PLC在氣動(dòng)測(cè)量控制系統(tǒng)的應(yīng)用

張萬(wàn)軍，張 峰，張景軒，張景怡，張景妍

（1.泉州信息工程學(xué)院，泉州 362000；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 7410049；3.蘭州工業(yè)化設(shè)備有限公司，蘭州 730050）

PLC在氣動(dòng)測(cè)量控制系統(tǒng)的應(yīng)用

張萬(wàn)軍1,2,3，張 峰3，張景軒3，張景怡2，張景妍3

（1.泉州信息工程學(xué)院，泉州 362000；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 7410049；3.蘭州工業(yè)化設(shè)備有限公司，蘭州 730050）

針對(duì)傳統(tǒng)氣動(dòng)測(cè)量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適用性不強(qiáng)等問(wèn)題，為此，給出氣動(dòng)測(cè)量PLC和變頻器控制的一種方法。首先在簡(jiǎn)要介紹氣動(dòng)測(cè)量控制的基礎(chǔ)上，建立PLC和變頻器控制系統(tǒng)，其次通過(guò)PLC控制實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)測(cè)量的控制，最后采用變頻調(diào)速的方法動(dòng)態(tài)檢測(cè)脈沖編碼器計(jì)數(shù)和采集數(shù)據(jù)的信息。應(yīng)用PLC技術(shù)建立了自動(dòng)控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中切實(shí)可行并取得顯著成效。實(shí)驗(yàn)表明，該測(cè)量系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖像模擬的結(jié)果相一致；該控制器運(yùn)行良好，符合氣動(dòng)測(cè)量控制的要求。

PLC；氣動(dòng)控制系統(tǒng)；建立系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

0 引言

傳統(tǒng)旳氣動(dòng)控制技術(shù)大多數(shù)采用繼電器接觸器控制，存在體積大、機(jī)械觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜、故障多等缺點(diǎn)。如果控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的控制方式，電機(jī)拖動(dòng)損耗能量將是原來(lái)的30%左右，嚴(yán)重浪費(fèi)電能，使空壓機(jī)容易發(fā)生故障，使用壽命降低等問(wèn)題發(fā)生[1]。

由于PLC控制系統(tǒng)可靠，方便等特點(diǎn)，其已在數(shù)控機(jī)床上廣泛使用，目前已取代了早期的繼電器控制回路系統(tǒng)。PLC采用各類開(kāi)關(guān)、傳感器，通過(guò)分配I/O點(diǎn)實(shí)現(xiàn)控制。

氣動(dòng)測(cè)量[2,3]是一種非接觸測(cè)量，精度高、測(cè)量力小、對(duì)被測(cè)工件有自潔作用，不受工件表面材質(zhì)的影響。PLC控制以壓縮空氣作為介質(zhì)，利用空氣在管道中的流量或壓力隨噴嘴與被測(cè)工件之間的間隙不同而改變的特性，將尺寸量或位移量轉(zhuǎn)化流量變化或氣壓變化信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

但近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專家和學(xué)者把主要的研究方向放在PLC編程及硬軟件的研究和氣動(dòng)測(cè)量的概述上[4～6]，文獻(xiàn)[7～15]給出工件氣動(dòng)測(cè)量的結(jié)構(gòu)及控制方式，但在差壓式氣動(dòng)測(cè)量中適用性較差。文獻(xiàn)[16,17]研究PLC控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適用性不強(qiáng)。本文給出PLC和變頻器在氣動(dòng)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用一種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、操作方便，在測(cè)量方面具有很強(qiáng)的借鑒意義。最后實(shí)驗(yàn)表明，該測(cè)量系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖像模擬的結(jié)果相一致；該控制器運(yùn)行良好，符合氣動(dòng)測(cè)量控制的要求。

1 氣動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的工作原理及控制方法

1.1 氣動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

差壓式氣動(dòng)測(cè)量氣路原理圖[2]如圖1所示。由氣源1來(lái)的壓縮空氣經(jīng)過(guò)濾器2、進(jìn)氣閥3和穩(wěn)壓器4后，具有恒定的壓力Pc，經(jīng)可調(diào)節(jié)流閥5和測(cè)量噴嘴6。測(cè)量時(shí)背壓氣路處于相同的環(huán)境壓力和溫度下，使外界環(huán)境（壓力、溫度和濕度等）對(duì)測(cè)量的影響降到最小，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好。根據(jù)流體力學(xué)中通過(guò)某截面的亞臨界狀態(tài)的流量公式，兩腔壓力之差為：

