PLC和 I／O控制卡在净重测试力机中的应用.pdf

电气 自动化 2 0 1 4年第 3 6卷 第 5期 自 动控制 系统与装置 Au to ma t ic Co n t r o l S y s te ms＆ E q u i p me P L C和 I ／ O控 制卡在净重测试 力机 中的应用 周琼 梅特勒 一托利 多 常州 精密仪器有限公司 ， 江苏常州2 1 3 0 2 2 摘要把步进电机应用到小容量的净重测试力机的加卸载荷装置中， 通过 P L C和 I ／ O控制卡相结合的控制方式， 进行了 l 6 k g容量的 净重测试力机的控制设计。应用步进电机调速范围广， 快速的启动、 制动和反转特性以及 P L C和 I ／ 0控制卡控制功能多、 可靠 性高、 实时的监控性能， 提高了测试力机的稳定性、 安全性和维修的方便性。 关键词可编程控制器； I ／ O控制卡； 步进电机； 净重测试力机； 稳定性 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0 3 8 8 6 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 2 9 [ 中图分类号]T P 2 7 3 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 4 0 5 0 0 8 2 0 3 Ap p l i c a t i o n o f PL C a n d I ／ 0 Co n t r o l Ca r d i n Ne t W e i g h t Te s t i n g Ma c h i n e s Z H O U Q i o n g Me t t l e r T o l e d o C h a n g z h o u P r e c i o n I n s t r u m e n t C o ． ， L t d ． ， C h a n g z h o u J i a n g s u 2 1 3 0 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t A c o n t r o l d e s i g n i s ma d e f o r t h e 1 6 k G n e t we i g h t t e s t i n g ma c h i n e i n t h e c o n t r o l me t h o d o f c o mb i n i n g P L C a n d I ／ O c o n t r o l c a r d b y a p p l y i ng t h e s t e p mo t o r i n t h e l o a d i n g ／ un l o a di n g d e v i c e o f t h e s ma l l c a pa c i t y ne t we i g ht t e s t i n g ma c h i n e ． T he wi d e r a n g e o f s pe e d r e g u l a t i o n，q u i c k s t a r t ，b r a k e a n d r e v e r s a l ，a s w e l l a s d i v e r s i f i e d h i g h l y r e l i a b l e f u n c t i o n s o f t h e P L C a n d I ／ O c o n t r o l c a r d wi t h r e a l t i me mo n i t o ring a l l c o nt ribu t e t o t he s t e a d i n e s s，s a f e t y a n d ma i nt a i na b i l i t y o f t he t e s t i n g ma c hi ne ． Ke ywor ds PL C；I ／ 0 c o n t r o l c a r d；s t e p mo t o r ；ne t we i g ht t e s t i n g ma c h i n e；s t a bi l i t y 0 引 言 在通用的净重测试力机的加卸载荷机构中， 目前调速装置多 采用双速交流电动机驱动， 由于其调速性能弱， 惯性性能影响测 试系统的稳定性 ， 且运行效率低 J ， 尤其在小容量的加载机构中 尤为明显。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机作为执 行元件 ， 由于其快速启动、 制动和反转， 同时可以通过控制脉冲频 率在很大范围内调节电机转速， 广泛应用在加卸载荷机构中 j 。 在加卸载荷机构的控制中， 通常采用各种开关 、 继电器 一接 触器控制系统。但此控制系统的工艺性差 ， 运行的可靠性与安全 性较差。而 P L C以其高的可靠性， 紧凑的结构， 灵活的配置， 强 大的功能且维修方便成为各种控制应用的理想解决方案 J 。为 了提高加卸载荷机构的稳定性 ， 利用步进电机运行平稳性和宽的 调速性能， 并用 P L C和工业 I ／ O控制卡设计了小容量的净重测试 力 机的控制系统。 