PLC在油封旋转性能试验机控制系统中的应用.pdf

． 电气 与 自动化 杭 小宇 ， 等 P L C在油封旋转性 能试验机控制 系统 中的应 用 P L C在 油封旋转性 能试验机控 制系统 中的应 用 杭小宇， 周建华， 宰广旭， 周海涛 扬州大学机械工程学院 ， 江苏 扬州 2 2 5 0 0 9 摘要 油封 结构 简单 应用范围广 ， 凡有 旋转轴 的部位基 本都 离不开 油封 ， 这 就对 油封提 出了 具备较 高性能的要求 ， 因此对油封旋转性能的试验机 应运 而生。本文所研 究的是 利用 P L C实 现 对 油 封 旋 转 性 能试 验 机 温度 和 转 速 的控 制 ， 利 用 P L C提供 的 P I D控 制 功 能 模 块 ， 实现 模 拟量 闭环 控 制 。 关键词 P L C ； P I D算法； 油封旋转温度控制； 转速控制 中图分类号 T P 2 7 2 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 3 0 6 - 0 1 9 9 - 0 3 Us e o f PLC i n Co nt r o l Sy s t e m f o r Oi l S e a l Ro t a t i o n Pe r f o r ma n c e Te s t i ng M a c hi n e HANG Xi a o ． y u． Z HOU J i a n ． h u a ． Z A I G u a n g - X U， Z HOU Ha i t a o Co l le g e o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g ， Y a n g z h o u Un i v e r s it y ， Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 9 ， C h i n a Abs t r ac t Th e o i l s e a l r o t a t io n p er f or man c e t e s t e r i s p r o v ide d wit h h igh er p er f or man c e r e qu i r e men t s． Th is p a p er s t u d i e s PL C wh ich is u s e d t o r e ali z e t h e t e mp er a t u r e a n d s p ee d eo n t r o l o f t h e o i l s e a l r o t a t ion p er f or man c e t e s t e r t o p r o vid e PI D c o n t r o l f u n c t i o n mo d ule f o r r e a l i z in g an alo g qu a n t it y c l o s e d l o o p c on t r o1 ． Ke y wo r dsPL C；PI D a l g or i t h m ；o i l s e al r o t a t ion t e mp e r a t u r e c o n t r o l ；sp e e d c on t r ol 0 前言 旋转轴唇形密封圈俗称油封， 它是一种高技术含量的 精密橡胶零件， 它通过柔性橡胶密封唇与轴的接触来防止 轴承润滑油的泄漏。油封旋转性能试验机是适用于各种 回转式油封进行密封性能的试验和研究工作。 在工业生产过程控制中， 常需要用闭环控制方式来实 现温度 、 压力 、 流量等模 拟量 控制 。P L C作为 一种新 型 的 工业控制装置 ， 在科研 、 生产 、 社 会生活的诸多领域得到 了 越来越广泛的应用。利用 P L C实现对模拟量 P I D的闭环 控制， 具有用户使用方便、 可靠性高、 抗干扰性强等优点。 P I D控制器是应用最广的闭环控制器 ， 在工业控制领 域占有重要的地位。P I D控制器的结构典型， 程序设计简 单， 计算工作量小， 各参数有明确的物理意义， 参数调整方 便， 容易实现多回路控制、 串级控制等复杂的控制。 1 油 封旋转性 能试验机 油封结构简单、 拆装方便 、 密封可靠 ， 应用范围很广 ， 凡有旋转轴的部位基本都离不开油封。