圖1 差壓式氣動(dòng)測(cè)量氣路原理圖

式中：Pc為調(diào)零腔壓力；Px為測(cè)量腔壓力。

一般可調(diào)節(jié)流閥在測(cè)量前調(diào)節(jié)好背壓Pc之后在測(cè)量過(guò)程中是不變的，即Pc是個(gè)常數(shù)。而測(cè)量腔壓力Pc則隨測(cè)量間隙s的改變而變化。用硅壓阻差壓傳感器10檢出ΔP，作為被測(cè)信號(hào)，經(jīng)放大后輸出就可測(cè)得被測(cè)參數(shù)S的大小。

1.2 氣動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的控制方法

該氣動(dòng)控制系統(tǒng)由以下部分組成：PLC、變頻器（1#和2#）、電動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)、繼電器、開(kāi)關(guān)、按鈕、互感器、擴(kuò)展器（EM235和EM232）、空氣壓力傳感器、定子溫度傳感器、軸承傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該控制系統(tǒng)將減壓氣體Δp作為控制對(duì)象，利用遠(yuǎn)傳空氣開(kāi)關(guān)檢測(cè)氣壓px，變頻器送入以標(biāo)準(zhǔn)氣壓pc轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，送入A/D轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后PLC將檢測(cè)到的氣壓值與壓力設(shè)定值比較，根據(jù)氣壓差值Δp進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生的控制信號(hào)f和測(cè)的測(cè)量噴嘴擋板之間隙s等值，送入變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使壓力接近設(shè)定值，才使變頻器控制氣動(dòng)測(cè)量裝置。

圖2 氣動(dòng)測(cè)量PLC系統(tǒng)圖

2 氣動(dòng)測(cè)量裝置控制系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)測(cè)量裝置控制系統(tǒng)硬件

氣動(dòng)測(cè)量裝置PLC控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)2個(gè)部分組成，上位機(jī)由觸摸屏構(gòu)成，下位機(jī)（PLC控制系統(tǒng)）包括CPU和數(shù)字/模擬量輸入，數(shù)字/模擬量輸出及其他模塊構(gòu)成，用來(lái)控制氣壓、氣溫和轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)測(cè)量的控制，系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)圖

2.2 氣動(dòng)測(cè)量裝置的PLC I/O點(diǎn)的分配

根據(jù)氣動(dòng)控制測(cè)量的要求，選用西門子PLCS7-300CPU224作為控制核心，擴(kuò)展一個(gè)EM235作為模擬量輸入模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，輸入信號(hào)由多路開(kāi)關(guān)采集，使用數(shù)字化的濾波器測(cè)得氣壓速度，氣壓傳感器的輸出信號(hào)由壓力變速器經(jīng)EM235控制轉(zhuǎn)換為0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)完成EM235I/O點(diǎn)的分配，控制變頻器使脈沖編碼器計(jì)數(shù)。EM232作為I/O的輸入/輸出擴(kuò)展模塊，具有四個(gè)I/O點(diǎn)的輸入，可以滿足氣動(dòng)測(cè)量的擴(kuò)展使用。最后根據(jù)各個(gè)單元的容量，選擇合適的電源模塊CQM1-PA203，為PLC提供24VDC穩(wěn)壓電源。PLC I/ O點(diǎn)的分配是PLC編程之前的必要準(zhǔn)備，PLC I/O點(diǎn)的分配要與設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)硬件相對(duì)應(yīng)。氣動(dòng)測(cè)量裝置的PLC I/O點(diǎn)的分配表，如表1所示，列出氣動(dòng)測(cè)量的PLC梯形圖，編程后可由專用通訊電纜下載到PLC[9～15]，運(yùn)行PLC程序?qū)崿F(xiàn)氣動(dòng)測(cè)量裝置的PLC I/O點(diǎn)的分配。

表1 氣動(dòng)測(cè)量裝置的PLC I/O點(diǎn)的分配表

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 PLC控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是PLC氣動(dòng)測(cè)量原理控制實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。壓力變送器測(cè)得到壓力值px經(jīng)擴(kuò)展模塊EM235模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入PLC與調(diào)零腔壓力pt和測(cè)量腔壓力px比較，得到氣壓差值Δp經(jīng)EM235模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的控制信號(hào)f和測(cè)的測(cè)量噴嘴擋板之間隙s等值，輸入給變頻器，變頻器計(jì)數(shù)比較氣壓值完成氣動(dòng)測(cè)量。