1 净重 测试 力机的结构 和工作原 理 净重测试力机的结构示意如图 1 所示。系统主要组成部分 有 砝码、 步进电机、 减速装置、 测试工作台面。 在净重测试系统中测试总容量为 1 6 k g ， 对测试产品施加的 载荷由四块砝码组成， 其砝码串从下到上重量依次为 2 k g 、 2 k g 、 4 k g 、 8 k g ， 每级砝码的间距为 1 0 mm， 需测试的产品安装在测试 台上， 系统根据不同的产品容量及测试规程 ， 对测试产品逐点慢 速或快速施加不同的载荷到产品上 ， 每次施加载荷结束后， 上位 机 自动采集产品的读数 。 定稿 日期 2 0 1 4 0 22 8 8 2 E l e c t r ic a I Au t o ma t io n 一 电气元器件安装板 2 一 产品测试台面 3 - 2 k g 砝码 4 - 2 k g 砝码 5 4 砝码 6 - 8 k g 砝码 7 一 电机及减速机构 1一电气元器件安装板 2一产品测试台面 3 2 k g 砝码 4 2 k g 砝码 5 4 k g 砝码 6 8 k g 砝码 7一电机及减速机构 图 1 测试力机结构示意图 2 控制系统设计 测试力机设置两种运行状态 手动状态和自动工作状态， 并 设置手动和 自动的转换开关， 用于手动和自动状态的切换。手动 状态用于检修， 设置上行卸载荷和下行加载荷按钮的低速点动控 制， 自动状态为正常的测试流程工作状态。 在 测 试 过 程 中， P L C需要 和 上 位机通 讯来 获取 逐 点施加不同载荷的 信息 ， 计算 出步进 电机所需的脉冲频 率和脉冲个数。由 于本系统中无模拟 量 的 输 入 输 出， 为 了上位机和 P L C的 通讯更直 观可靠， 动控制系统与装置 苎 竺 竺 Au t o ma t ic Ce n t r e I S y s t e ms＆ E a u io me n 图2 控制系统结构图 且便于维修 ， 上位机和 P L C之间的通讯采用工业 I ／ 0控制卡的数 字量的输人和输出作为中间量来进行信息交换 ， 上位机根据测试 产品的容量及测试流程， 加载或卸载不同的载荷和 L ／ O控制卡的 输出口相对应 ， 而 I ／ O控制卡的输出点则为 P L C的输入点， 达到 数据交换的目的， P L C根据输入点的变化确定施加在在测试产品 上的不同载荷。因此， 此测试力机的控制系统结构如图2所示。 2 ． 1 I ／ O控制卡 系统 I ／ 0控制 卡设 置在计算机 的 P C I 槽 内， 通过计 算机语 言编 制 其控制程序， 主要功能是用于 P L C和计算机之间的信息交换， 通 过在计算机上安装控制卡的驱动程序 ， 在控制卡的运行环境中 实 时监 控它的输入点 的变化 ， 也可在调试 阶段直接 置位它 的输 出 点。根据测试要求， 控制卡共要求有 1 个输入， 5个输出数字信 号 ， 选用 P C I 一1 7 5 0的工业 I ／ 0控制卡。P C I 一1 7 5 0提供了 l 6个 隔离数字量的输入通道和 1 6个隔离数字量输出通道， 每个 I ／ 0 对应 P C I ／ O端 12的一位， 这使得对 P C I 一1 7 5 0编程非常容易 。 启 表 1 P L C和 P C I 一1 7 5 0控制卡的 I ， ／ o地 址分配表 表 2 载 荷对应的 P L C输入地址 状态表 2 ． 2 P L C的控制系统 P L C控制系统主要由信号控制系统和步进电机控制系统两 部分组成。P L C为控制系统的核心 ， 来自P C I 控制卡、 操作盒 、 原 点位置等外部信号通过输入接 口送入 P L C ， P L C进行逻辑运 算与处理 ， 在经过输 出单元分 别向步进电机控制器发出相应 的脉冲频率和个数以及步进电 机的方向信号控制步进电机上 行 、 下行 、 快速 、 慢 速 、 停 止 、 复 位等 信 号，经 过 计 算， 现 场 P L C需要 1 0个输 人数字信 号 ， 1 个脉冲输出和 2个数字输出 信 号，因 此 选 用 s 7 2 0 0 C P U 2 2 4 X P D C 的 可 编程 控 制 器 的基本 单元 1 4入 ， 1 0出 ， 其中输出点有两个点用于脉冲 的输出， 完全可以满足控制要 求。P L C的 I ／ 0地址分配以及 和 P C I 控 制卡输入输 出之 间的 对应关 系如 表 1所示 ， 对测 试 产品施加 的载荷 对应 的 P L C 输入地址状态如表 2所示 。 由于是逐点对测试产品施 加载荷 ， 按 照从 下 到上 的砝 码 串顺序， 表中的载荷 2 k g对应 第一块 2 k g的砝码， 载荷 4 k g 对应两块 2 k g的砝码 ， 载荷 8 对应两块 2 k g和一块 8 k g 图 3 P C I 一1 7 5 0控制 卡控制流程 的砝码 ， 载荷 1 6 k g 对应全部的砝码。 2 ． 3安全保护 在测试机构的上行和下行分别安装限位形成开关， 用于保护 机构在制定的区问内运行， 开关的常闭触点直接接入到 P L C的 脉冲输出端， 当开关动作时， 直接快速切断脉冲的输出端， 步进电 机停 止。 2 ． 4控制 程序 测试力机的工作流 程为 开 始测 试 时， P C I 控 制 卡通 过 D O 0 输出给 P L C开始测试信号 1 0 ． 