西門子S7 200PLC直接控制電動執行機構

何軍林

摘 要：對計算機控制系統中電動執行器控制展開優化探究，分析傳統D/A轉換器結合伺服放大器存在的問題，提出了消除中間環節，直接通過PLC控制電動執行器的方法，通過應用發現控制精度顯著提升。

關鍵詞：電動執行器；PLC開關量；自動控制

當今的工業生產中，電動執行機構是驅動和控制水、氣、油等各種流體閥門的重要設備，廣泛應用于石油、化工、冶金和電力等領域中，隨著現代化工業對電動執行機構要求的提高，傳統的控制方式為模擬信號與伺服放大器配套控制電動執行器，在功能和使用上的缺點暴露得越來越明顯。

本文主要介紹使用西門子S7200系列可編程控制器對電動執行機構進行改造，PLC可根據上位機傳來的數字信號或者4～20mA的模擬控制信號，直接操作改變執行機構的開度，利用微機技術和現場通信技術擴大功能，實現在線自動標定、手自動切換、實時監控等多種控制技術要求的功能，有效提高控制水平。

1 問題提出

以往計算機控制系統輸出主要經過D/A轉換器，將輸出數字信號轉換為模擬信號，再配合放大器對電動執行器進行控制，實際運用過程中，如果執行器反饋斷路，執行機構一直正轉或反轉，直到全開或全關，容易將執行機構燒壞，或拉壞執行器相連的閥門與風門。此外，如果伺服放大器調整出現問題，就會導致放大器輸出發生震蕩，造成執行器反復開關動作，最終導致設備損壞。

對此，探究問題：是否可以滿足信號傳輸過程中，不經過伺服放大器，而是直接經由PLC控制器輸出開關量信號，進而控制電動執行器，且確保執行器的正常動作，即節省投資，又能滿足控制和工藝要求。

2 執行機構

執行機構主要由控制器和執行器組成，執行機構的控制器采用西門子S7200可編程控制器為核心，配以相應的外圍電路。明顯簡化了系統的結構，提高了控制精度。執行器由電機和位置傳感器構成，執行機構的正反轉向是通過改變電機的正反轉動來實現的。控制器接收來自控制中心的DC20mA的電信號，該模擬信號接入PLC的模擬量模塊，給定信號與反饋信號比較，由PLC判斷處理，以確定執行機構的開關狀態：正轉、反轉或者停止，再將執行機構實際開度傳回控制中心。閥門實際開度和主軸旋轉方向由接近開關通過安全柵傳回PLC，以便監視閥門運行狀態。

直接去掉伺服放大器，采用PLC控制系統，控制電動執行器。以開關量輸出和反饋信號，結合編程，利用成本較低的開關代量輸出代替昂貴的模擬量輸出，能夠提高系統的穩定性與可靠性，還能夠節省成本。

3 控制器硬件

考慮開關量輸入輸出的數量，模擬量輸入精度及連鎖等各方面情況，選用酉門子S7200系列可編程控制器，CPU型號為CPU222。這種PLC小型、緊湊，可以直接裝在電氣常用的35mm標準導軌上，本機帶有8個輸入點和6個輸出點，還可擴展2個模塊，包括模擬量模塊；機內有256個內部繼電器，256個定時器/計數器，足夠編程人員使用；內置24V直流電源；指令執行速度快，每條指令執行時間為0.378us，編程可用手持編程器，方便現場調試，也可以用個人PC，方便在研制場所編制程序及歸檔義件和打印輸出。

模擬量單元采用E M 235組合模塊，此模塊有4路模擬量輸入，2路模擬量輸出。主要技術數據為：輸入類型為差分輸入；輸入電流為0～20mA；數模轉換時間小于250us ；量程范圍為0～32000；A/D轉換精度為12位；電流輸出穩定時間為2ms。

PLC配置為：主機：6ES72121AB20OXB0；模擬量組合模塊：6ES7235OKD20OXAO。

4 軟件編程

執行機構的控制分為手動控制和自動控制兩種方式，用戶可根據實際操作的需要選擇相應的工作方式。手動方式下，分別有正傳、反轉停止三個按鈕，用戶可以讓閥執行機構正、反轉并停止在任意位置；自動方式下，由上位機給出4～20mA的模擬量信號，PLC根據模擬信號和反饋信號，確定執行機構開度。

輸入與輸出：執行器位置反饋信號采用原始的相關反饋模塊。通過PLC控制器的應用，對輸入通道進行模擬，結合信號類型對模板跳線做出調整。由于位置反饋信號是執行器動作的主要依據，因此輸入通道初始化的過程中，應當剪短采樣時間，減少平均次數，提高反應靈敏度，縮小控制死區的范圍，進而提高控制精度。開關量輸出通道最大允許電流為2A，根據實際情況，鑒于風門故障狀況比較常見，經常卡死導致執行器堵轉，應當加設兩個接觸器，開關量輸出驅動接觸器，電流就會很小，不易出現損壞，能夠起到放大隔離效果。

程序：執行器控制程序主要有三個部分：信號的采樣與處理，以及特殊情況判定。其中對信號的采樣，主要結合反饋信號進行通道設置，對采樣方式與時間，以及信號存放地址等進行初始化。信號的處理則主要根據位置偏差值，來控制執行器的轉動，在停電情況下，電機會發生慣性滯后，應當根據實際情況設置死區，控制偏差值。對于特殊情況的處理，設置手動與自動兩種方式，可以自動判斷位置反饋信號的正確性，執行器停止，通過人工控制及時處理故障。

5 應用成效

通過對控制系統的優化，將PLC開關量輸出直接控制執行器的方案投入到企業某監控系統開發項目中。該控制系統中有5臺電動執行器，用來調節風門開度，風門開度直接控制熟料引風量大小，對于熟料燃燒具有影響，即對燒成品質量有很大影響。所以該項目通過創建PLC開關量輸出直接控制執行器的控制系統，來保證風門動作的靈敏可靠與準確，避免出現故障問題造成風門過開或者閉死。具體應用于一臺執行器需要占用1個模擬量輸入通道，來采集執行器位置反饋信號，以及兩個開關量輸出通道，用于控制執行器電機反轉信號。

6 結語

綜合全文，通過對傳統D/A轉換器、放大器控制系統的優化，直接通過PLC控制執行器，有效降低故障率，提高設備運轉穩定性，節省模擬量輸出成本費用，且PLC程序控制具有靈活特性，能夠提高調節系統的控制質量。

參考文獻：

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