特别是近二三十 年来 ，由于机械制造、 车辆、 航空、 航天等工业的飞速发 展。 对油封提出了耐高低温、 耐高压、 耐特殊介质， 适应高 速 、 震动 和延 长使 用寿命 等一系列苛刻 的要 求 ， 从 而促进 了对油封材料 、 结 构 、 性能试验 、 质量 控制手段和密封机理 等广泛深入的研究。试验机的性能对工业和材料科学的 发展有重要影响。油封性能试验机的性能主要取决于试 验机本体和其所使用的控制系统。本文正是应用 P L C实 现对油封旋 转性 能试 验机的转速和温度 控制 。 油封旋转性能试验机控制系统性可以达到以下效果 1 试 验 转 速 范 围 1 0 0～8 0 0 0 r ／ m i n ， 相 对 误 差 0 ． 5 ％； 2 试验温度控制范围 0℃ 2 0 0℃， 控制误差 1 ℃。 2系统控制原理 试验设备控制方案 主要包括 四部分 输 出设备 、 西 门子 7 - 2 0 0控制模块、 E M 2 3 1 模拟量控制模块和数据测量模块。 输出设备包括显示器、 键盘／ 鼠标和 U盘， 主要用于 实验参数显示、 保存等。 控制系统采用 s 7 2 0 0 P L C作为控制核心的控制系 统 ， 该系统的运算速度快、 可移植性高、 可扩展性强和硬件 资源丰富等优点。与油封试验机的性能要求不谋而合。 E M2 3 1 模拟量控制模块主要采用多功能数据采集卡 和工业数字 I ／ O卡。完成速度和温度信号的采集、 电机转 速控制信号的输出和加热器工作时间的控制。 数据测量模块主要采用转速传感器和温度传感器 ， 对 电机的转速和液压油的温度进行测量。 整个系统的控制参数主要有 电机转速和液压油的 温度 。 3电机转速控 制 3 ． 1 H S C 高速计数器 脉冲信号采集 首先由速度传感器测量电机的转速， 速度传感器与多 作者简介 杭小宇 1 9 8 9 一 ， 男 ， 江苏海安人 ， 硕 士， 研究方 向为机械 电子工程。 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au t o m a ti o n ， H 2 0 1 3 ， 4 2 6 1 9 9 2 0 1 1 9 9 电气与自动化 杭小宇， 等 P L C在油封旋转性能试验机控制系统中的应用 功能数据采集卡的模拟量输入通道相连， 并通过 内部的 A ／ D转换器将采集到的模拟量信号转化为数字信号， 将 数字信号送入计算机， 经过高速计数机功能 H S C ， 通过 控制多功能数据采集卡模拟量输出通道的输出量来控制 电机 的转速 。 S I MA T I C s 7 2 0 0系列 P L C设计 了高速计数 功能 Hs c ， 其计数器 自动进行不受扫描周期的影响， 最高计 数频率取决于 C P U的类型， S I MA T I C 7 - 2 0 0 C P U 2 2 x系 列 P L C最高计数频率为 3 0 k Hz ， C P U 2 2 4 X P C N最高计数 频率为 2 3 0 k H z ， 用于捕捉比 C P U扫描速度更快的事件 ， 并且产生中断， 执行中断程序 ， 完成预定的操作。高速计 数器最多可设置 l 2种不同的操作模式。用高速计数器可 以实现高速运动的精确控制。 试验机使用的是 S 7 2 0 0 C P U 2 2 4 P L C， 有 6个 高速计 数器 ， 其中占用的输入端子见表 1 。 表 1 高速计数器使用端子参数 高速计数器 使用输入端子 HS CO HS C1 HS C2 HS C3 HS C4 HS C5 1 0． 0 1 0 ． 1 I O． 2 1 0 ． 6， 1 0． 7， I 1 ．0， I 1 ． 1 I 1 ． 2， I 1 ． 3， I 1 ．4， I 1 ．5 1 0 ． 1 1 0． 3， 1 0 ． 4， 1 0 ． 5 1 0 ． 4 在试验机速度 P L C程序设计中， 设计步骤如下 1 选择高速计数器 HS C 1 ， 并确定工作模式为 1 。用 S MO ． 1 对高速器进行 初始 化。 2 令 S MB 4 7 1 6 F 8 ， 其功能为 计数方向为增， 允许 更新 技术 方向 ， 允许写入新初始值 ， 允许写入新与设置值 ， 允许 执行 H S C指令 。 