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来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/05/23 11:12:56
阅读次数：2481 专家姓名： 基于PLC 的计量泵行程控制
杨明建
(安徽大学,安徽合肥 230039)
摘 要: 提出了一种使用PLC(可编程序控制器) 作为核心单元的计量泵行程控制系统,并且PLC 与系统中其它单元的互连仅通过开关量I/ O 点实现。分析了开关量信号接入模式下行程位移量调节过程中采样测量时间上的滞后引入的控制误差与采样周期的关系,并给出了采样周期的选择原则。
关键词: 行程;PLC;开关量;脉宽调制;采样周期
中图分类号: TH32 文献标识码: A
PLC2based Metering Pump Stroke Control
YANGMing2jian
Abstract : The scheme of the metering pump stroke control making use of PLC is presented. The connections of the PLC to the units of
the control system are implemented with the basic I/ O unit (or I/ O points) . The relation of the control error , induced with the sample
measurment , to the sample period has been analyzed and the choice of the sample period is also given.
Keywords : stroke ;PLC;ON/ OFF —I/ O;pulse2width modulation (PWM) ;sample period
1 引言
计量泵行程调节已从传统的手工调节(千分尺刻度和调量表指示) 发展到数字设定自动调节行程,并配有与行程量对应的标准直流输出信号接口。作为现代工业现场设备的计量泵,也需从现有的标准直流信号接口转向能提供接入自动化网络的协议信号接口, 即要求计量泵行程控制器能提供“现场总线”接口。由于当前流行的现场总线协议不是单一的,通过协议专用接口芯片实现各类协议信号接口,给现场设备,尤其是流体机械设备生产厂商带来很大的技术及开发成本上的压力。本文提出了一种基于PLC 开关量I/ O 接入运行方式下,处理模拟量行程参数的行程控制方法。设备生产厂商只需提供一种通用的与PLC 开关量输入单元接口的低成本硬件,便可与不同类型的PLC 相连。从而,可以通过不同厂商的PLC 及通讯与链接选件接入不同协议的现场总线, 实现网络环境下的监控。
2 系统组成与基本原理
211 系统组成
计量泵行程控制系统的组成如图1 所示。采用PLC 作为行程控制器,行程位移测量采用脉宽调制方法。由此输入PLC 的行程位移反馈信号不再是模拟信号,而是开关量形式的脉宽调制(PWM) 信号和计数脉冲。PLC 是一体化组件结构的小型机,它也可以通过占用其它控制应用中的PLC 开关量I/ O 单元来工作。
由图1 可知,接入PLC 开关量输入单元的输入信号向量Vins为:
Vins = ( Vst , Vsm , Vpw , Vcp , VT , Vlim) (1)
式中 Vst ———行程调节启动信号
Vsm ———行程设定/ 测量选择信号
Vpw ———脉宽调制信号
Vcp ———计数脉冲信号
VT ———采样周期信号
Vlim ———限位信号
PLC 的输出控制信号Vout = ( Vinc , Vdec ) 。其中, Vinc是行程位移量Sd 增加控制信号; Vdec是行程位移量S d 减小控制信号。通过PLC 的通信(或外设) 接口或可选的网络链接单元,可实现不同类型的网络连接。
212 工作原理
系统结构如图1 所示,信号波形如图2 所示。PLC 通过执行用户应用程序, 根据行程位移S d 的设定值SV ( SV 可通过开关量输入点或上位机或触摸屏输入) 和行程位移Sd 当前测量值PV的比较结果,由PLC 开关量输出点Y1 或Y2 输出增加或减小行程Sd 的控制信号Vout ,通过执行器调节行程位移S d 向给定值SV 变化[1 ] 。同步联轴器取出行程位移S d ,通过位移信号变送电路将位移S d 转换成与其成正比的电压信号Vd 。Vd 作为PWM电路单元的调制输入信号, 锯齿波VT 作为PWM电路的采样控制信号,使该电路输出其脉宽为Td 的脉宽调制信号Vpw 。
VT = t
Ts
Vm 0 < t < Ts (2)
式中 Vm ———锯齿波VT 的峰值
Ts ———锯齿波VT 的周期
Td = Δt (3)
式中 Δt ———信号Vd 与信号VT 交点处的t 值
根据图2 (b) 和式(2) 、(3) ,在交点处有
Vd = (Δt/ Ts) Vm (4)
从而
Δt = ( Ts/ Vm) Vd∝Vd (5)
