27控制产生一个报告给RCMS且大盘油位告警指示灯DS5亮,这段时间雷达可以正常工作且对大盘加油到告警门限以上后告警会消除,如果期间没有对大盘进行加油,30分钟后继电器K55断开,使得继电器K9断开,打开安全链路使得天线停止转动。减速箱油位过低时,继电器K58(K59)开始延时,2分钟后断开,使得继电器K13(K14)断开产生告警信号、发送报告给RCMS并点亮减速箱油位告警指示灯DS6(DS7),继电器K63开始延时,持续24小时,期间雷达正常工作且对减速箱加油到告警门限以上后,告警消除。如果不对减速箱进行加油,则24小时后,继电器K63断开,天线停止转动。当检测到油位告警时,继电器K9或K63会打开安全链路,从而断开继电器K64和K65导致天线停止转动。

1.5 过热告警

当马达过热时,继电器K15(K11)被断电,继电器K56(K57)工作,延迟1S后继电器K12和K16通电工作,继电器K12(K16)会产生一个错误报告发送给RCMS并且点亮过热告警指示灯DS8(DS9),之后继电器K1(K2)断开造成天线马达停转。

图1 AA2000线路图

2 PLC替代命题的提出

随着航班量的不断增长,现代航空管制对设备的依赖程度越来越高。在目前空管系统所使用的雷达设备中,为了保证管制员能不间断的获取可靠的雷达信号,通常要求雷达设备配备双通道冗余备份运行模式。而在雷达系统中,供电控制部分往往存在环节太多、使用继电器类型太多的问题,不能实现双通道冗余备份和有效细节监控,这其中也包括了天线马达的控制驱动部分。如果能用一种更简便并且可监控的方法实现电路,或许可以实现双通道荣誉备份的功能。这个问题的答案就是可编程序逻辑控制器(PLC)。

2.1 可编程序逻辑控制器的优点和选型

可编程控制器是以、微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术,在20世纪80年代初发展起来的一种新型工业控制装置,具备逻辑控制、定时、计数等功能。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等特点,在工业控制中已经逐步取代了冗繁的继电器、接触器控制电路设计。

PLC采用计算机存储程序和顺序执行的原理;编程语言采用的是直观的类似继电器接触器控制电路的梯形图语言,这使得原先设计控制的工作人员可以很容易的学习和使用。控制程序的更改可以通过直接改变存储器中的应用软件来实现,从而在实现方式上有了本质的突破,通用性和可用性进一步增强。

雷达天线控制单元中,输入输出接口使用的并不多,大部分继电器、接触器和延时器功能都可以在PLC的软件中实现,所以使用小型机即可。本案中我们尝试使用西门子一体化小型机S7－200——CPU226可编程控制器去实现安全链路中的条件及延时控制。

2.2 编程及在线监控软件

在西门子PLC设计的系统中,可以使用STEP 7－Micro/WIN 32软件进行编程控制。其基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务,同时它还有一些工具性的功能,此外可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。除了可以设计程序的梯形图,也可以通过梯形图直接生成STL编程语言。软件功能的实现可以在联机工作方式下进行,部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。

联机方式：有编程软件的计算机或编程器与PLC连接,此时允许两者之间作直接的通信。

离线方式：有编程软件的计算机或编程器与PLC断开连接,此时能完成大部分基本功能如编程、编译和调试程序、系统组态等。

两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作,如上装和下装用户程序和组态数据等。而离线方式下直接与PLC联系,所有程序都暂时存放在磁盘上,等联机后再下载到PLC中。

3 逻辑程序设计

在程序设计的部分,我们将首先设计梯形图,进而生成逻辑控制语言。梯形图中我们使用的主要图形符号如表1。

表1 梯形图中使用的主要图形符号

通过对AA2000机柜安全线路的分析,我们得出在天线运转的过程中,我们需要满足以下条件保证天线的正常运转：启动声音告警正常、紧急停止按钮断开、刹车盘取下、大盘油位、减速箱油位正常、马达温度正常。所以在安全链PLC程序设计上,以上传感信息构成了PLC的输入端,而输出端最终只有天线马达的使能信号。所以设计程序前,可以对输入输出的信号进行提前定义。如图2所示,以上5类信号分别对应了PLC上I0.1到I0.6的输入端;输出端Q0.1作为马达运转的使能端。下面我们开始同时使用梯形图和STL语言对每一路输入我们进行分组程序设计。

图2 PLC上的部分信号图

3.1 启动声音告警信号端程序设计

马达启动时,需要声音告警满30秒后才能使得该条件满足,所以程序中使用了延时元件,30秒后,PLC程序中子使能端Q1.1闭合,并且自锁以保持输出持续使能。程序设计如图3。

图3 程序设计

3.2 紧急停止按钮程序设计

由于紧急停止按钮在马达正常运转时处于断开状态,即：I0.2没有输入时,子使能端Q0.2有输出,所以我们使用常闭触点进行条件语言设计如图4。

图4 条件语言设计图

3.3 刹车盘传感信号

刹车盘未取下时,内部继电器呈断电状态,取下后输入I0.3导通,子使能端Q1.3输出正常,使用一个常开触点定义输入端即可,见图5。

图5 刹车盘传感信号设计

3.4 大盘油位传感信号检测程序设计

当大盘油位过低,30分钟后,马达停止运转。即：正常时,输入端I0.4在大盘油位正常时有信号,子使能端Q1.4输出正常;输入端I0.4无信号30分钟后,子使能端Q1.4断开,见图6。

图6 大盘油位传感信号检测程序设计

3.5 减速箱油位正常信号检测程序设计

当减速箱油位过低,24小时后,马达停止运转。即：正常时,输入端I0.5在减速箱油位正常时有信号,子使能端Q1.5输出正常;输入端I0.5无信号24小时后,子使能端Q1.5断开。由于老版本的程序设计中,没有超过3276.7秒的延时定时器,所以这里我们要用到计数器CTU进行辅助计时,见图7。

图7 减速箱油位正常信号检测程序设计

3.6 马达过热检测程序设计

当马达温度超标,温度传感器得电,输入端I0.6取得输入,延时1秒后,将子使能端Q1.6断开,程序设计如图8。

图8 马达过热检测程序设计

3.7 总使能程序设计

在程序的最后,将以上6个子使能端汇总,使得Q1.1到Q1.6的信号都满足需求时,PLC的最终输出马达转动使能信号如图9。

图9 总使能程序设计

4 结语

THALES RSM970S二次雷达的AA2000机柜以及AE2000机柜内置了大大小小数百个继电器、接触器。随着设备年限的增长,这些繁多并且逐渐老化的元器件无形中构成了许多可能的致命故障点,给日常维护工作带来了诸多不便。对其安全链的替代方案的研究,终究只是使用了PLC的冰山之一角。一台小型PLC完全有实力去替代整个机柜的功能,并且可以对马达控制实现双通道冗余运行,同时对PLC进行有效监控。不仅节省了设计成本和维护成本,也最大限度的保证了雷达设备运行的安全性。

[1]THALES RSM970S Technical manual Antenna control cabinet AA2000NGB[Z].

[2]台方.可编程控制器应用教程[M].北京：中国水利水电出版社,2010.