針對(duì)氣動(dòng)測(cè)量PLC系統(tǒng)控制的特點(diǎn)，PLC控制軟件主要包括參數(shù)輸入（輸入調(diào)零腔壓力Pt、測(cè)量腔壓力Px、測(cè)的測(cè)量噴嘴擋板之間隙s等值）、啟動(dòng)變頻器分頻計(jì)數(shù)、編碼器計(jì)數(shù)、氣動(dòng)測(cè)量的比較等幾個(gè)步驟組成。PLC系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 PLC軟件控制流程圖

2.3.2 觸摸屏的界面設(shè)計(jì)

根據(jù)觸摸屏PLC設(shè)置的要點(diǎn)，設(shè)計(jì)的PLC觸摸屏軟件圖，如圖5所示。按功能鍵“F0”，顯示窗口出現(xiàn)PLC運(yùn)行監(jiān)視畫面；按功能鍵“F1”，顯示窗口出現(xiàn)PLC運(yùn)行參數(shù)設(shè)置畫面。

圖5 觸摸屏軟件設(shè)置框圖

3 實(shí)驗(yàn)

本研究在實(shí)驗(yàn)室PLC控制的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)測(cè)量的控制，氣動(dòng)測(cè)量存在如下關(guān)系式：

圖6 PLC控制實(shí)驗(yàn)圖

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

選用了10000Pa型氣動(dòng)測(cè)量裝置作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備。主噴嘴直徑0.3cm，額定氣壓為1000Pa，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到s-pc和s-px擋板間隙-氣壓綜合比較圖、s-f擋板間隙-氣壓差圖，如圖7、圖8所示。

圖7 擋板間隙-氣壓綜合比較圖

圖8 擋板間隙-氣壓差圖

氣動(dòng)測(cè)量裝置電機(jī)在0.24m/s時(shí)啟動(dòng)。在增加速度

【】【】后壓力隨之提高。當(dāng)速度提高到一定的程度，壓力差曲線接近直線，表明壓力已達(dá)到額定壓強(qiáng)，滿足氣動(dòng)測(cè)量裝置控制曲線的建立的需要。實(shí)現(xiàn)效果表明該控制器運(yùn)行良好，符合氣動(dòng)測(cè)量控制的要求。

4 結(jié)論

1）在氣動(dòng)測(cè)量的基礎(chǔ)上，建立了PLC和變頻器的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)將減壓氣體Δp作為控制對(duì)象，利用遠(yuǎn)傳空氣開(kāi)關(guān)檢測(cè)氣壓px，變頻器送入以標(biāo)準(zhǔn)氣壓pc轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，送入A/D轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后PLC將檢測(cè)到的氣壓值與壓力設(shè)定值比較，根據(jù)氣壓差值Δp進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生的控制信號(hào)f和測(cè)的測(cè)量噴嘴擋板之間隙s等值，送入變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使壓力接近設(shè)定值，才使變頻器控制氣動(dòng)測(cè)量裝置，在氣動(dòng)測(cè)量方面具有很強(qiáng)的借鑒意義。

2）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分組成。上位機(jī)監(jiān)控觸摸屏，觸摸屏軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的可視化操作。下位機(jī)控制PLC系統(tǒng)，接收現(xiàn)場(chǎng)各狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)測(cè)量裝置的控制，動(dòng)態(tài)檢測(cè)脈沖編碼器計(jì)數(shù)和采集數(shù)據(jù)的信息。該軟件具有適應(yīng)性和通用性，在一些PLC控制系統(tǒng)中可移植使用。

3）實(shí)驗(yàn)表明，該測(cè)量系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖像模擬的結(jié)果相一致；該控制器運(yùn)行良好，符合氣動(dòng)測(cè)量控制的要求。

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Application of PLC in the air driven control system

ZHANG Wan-jun1,2,3, ZHANG Feng3, ZHANG Jing-xuan3, ZHANG Jing-yi2, ZHANG Jing-yan3

TP273

：A

：1009-0134(2017)05-0049-04

2016-12-17

高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)（2014 ZX040001-181）

張萬(wàn)軍（1986 -），男，甘肅人，博士研究生，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事數(shù)控技術(shù)的裝備、新能源的研究及風(fēng)能的開(kāi)發(fā)等工作。