基于S7-200高精度定量閥控制器的改進研究

湯 偉 黃寶柱，* 胡祥滿 王 鋒

(1.陜西科技大學工業自動化研究所，陜西西安，710021；2.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，浙江瑞安，325200)

?

·定量閥控制·

基于S7-200高精度定量閥控制器的改進研究

湯 偉1黃寶柱1，*胡祥滿1王 鋒2

(1.陜西科技大學工業自動化研究所，陜西西安，710021；2.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，浙江瑞安，325200)

分析定量閥結構和控制原理，將傳統的恒頻脈沖控制算法與梯形曲線算法、S形曲線算法進行了對比，選擇用擬合S形曲線的算法控制定量閥。同時，為了有充足加減速過程，使用細分驅動技術，在不增加控制器硬件成本前提下，通過擬合7段S形曲線，最終實現了高精度定量閥的精密定位控制。

高精度定量閥；恒頻脈沖控制算法；梯形曲線算法；S形曲線算法；細分驅動技術

工業生產中流體流量的控制好壞，對產品質量影響非常大，高精度定量閥就是應用于流體流量精密控制場合[1-2]。例如造紙過程中，紙張定量的穩定性是衡量產品質量的一個重要基準，而定量的決定性因素在于上網絕干漿料的多少，在濃度穩定的前提下，對于流量的調節就顯得尤為重要。就高速衛生紙機而言，可以用變頻上漿泵來穩定上漿的壓力，用電磁流量計和高精度定量閥來控制流量[3-5]。

目前國內大多數高速衛生紙機定量調節都使用高精度定量閥，其優點在于調節精度高，能夠很好地滿足紙廠需求。由于國產定量閥不能夠很好滿足工業現場需求，這類能達到滿意效果的定量閥幾乎全是國外產品，而國外一個DN100定量閥價格為10萬～15萬元，高昂的設備成本讓許多紙廠望而卻步，因此研制國內自有品牌的高精度定量閥非常必要。而現今國內對于定量閥的研究還處于初級階段，閥門在工作時定位還不準確[6]。本研究主要從定量閥的控制器著手，使用細分驅動技術，將原來由一個脈沖完成的步距角細分為成倍的脈沖完成，通過比較后，用擬合S形加減速曲線方法發射脈沖，完成準確定位。

1 定量閥結構及控制原理

1.1 定量閥結構及技術特點

高精度定量閥可分為控制單元、執行器、連接在執行器上的閥體。控制單元是專有硬件電路板，采用雙出軸步進電機和精密行星減速器為電動執行機構，步進電機的一端插入精密行星減速器用作閥芯驅動，另一端插入手輪。減速器輸出主軸上設有齒輪和機械限位開關，極限反饋就是通過輸出主軸上的限位開關實現的。閥門回訊器的連接軸與傳動軸平行布置，這樣可以減小閥門縱向體積，通過齒輪傳動指示并反饋閥位。閥體一般使用V型球閥。高精度定量閥的結構圖如圖1所示。

圖1 高精度定量閥結構

圖2 定量閥控制原理

使用步進電機作執行機構的原因在于步進電機不存在累計誤差的優點，一個脈沖一個步距角，同時不受電壓、電流等因素干擾。但步進電機在傳統恒頻脈沖工作時，起動會有丟步，低頻振蕩，還有起、停段沖擊過大等現象。加上現有機械加工技術存在不足，導致閥門定位精度不高[7- 8]。

1.2 定量閥控制原理

控制單元接收給定的開、關閥信號，現場閥門極限反饋信號，4～20 mA閥位信號，閥門位置反饋是閥門內部一個精密電位計產生信號，該信號被轉換成電流信號(4～20 mA)，發送到控制單元。同時控制單元也會給QCS閥位反饋信號，脈沖信號由CPU上自帶DO模塊給步進電機驅動器，然后由步進電機驅動器給定驅動脈沖與電流。整個信號的輸入輸出需要1個AO、1個AI、8個DI、2個DO。定量閥控制原理圖如圖2所示。

2 定量閥傳統控制策略

傳統定量閥的控制信號一般分為兩種模式，脈沖持續模式和電平持續模式，見圖3。當QCS系統發射持續脈沖信號給控制單元，控制單元也同樣給步進電機驅動器一個脈沖，這種脈沖跟作用時間長短與電機轉角無關，控制單元只識別上升沿和下降沿。電機的動作與脈沖及方向信號有關，只有脈沖信號時，電機反轉；脈沖加方向信號時，電機正轉。當QCS給控制單元的是電平信號，步進電機驅動器同樣發射恒頻脈沖給電機，在開閥或者關閥電平接通時，電機正轉或者反轉，直至電平消失，電機停止。因此，對于傳統的高精度定量閥控制策略來說，不管是恒頻脈沖信號或者正反轉電平信號，最終步進電機驅動器發射給電機的都始終是占空比為50%的恒頻脈沖[9]。