1 ， P L C接收此信号后， 开始运行， 先 通过 1 0 ． 0信号判断此时力机的位置是否在原位 ， 如果不在原位 ， 自动复位， 到达原位后经输出点 Q o ． 4给控制卡到位信号， 计算机 接收到相对应的信号 D 1 0后， 根据产品容量和测试流程， 经 D O 1 、 D O 2 、 D O 3的不同组合给出不同的载荷， 相应地 P L C经过输入点 1 0 ． 2 、 1 0 ． 3 、 1 0 ． 4的变化来计算确定 电机的方向以及脉冲的个数 和频率。每当电机运行到位后 ， P L C的经输出点 Q o ． 4给控制卡 到位信号， P C I 控制卡对应的 D 1 0为高电平时， 则计算机进行产 品数据采集。若整个测试流程的数据采集结束后，P C I 控制 卡 的输出 D O 4置位，P L C接受对应 的输入信号 1 0 ． 5时， 执行到回 原位动作 ， 当P L C检测到原位信号 I O ． 0后停止电机， 整个测试过 程结束 。其计算机的 P C I 一1 7 5 0控制卡控制流程如图 3所示 ， P L C的控制流程如图4所示。 。 。 E le c t r i e a l Au t o ma t io n 8 3 电气 自动化 2 0 1 4年第3 6 卷 第5 期 自动控制系统与装置一 A u t o ma t ic C o n t r o { S v s t e ms＆E qu i p me n t s 如图4 ， P L C的测试流程中， S MD 7 2为 P L C的特殊寄存器， 装 载 P L C发送的脉冲数， 脉冲数据决定电机运行的距离； S MB 6 8为 P L C的特殊寄存器， 装载脉冲周期， 脉冲周期决定电机运行的快 慢， 周期越小， 速度越快 。由于每级砝码的距离为 1 0 mm， 丝 杆的导程为 7 m m， 升降机的减速比为 1 8 ， 因此电机每转一圈升 降平台的距离为 7 ／ 8 m m； 电机每转一圈设置脉冲1 0 0 0 0个， 因此 每加载一级砝码需要脉冲数约为 1 0 0 0 0 0个。 3 结束语 运用 P L C和工业 VO控制卡进行小容量的净重测试力机控 制， 能满足各种容量范围内的测试流程 ， 能提高测试效率 ， 可靠性 高， 维护更方便。 参考文献 [ 1 ]顾绳谷 ，电机及拖 动基础 [ M] 第 四版． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 2 ]坂本正文， 王 自 强． 步进电机应用技术[ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ]蔡行健 ， 黄文钰等． 深入浅出西 门子 s 7 2 0 0 P L C[ M] ． 3版．北京 航 空航 天大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 4]中华人 民共 和国 国家计 量检定 规程 [ S ] ． 北 京 国家计 量 出版社 出 版 ， 2 0 0 3 ． [ 5]研华工业 自动化解决方案[ K] ． 北京 研华 中国 公 司出版 ， 2 0 0 7 ． [ 6]李 天真． P L C与控制技术 西 门子版 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 7]向晓汉， 陆彬． 西 门子 P L C 高级应用实例 精解 [ M] ． 北 京 机械工 、 嗽出版社 ， 2 0 1 0 ． 【 作者简介】周琼 1 9 7 3 一 ， 江苏常州人， 专业 电气自动化 ， 主要从事 生产设备 电气控制。 图 4 P L C控 制流程 o◆ oo ● oo● oo● oo◆ o o◆ oo● oo◆ 0o ● oo◆ o0◆ oo ◆0 0● oo● oo ●o o● oo◆ oo◆ oo ●o o● oo● o0 ●o o● oo● o0● o0 ●0 0● oo● 0o ●o o● o0◆ o0◆ oo ◆o o● 0o◆ oo ●oo ◆ o0● oo◆ 0o ◆o o● oo● 0o◆ o o◆ oo◆ oo● 0o ●o o● oo● oo ●0 上接第 6 1页 4 结束语 通过仿真分析， 多电平逆变器并网功率因数双重校正技术应 用在大功率逆变器并网控制中有以下几种优点 1 逆变器并 网后 的入 网电流 与 电网 电压基 本 同频 同相 ， 实现了逆变器单位功率因数并网； 2 入网电流的总谐波畸变率 T H D 低， 从而提高了逆变 器并网的电能质量 ； 3 所采用的信号采集电路实时性较强， 易于数字化处理 ， 且逆变器控制所采用的 S V P WM控制算法简单、 易于数字实现。 参考文献 [1 J C HI N N A I Y AN V K， J E R OM E J ，K A R P A G AM J ．An e x p e ri me n t a l i n v e s t i g a t i o n o n a mu l t i l e v e l i n v e rt e r f o r s o l a r e n e r g y a p p l i c a t i o n s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rnal o f E l e c t ri c al P o w e r＆ E n e r g y S 0 1 4 20 6 1 5 ， 2 0 1 3 ， 1 4 7 1 5 71 6 7 ． [2]E RN O P A d L Z T ．