3 执行 H D E F指令， 输入端 H S C为 1 ， MO D E为 0 。 4 写入初始值 ， 令 S M D 4 8 0 ， S MD 5 2 0 。 5 执行 H S C指令， 对高速计数器编程。程序所示 3 ． 2 试验机速度的数据运算与调节 通过特殊标识指令 S M 0 ． 0激活定时器 T 3 3 ， 当H S C脉 冲计数之后将 H C 1 计数脉冲数 双字节 传送至指定地址 V D 1 0 0 0 ， 通过双整数转为实数至 V D 1 0 4 4 ， 然后在通过实 数相乘指令乘以比例系数 1 0 ． 0 1 6 6 9存放至 V D1 0 4 8 ， 然后 取整至 V D 1 0 5 2 ， 然后算整数转换为整数至 V W4 6 ， 在对脉 冲计数 H C 1 进行字节处理之前加入比较指令 整数大于 等于 对 T 3 3进行比较， 当定时器 T 3 3过 5 ． 9 9 s 时， 程序执 行， HC 1 输入计数脉冲， 使得计时器 6 S 刷新一次， 为下面 的速度的线性控制做准备。其 S T L语句表如下 L D S M0。0 T ON T3 3，7 0 0 L DW T 3 3，5 9 9 E U MOVD HC1 ，VD1 0 0 0 DT R VD1 0 0 0，VD1 0 4 4 MOVR VD1 0 4 4，VDI lM 8 {R 1 0 ． 01 6 6 9．VD1 0 4 8 ROUND VD1 0 4 8，VD1 0 5 2 DT I VD1 0 5 2，VW 4 6 综上所示 ， 通过 S 7 2 0 0计数器 的 H S C指令得 到试 验 机电机实际脉冲值， 在此基础上通过数据转换指令将其转 换为实际整数值并存入 V W4 6 。 V W4 6地址里的实际整数值与人为设定的参数 转 速 进行比较 ， 其必然有误差， 通过其程序内设定的数据 算法进行比较与线性调节， 对速度进行控制， 由于篇幅有 限， 在此就不详细介绍。 4 液压油温度控制 液压油 的温度控制主要是通过对加热器是否加热 、 加 热时间长短的控制来控制油液温度。首先通过温度传感 器测量液压油温度， 同样温度传感器与多功能数据采集卡 的另一模拟量输入通道相连， 并通过内部的A ／ D转换器 将采集到的模拟量信号转化为数字信号， 数字信号送入计 算机 ， 经过温度 P I D控 制模块 ， 通 过工业数字 I ／ O卡输 出 控制信号， 控制加热器工作 ， 如果采集到的温度信号低于 规定温度， 制电热丝进行加热来控制油温； 如果采集到的 温度信号高于或等于规定温度 ， 则加热器停止工作。 利用P I D控制的实现。在模拟量的控制中， 经常用到 P I D运算来执行 P I D回路的功能， P I D回路指令使这一任 务 的编程和实现变得 非常容易 。 7 - 2 0 0的 P I D回路没有内置模式控制。只有但与模 拟量模块接通时， 才能执行 P I D运算， 从这种意义上说， P I D运算存在一种“ 自动” 运行方式。当 P I D运算不被执 行时， 我们称之为“ 手动” 模式。同计数器指令相似， P I D 指令有一个使能位。当该使能位检测到一个信号的正跳 变 从 0到 1 时， P I D指令执行一系列的动作， 使 P I D指 令从手动方式无扰无动地切换到自动方式。为了达到无 扰动切换 ， 在转变 到 自动控制前 ， 必须 把手动方 式下 的输 出值填人回路表中的 Mn栏。P I D指令对回路表中的值 进行下列动作， 以保证 当使能位正跳变出现时， 从手动方 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u m a 1 ． n e t ． e n 机械制造与自动化 ． 电气与自动化 杭小宇， 等 P L C在油封旋转性能试验机控制系统中的应用 式无扰动切换到 自动方式 置设定值 S P n 过程变量 P V n ， 设过程变量前置 P V n -1 过程变量 P V n ， 置 积分项前值 MX 输出值 Mn 。 P I D使能位 的默认值是 1 ， 在 C P U启动 或从 S T O P方 式到 R U N方式时建立。C P U进入 R U N方式后首次使 P I D块有效， 没有检测使能位的正跳变， 那么就没有无扰 动切换的动作。 4 ． 1 回路输入量 的转换和标准化 液压油温度控制回路的给定值和过程变量都是实际 数值 ， 其大小、 范围和工程单位可能不 同。