圖3 傳統定量閥控制信號模式

3 改進的定位控制策略

針對恒頻率控制產生丟步、過沖、電機速度變化太劇烈等缺點，需要減少閥門定位過程中速度變化的梯度，而常見的定位速度控制曲線有梯形加減速曲線、S型加減速曲線[10]，都能減少定位過程中的速度變化梯度，下面分析這兩種控制算法曲線的特征。

3.1 梯形加減速曲線

如圖4所示，梯形加減速曲線可以分為3段：恒加速運動、勻速運動、恒減速運動。初始速度反應步進電機的動力性能。

圖4 梯形加減速曲線

由圖4可以看出，梯形加減速曲線在速度變化上沒有突變，在加速度的變化上存在2次突變，在速度的拐點處仍可能存在丟步的問題。

3.2 S形加減速曲線

S形加減速曲線有多種類型，7段的曲線是最復雜的，也是最完整的。分別是：加速度增大的加速運動、加速度恒定的加速運動、加速度減小的加速運動、加速度為零的勻速運動、 加速度增大的減速運動、加速度恒定的減速運動、加速度減小的減速運動。S形加減速曲線如圖5所示。

圖5 S形加減速及擬合曲線

電機以初速度為0，加速度為：

在[0,t1]時間段內，做加速度增大的加速運動，t1時刻的速度：

(t1,t2]時間段內做加速度恒定的加速運動，t2時刻的速度：

(t2,t3]時間段內做加速度減小的加速運動，t3時刻的速度：

(t3,t4]時間段內，做加速度為零的勻速運動，t4時刻的速度：

v4=v3

(t4,t5]時間段內，做加速度增大的減速運動，t5時刻的速度：

(t5,t6]時間段內，做加速度恒定的加速運動，t6時刻的速度：

(t6,t7]時間段內，做加速度減小的減速運動，t7時刻速度：

S形曲線是比較好的運動曲線，整個運動過程中在速度以及加速度都沒有發生突變，運動非常平穩。同時擬合曲線也分為7段，第一段加速度適中，加速度過大易丟步，做加速運動，到第二段加速度增大，減小速度上升時間，第三段加速度比前兩段都小，防止過沖，第四段做勻速運動，剩下的減速段與加速段對稱，結果發現擬合曲線能很好地貼合S形曲線。由此得出結論：兩種曲線均能夠減少定位過程速度變化梯度，能有效降低丟步和過沖出現的可能性，而且S形加減速曲線的定位精度是最好的，但是通過編程發現S形加減速曲線在PLC執行過程中耗時過長，脈沖發送耗時比程序運行周期段短，會造成電機停轉現象。反而S形加減速擬合曲線在使電機速度連續的前提下，也能達到滿意的效果。表1是各脈沖類型之間優缺點以及與S7-200兼容性的對比[11-12]。

表1 脈沖類型對比

因此采取細分驅動技術、S形加減速擬合曲線發射脈沖為控制策略，不增加控制器硬件成本情況下，可以實現高精度定量閥的精準定位。這是與傳統的恒頻脈沖控制不同之處，給步進電機一個加速、減速過程，在整個運動過程中沒有速度上的突變[13-14]。

4 S形加減速7段擬合曲線精密定位控制的工程實現

4.1 高速脈沖串輸出概述

PTO、PWM是S7-200 PLC高速脈沖串輸出，在PTO的作用下，通過改變脈沖的周期值和脈沖數，可以實現變頻脈沖，PWM是寬度可調脈沖信號，周期不可變。PTO分為單段PTO和多段PTO兩種。

單段PTO：定義一個脈沖串，輸出一個脈沖串，特殊參數通過特殊寄存器來定義。

多段PTO：集中定義多個脈沖串，按順序輸出多個脈沖串，特殊參數通過包絡表定義。

4.2 PTO的實現

單段PTO的實現方法：用指定的特殊標志寄存器定義脈沖串特性參數，每次定義一個脈沖串。一個脈沖串輸出后產生中斷，在中斷服務程序中再為下個脈沖串更新參數，輸出下一個脈沖串。單段PTO的優點在于可以采用不同的時間基準，但是在輸出多個高速脈沖串時，編程復雜，且參數設置不當會造成脈沖串之間的不平滑轉換。