由式(3) 和式(5) , 脉宽调制信号Vpw 的脉宽Td∝Vd ,从而有Td∝ S d 。PWM 信号Vpw和计数脉冲Vcp分别接入PLC 的被设定为实现高速计数功能的计数输入点和计数器复位输入点[2 ] 。在高速计数器的递增计数模式和Vpw + 软件复位方式的设定下, 通过高速计数器功能对Vpw脉宽计数,其脉宽Td 的计数值CV 即为行程位移S d 的测量值PV 。
在高速计数器控制指令和其它相关指令控制下,当测量值PV 达到设定值SV 时, PLC 发出停止作信号,中止执行器的动作,从而完成一次行程调节过程。为减小采样周期Ts 或计数脉冲频率变化对PV 的影响,可取脉宽Td 与周期Ts 或满行程位移Sdmax对应的脉宽Tdmax的比值作为测量值PV 。
即PV = CV/ TV (6)
PV = CV/ CVmax (7)
式中 CV ———脉宽Td 的计数值
TV ———同一计数脉冲频率下的采样周期
Ts 的计数值
CVmax ———满行程位移Sdmax 对应的脉宽
Tdmax的计数值
3 采样周期
根据系统工作原理和波形图(图2) , 将表征行程位移量Sd 的位移变送器输出信号Vd 不直接输入控制器,而是将其转换成离散化的以脉宽Td表示位移量S d 的PWM 信号Vpw 。正是基于这种变换,实现模拟量数据以“开关量”信号形式接入PLC。同时,由图2 (c) 可知:在行程调节过程中,这种时间轴上的离散化周期性采样测量方法使PLC 获取的位移数据值(脉宽) 是离散的。如果行程设定值SV 对应的行程量不在这些离散的采样点上,即Vd 与VT 的交点(如图2 (b) 中的S 点) ,在计量泵的行程调节过程(动态过程) 便会引入控制器控制作用的滞后———动态控制误差δd 。由图2(b) 、(c) 可知, 调节过程中, 这种由采样时间上的滞后引入的控制器动态误差δd 与采样周期Ts 直接相关。Ts 值愈小, 控制误差δd 愈小。但在计数脉冲频率为一定值时, Ts 值愈小, 满量程计数值CV 也愈小,被测位移量S d 的测量分辨率及精度随之降低。因此,采样周期Ts 通过下式取值。
CVmax/ f p ≤ Ts ≤δd Tts (7)
式中 f p ———计数脉冲频率, 其上限由PLC 高速计数器功能限定
Tts ———计量泵满行程调节时间,即从Sd =0 到Sd = Sdmax所需的调节时间
δd ———控制器动态控制误差
式中 Sd ———实测行程位移量
Sds ———行程位移设定量
Sdmax ———满行程位移量
在Ts 确定后,为尽可能减小由离散采样而导致的最大控制误差δdmax ,在控制器控制规则中引
入一个“位移偏差窗口”Δd 。取位移测量值PV 与设定值SV 之差( PV - SV) 和偏差窗口Δd 进行比较,只要| PV - SV| ≤Δd (9)
就可视为位移S d 到达设定值,控制器停止输出调节控制信号Vout 。Δd 的取值范围:
4 行程控制器的通信与网络联接
行程控制器(以下简称控制器) 的通信与网络联接取决于系统所使用的PLC 提供的通信与网络联接功能。以下给出几种典型的通信方式和网络联接。
411 HOST Link
HOST Link 是控制器与上位计算机的一种通信连接,也是所有PLC 都能通过自带的RS232 接口或外设口加装通信适配器提供的一种通信功能。其连接方式有两种:
(1) 1∶1 连接;
(2) 1∶N 连接,如图3 所示。控制器的1∶NHOST Link 连接, 适合于生产过程中物料的多
组分配比计量输送控制。
412 现场总线[3 ]
这是一种基于总线结构实现测控设备之间双向串行多节点数字通信的系统, 即底层自动化网络。通过现场总线,可将控制器或其它测控设备互连为通信网络。从而,不仅可实现现场测控设
备间的信息共享, 而且可将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室或上层信息管理网络,
实现信息从底层到高层的“无缝”链接。根据控制器使用的PLC 和通信要求,选配不同协议的网络链接单元,接入相应的现场总线。
(图2) 。试验虽简单,但可以考证机构的合理性和设计关系式的正确性。由于曲拐和波纹管几何参数未进行协调设计计算, 波纹管属于集中力和弯矩共同作用的密封隔离结构。
波纹管自由状态参数:波数10 ;波矩4mm;波纹片厚度0. 05mm;外径105mm;内径65mm。试验测试结果见表1、2。机构运行情况和试验结果表明,机构运转平稳,波纹管变形符合理论分析,个别误差较大的原因有以下几点:
(1) 测量力对波距产生影响,准确的波距值测量较困难;
(2) 应变片粘贴位置对应力实测值有很大影响;
(3) 制造安装误差对膜片的应力标定产生的影响。
4 结论
(1) 应力标定试验结果与理论分析是一致的,应力变化符合文中给出的关系式;
(2) 仅有弯矩作用于波纹管的等强度结构设计,曲拐轴和波纹管几何参数协调关系计算与部件制造精度有关系, 否则波纹管受力就是集中力和弯矩共同作用的受力模型;
(3) 为减小波纹管的工作应力, 波纹管两侧采取无压差是必要的, 不但降低了波纹管的工作应力,而且可以对密封介质起安全保护作用,有利装置的安全运行。
[参考文献]
[1 ] 机械工程手册编辑委员会. 机械工程手册第5 卷第
11 篇[M] . 北京:机械工业出版社,19961