在 P L C进行 P I D控制之前， 必须将其转换成标准化浮点表示法。步骤 如下 1 将回路输入值从 1 6位整数转换成 3 2位浮点数或 实数 。下 列指令说 明如何设 置整数值转换为实数 。 I T D AI W 0， AC 0 ／ ／ 将输入字转换成为双字 DTR ACO， AC0 ／ ／ 将 3 2位整数转换成实数 2 将实数转换成 0 ． 0 -1 ． 0之间的标准化数值。用 下式 实际数值的标准化数值实际数值的非标准化数值 或原始实数／ 取值范围 偏移量 其中取值范围 最大可能数值一 最小可能数值 3 2 0 0 0 单极数值 或 6 4 0 0 0 双极数值 ； 偏移量 对单极数 值取 O ． 0 ， 对双极数值 间距为 6 40 0 0 标准化， 如下所示 ／ R 6 4 0 0 0 ． 0 ， A C 0 ／ ／ 使累加器 中的 数值标准化 R 0 ． 5 ， A C 0 ／ ／ JJ 偏移量0 ． 5 M O V R A C 0 ， V D 1 0 0 ／ ／ 将标准化数值写入 P I D回路参数表中 4 ． 2 P I D回路输出转换成为比例的整数 数数值， 必须被转换成 l 6 位成比例整数值， 才能驱动模拟 输出。 P I D回路输出成比例实数数值 P I D回路输出标准 化实数值一 偏移量 取值范围， 程序如下 t MOVR VD1 0 8， AC 0 ／ ／ 将 P I D回路输送入 A C O R 0． 5， AC0 ／ ／ 双极数值减偏移量 0 ． 5 R 64 0 0 0．0． AC 0 ／ ／ A C 0的值乘以取值范围 ， 变为比例实数数值 ROUND AC 0， AC 0 ／ ／ 将实数 四舍五人取整 ， 变为 3 2位整数 DTI AC0， AC0 ／ ／ 3 2位整数换成 1 6位 整数 M OV W A C 0， A Q W0 ／ ／ 1 6位整数写入 A Q W0 5 结语 通过试验， 油封旋转性能试验机控制系统性能可以达 到 1 试 验转 速范 围 1 0 08 0 0 0 r ／ m i n ， 相对误 差 O ． 5 ％； 2 试验温度控制范 围 0℃ 一2 0 0℃， 控制误差 1 o C。采用 P L C提供的 P I D控制功能对油封旋转转速 进行控制 ， 可以提高控制精度， 同时也研究出了一个适用 于油封旋转试验的油温控制方法。 参考文献 [ 1 ]岂兴明． P L C与变频器快速 入 门与实 践[ M] ． 北 京 北京 人 民 邮电出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]陈忠华． 可编程程序控 制器与工业 现场总线 [ M] ． 北 京 机械 工程出版社 ， 2 0 0 7 ． 程序执行后， P I D回路输出 0 ． 0 1 ． 0之间的标准化实 收稿日期 2 0 1 2 1 1 2 6 “ 低碳” 的历程 面对全球气候变化 ， 急需世界各国协同减低或控制二氧化碳排放 ， 1 9 9 7年 l 2月 ， 联合 国气候变化框架公约 第三 次缔约方大会在 日本京都召开。1 4 9个国家和地区的代表通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的 京都议定书 。 京都议定书 规定， 到 2 0 1 0年， 所有发达 国家二氧化碳等 6种温室气体的排放量， 要比 1 9 9 0年减少 5 ． 2 ％。2 0 0 1 年 ， 美国总统布什刚开始第一任期就宣布美国退出 京都议定书， 理由是议定书对美国经济发展带来过重 负担。2 0 0 7年 3月， 欧盟各成员国领导人一致同意， 单方面承诺到 2 0 2 0年将欧盟温室气体排放量在 1 9 9 0年基础上至少 减少 2 0 ％。2 0 1 2年之后如何进一步降低温室气体的排放， 即所谓“ 后京都” 问题是在内罗毕举行的 京都议定书 第 2 次缔约方会议上的主要议题。2 0 0 7年 1 2月 1 5日， 联合国气候变化大会产生了“ 巴厘岛路线图”， “ 路线图” 为 2 0 0 9年前 应对气候变化谈判的关键议题确立了明确议程。 Ma c h i n e B u il d in g Au to m a t i o n ， J u n 2 0 1 3 ， 4 2 6 1 9 9 2 0 1 2 0 1