多段PTO的實現方法：集中定義需要的脈沖段數，并把各段脈沖的特性參數按照規定的格式寫入用戶指定的變量存儲區，也就是包絡表。包絡表是包絡段數和各段參數組成，定義包絡的首地址為脈沖總段數，定義一段脈沖串需要8個字節，2個字節存放脈沖串的起始周期值，2個字節定義脈沖串的周期增量，其中周期增量等于段終止周期值減去段起始值再比上該段的脈沖數，最后4個字節存放該段的脈沖數。由于在實現多段高數脈沖輸出時，多段PTO編程比單段PTO編程更易實現，選擇用多段PTO來實現7段S形加減速擬合曲線。

4.3 多段PTO編程方法與步驟

首先初始化操作，將PTO的輸出點Q0.0復位。調用初始化子程序SBR-1，設置控制字節SMB67，按照控制要求按位填寫，如表2所示，將二進制轉化十六進制，得到SMB67=16#A0。將包絡表的起始地址400寫入SMW168，填寫包絡各段脈沖串的特性參數，比如周期值、周期增量、脈沖數。建立中斷連接，用ATCH指令建立脈沖輸出完成中斷事件和中斷程序的聯系。當PLS指令輸出完指定數量的脈沖串時，產生中斷。用ENI開放全局中斷。

最后有起動信號時，執行高速脈沖輸出指令PLS，按順序輸出多段脈沖串，有停止信號時，SM67.7會復位，禁止脈沖輸出。

表2 SMB67二進制位

4.4 程序與試驗結果

主程序流程圖如圖6所示。

主程序代碼如下： LD M0.1

R Q0.0, 1

CALL SBR_1:SBR1 //將輸出映像寄存器Q0.0清零；初始化子程序SBR_1。

表3 閥門電機實驗數據

LD M0.0

MOVB 16#A0，SMB67

MOVW 400，SMW168

CALL SBR_0:SBR0

ATCH INT_0:INT0，19

ENI

PLS 0 //裝載時間基準16#A0，并賦包絡表首地址400，調用子程序SBR0，建立中斷與中斷服務程序聯系，全局開放中斷，執行脈沖輸出指令。

LD M0.0

EU

R M0.0，1 //復位使能開關

LD M0.2

R SM67.7, 1

PLS 0

S SM67.7, 1

R M0.2, 1 //禁止脈沖串輸出，并復位停止按鈕。

步進電機一個脈沖1.8°，恒頻脈沖多次實驗發現存在丟步和過沖現象。通過256細分，擬合S形加減速整個過程，用分辨率為0.045°旋轉編碼器測量步進電機轉角，結果如表3所示，誤差明顯減小。

脈沖波形通過示波器顯示，如圖7所示，脈沖頻率是個逐漸增加到穩定再逐漸減小的過程，與實際加減速過程吻合。

圖6 主程序流程圖

圖7 擬合曲線脈沖波形

5 結 語

高精度定量閥作為流體流量精準控制不可或缺的設備，其定位準確與否直接影響產品質量。為滿足生產需求，很多工廠只好購買國外定量閥，大大增加了設備投入成本。目前國內研制的定量閥由于機械加工精度以及步進電機丟步、過沖等原因，致使定量閥定位不準確。選擇使用S形加減速擬合曲線控制算法，在不增加硬件成本的前提下，有效地提高了閥門的定位能力。

[1] WANG Bo, TANG Wei, DONG Ji-xian, et al. Design of Cross Direction Basis Weight Control Actuator of Dilution Water Hydraulic Headbox[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(5): 41. 王 博, 湯 偉, 董繼先, 等. 稀釋水水力式流漿箱橫幅定量控制執行器設計[J]. 中國造紙, 2015, 34(5): 41.

[2] TANG Wei, SHI Song-jiao, WANG Meng-xiao. Auto-tuning PID/PI Control and Its Application to Paper Basis Weight Control[J]. China Pulp & Paper, 2002, 21(2): 34. 湯 偉, 施頌椒, 王孟效. 一種自整定PID/PI及其在紙張定量控制中的應用[J]. 中國造紙, 2002, 21(2): 34.

[3] SUN Kongzheng, XU Shuyan, CAO Xiaotao, et al. Speed Control of Step Motor Based on Torque Curve[J]. Micromotors, 2014, 47(1): 81. 孫孔政, 徐抒巖, 曹小濤, 等. 基于矩頻曲線的步進電機加減速控制[J]. 微電機, 2014, 47(1): 81.

[4] WANG Bo, TANG Wei, LIU Qing-li, et al. Research and Development of Medium High-precision Quantitative Valve for Basis Weight Control of Paper Machine[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(3): 39. 王 博, 湯 偉, 劉慶立, 等. 國產造紙機用中高精度定量閥的研制[J]. 中國造紙, 2014, 33(3): 39.