G r i d c o n n e c t e d i n v e r t e r s i n fl u e n c e o n p o w e r q u ali t y o f s m a r t g d d [ C] ． ／ ／P r o c e e d i n g s o f E P E P E MC 2 0 1 01 4 t h I n t e r n a t i o n al Po we r E l e c t r o n i c s a n d Mo t i o n C o n t ml Co n f e r e n c e ． Oh r i d， Ma c e d o n i a， S e p t e mb e r 6，2 01 0 一S e pt e mb e r 8，2 01 0T6 3 5 一“1 “ 6 3 9． [ 3 ]赵平， 严玉廷． 并网光伏发电系统对电网影响的研究[ J ] ． 电气技术， 2 0 0 9 ， 1 0 3 4 1 4 4 ． 8 4 E le c t r i c a I Au t o ma l[i o n [ 4] 罗安伍 ， 黄瑞先． 分布式发 电并 网不 利影响及 接 口谐波 污染解决方 案 [ J ] ． 广西电业 ， 2 0 1 1 ， 1 6 3 8 4 8 5 ． [ 5]吴华波． 基于双闭环重复控制 的并 网逆变器的研究[ J ] ． 电力 电子技 术 ， 2 0 1 0， 4 4 1 1 79 ． I 6 1 S ENAD HUS EI NBEGOVI C G M．A s l i d i n g mo d e b a s e d d i r e c t p o we r c o n t r o l o f Th r e e P h a s e Gri d． Co n n e c t e d mu l t i l e v e l i n v e r t e r『C] ． I EEE I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e o n P o w e r a n d E n e r gy 1 8 4 20 1 3 3 ， B r a s o v ， Ro ma n i a ， 2 01 2 7 9 07 9 7． [ 7]杨勇 ， 阮毅． 三相并 网逆变器 直接功 率控制 [ J ] ． 电力 自动化设备 ， 2 0 1 1 ， 3 1 9 5 45 9 ． 1 8 l G I AM P A O L O B U T I C C HI ， E MI U0 L O R E N Z A N I ． A F i v e ． L e v e l S i n g l e P h a s e G r i d C o n n e c t e d e o n v e e r f o r r e n e wa h l e d i s t ri b u t e d s y s t e m s 【 J 1 ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i al E l e c t r o n i c s S 0 2 7 80 0 4 6 ．2 0 1 3， 3 6 0 9 0 6 9 1 8 ． [ 9]A l o n s o O， Ma r r o y o L ． A n a l y s i s o f n e u t r a l P o i n t v o l t a g e b al a n c i n g p r o b l e m i n t h r e e ． 1 e v e l n e u t r a 1 ． p o i n t ．． c l a mp e d i n v e rte r wi t h S VP W M mo d u l a t i o n i C 1 ．P roc e e d i n g s o f t h e 2 0 0 2 2 8 t h A n n u a l C o n f e r e n e e o f t h e I E E E l nd u s t r i a l E l e c t ron i c s S o c i e t y， S e v i l l a． S p a i n， No v e mb e r 5． 2 0 0 2 一 N o v e mb e r 8 ． 2 0 0 2 2 9 2 09 2 5 ． [ 1 0 ]薛旭恒．N P C三电平逆变器 S V P WM 控制策 略的研究 [ D] ． 北京 北 京交通大学 ， 2 0 0 9 ． 【 作者简介】王玉华 1 9 6 4 一 ， 女， 吉林长春人 ， 博士， 教授。研究方向为 电气控制 技 术 、 电 力 系统 自动 化、电 力 传 动 及 变换 技 术 。 姜 安 营 1 9 8 7一 ， 男， 河南商丘人 ， 硕士研 究生在读 ， 研究方向为电力变换及控 制 技术。