[5] WANG Bo, TANG Wei, LIU Qing-li, et al. Research and Development of Domestic Basis Weight Valve Controller of Paper Machine[J]. Paper Science & Technology, 2014, 33(2): 77. 王 博, 湯 偉, 劉慶立, 等. 造紙機用國產定量閥控制器的研制[J]. 造紙科學與技術, 2014, 33(2): 77.

[6] ZENG Kangling, YANG Xiangyu, ZHAO Shiwei, et al. Optimization of Exponential Acceleration Curve of Stepper Motor and Realization on PIC[J]. Micromotors, 2014, 47(6): 36. 曾康玲, 楊向宇, 趙世偉, 等. 步進電機指數型加速曲線優化與實現[J]. 微電機, 2014, 47(6): 36.

[7] WANG Bo, TANG Wei, LIU Qing-li, et al. Optimal Design of Medium High-precision Quantitative Valve for Basis Weight Control of Paper Machine[J]. Fluid Machinery, 2014, 42(8): 52. 王 博, 湯 偉, 劉慶立, 等. 中高精度定量閥的優化設計[J]. 流體機械, 2014, 42(8): 52.

[8] Zheng Zhong. Control Strategy and System Construction for Two Phase Stepper Motor[J]. Ordnance Industry Automation, 2011, 30(6): 65. 鄭 重. 兩相步進電機控制策略及系統構建[J]. 兵工自動化, 2011, 30(6): 65.

[9] YANG chao, ZHANG Dong-quan. Stepper motor’s acceleration and speed control based on S-curve[J]. Mechanical & Electrical Engineering Magazine, 2011, 28(7): 813. 楊 超, 張冬泉. 基于S曲線的步進電機加減速的控制[J]. 機電工程, 2011, 28(7): 813.

[10] CUI Jie, YANG Kai, XIAO Yajing, et al. Algorithm Research in Acceleration and Deceleration of Stepper Motor[J]. Equipment for Electronic Products Manufacturing, 2013, 33(8): 45. 崔 潔, 楊 凱, 肖雅靜, 等. 步進電機加減速曲線的算法研究[J]. 電子工業專用設備, 2013, 33(8): 45.

[11] WANG Bo, TANG Wei, DONG Ji-xian, et al. Research and Development of Domestic Dilution Water Headbox’s Dilution Control Actuator[J]. Paper and Paper Making, 2015, 34(1): 8. 王 博, 湯 偉, 董繼先, 等. 國產稀釋水水力式流漿箱稀釋水閥執行器的設計[J]. 紙和造紙, 2015, 34(1): 8.

[12] WANG Bo, TANG Wei, DONG Ji-xian, et al. Research and Development of Domestic Dilution Water Headbox’s Dilution Valve Controller[J]. Fluid Machinery, 2015, 43(4): 48. 王 博, 湯 偉, 董繼先, 等. 國產稀釋水閥控制器設計[J]. 流體機械, 2015, 43(4): 48.

[13] PAN Jian, LIU Mengwei, Overview on Control Strategies of Stepping Motor[J]. Modern Electronics Technique, 2009(15): 143. 潘 健, 劉夢薇. 步進電機控制策略研究[J]. 現代電子技術, 2009(15): 143.

[14] LIU Yadong, LI Congxin, WANG Xiaoxin. Precise Control of Step Motor Speed[J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2001, 35(10): 1517. 劉亞東, 李從心, 王小新. 步進電機速度的精確控制[J]. 上海交通大學學報, 2001, 35(10): 1517. CPP

(責任編輯：劉振華)

Improvement of High-precision Quantitative Valve Controller Based on S7-200

TANG Wei1HUANG Bao-zhu1,*HU Xiang-man1WANG Feng2

(1.InstituteofAutomation,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021; 2.ZhejiangLinuoFluidControlTechnologyCo.,Ltd.,Rui’an,ZhejiangProvince, 325200)(*E-mail: 760596306@qq.com )

This paper analyzed the structure and control principle of quantitative valve. After comparing the traditional constant frequency pulse control algorithm, with the trapezoidal curve algorithm, and S curve algorithm, fitting S curve algorithm was close to control the quantitative valve. At the same time, in order to have enough acceleration and deceleration process, the subdivided driving technology was applied, by fitting 7 segments S curve and without increasing hardware cost was realiged, the precision positioning control of high-precision quantitative valve was realized．

high-precision quantitative valve; constant frequency pulse control algorithm； trapezoidal curve algorithm; S curve algorithm; subdivided driving technology

2016- 06-14(修改稿)

高精度定量控制執行器的研制(201311)；陜西省重點科技創新團隊計劃項目(2014KCT-15)。

湯 偉先生，博士，教授；研究方向：工業智能控制及工業高級過程控制。

TS737+.3;TP212

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.12.009

*通信作者：黃寶柱先生，E-mail:760596306@qq.com。