[2 ] MarioDi Giovanni. Flatand corrugated diaphragm design
handbook[J ] .MARCFL DEKKER ,INC1
[3 ] 海因茨K. 米勒. 流体密封技术———原理与应用
[M] . 北京:机械工业出版社,20021
[4 ] 翁善臣. 仪表弹性元件设计基础[M] . 北京:国防工
业出版社,19821
作者简介:郭会(1944 - ) ,男,教授,研究方向:流体密封与润
滑的理论及其相关部件结构的合理性, 通讯地址:113001 辽宁抚
杨明建
(安徽大学,安徽合肥 230039)
摘 要: 提出了一种使用PLC(可编程序控制器) 作为核心单元的计量泵行程控制系统,并且PLC 与系统中其它单元的互连仅通过开关量I/ O 点实现。分析了开关量信号接入模式下行程位移量调节过程中采样测量时间上的滞后引入的控制误差与采样周期的关系,并给出了采样周期的选择原则。
关键词: 行程;PLC;开关量;脉宽调制;采样周期
中图分类号: TH32 文献标识码: A
PLC2based Metering Pump Stroke Control
YANGMing2jian
Abstract : The scheme of the metering pump stroke control making use of PLC is presented. The connections of the PLC to the units of
the control system are implemented with the basic I/ O unit (or I/ O points) . The relation of the control error , induced with the sample
measurment , to the sample period has been analyzed and the choice of the sample period is also given.
Keywords : stroke ;PLC;ON/ OFF —I/ O;pulse2width modulation (PWM) ;sample period
1 引言
计量泵行程调节已从传统的手工调节(千分尺刻度和调量表指示) 发展到数字设定自动调节行程,并配有与行程量对应的标准直流输出信号接口。作为现代工业现场设备的计量泵,也需从现有的标准直流信号接口转向能提供接入自动化网络的协议信号接口, 即要求计量泵行程控制器能提供“现场总线”接口。由于当前流行的现场总线协议不是单一的,通过协议专用接口芯片实现各类协议信号接口,给现场设备,尤其是流体机械设备生产厂商带来很大的技术及开发成本上的压力。本文提出了一种基于PLC 开关量I/ O 接入运行方式下,处理模拟量行程参数的行程控制方法。设备生产厂商只需提供一种通用的与PLC 开关量输入单元接口的低成本硬件,便可与不同类型的PLC 相连。从而,可以通过不同厂商的PLC 及通讯与链接选件接入不同协议的现场总线, 实现网络环境下的监控。
2 系统组成与基本原理
211 系统组成
计量泵行程控制系统的组成如图1 所示。采用PLC 作为行程控制器,行程位移测量采用脉宽调制方法。由此输入PLC 的行程位移反馈信号不再是模拟信号,而是开关量形式的脉宽调制(PWM) 信号和计数脉冲。PLC 是一体化组件结构的小型机,它也可以通过占用其它控制应用中的PLC 开关量I/ O 单元来工作。
由图1 可知,接入PLC 开关量输入单元的输入信号向量Vins为:
Vins = ( Vst , Vsm , Vpw , Vcp , VT , Vlim) (1)
式中 Vst ———行程调节启动信号
Vsm ———行程设定/ 测量选择信号
Vpw ———脉宽调制信号
Vcp ———计数脉冲信号
VT ———采样周期信号
Vlim ———限位信号
PLC 的输出控制信号Vout = ( Vinc , Vdec ) 。其中, Vinc是行程位移量Sd 增加控制信号; Vdec是行程位移量S d 减小控制信号。通过PLC 的通信(或外设) 接口或可选的网络链接单元,可实现不同类型的网络连接。
212 工作原理
系统结构如图1 所示,信号波形如图2 所示。PLC 通过执行用户应用程序, 根据行程位移S d 的设定值SV ( SV 可通过开关量输入点或上位机或触摸屏输入) 和行程位移Sd 当前测量值PV的比较结果,由PLC 开关量输出点Y1 或Y2 输出增加或减小行程Sd 的控制信号Vout ,通过执行器调节行程位移S d 向给定值SV 变化[1 ] 。同步联轴器取出行程位移S d ,通过位移信号变送电路将位移S d 转换成与其成正比的电压信号Vd 。Vd 作为PWM电路单元的调制输入信号, 锯齿波VT 作为PWM电路的采样控制信号,使该电路输出其脉宽为Td 的脉宽调制信号Vpw 。
VT = t
Ts
Vm 0 < t < Ts (2)
式中 Vm ———锯齿波VT 的峰值
Ts ———锯齿波VT 的周期
Td = Δt (3)
式中 Δt ———信号Vd 与信号VT 交点处的t 值
根据图2 (b) 和式(2) 、(3) ,在交点处有
Vd = (Δt/ Ts) Vm (4)
从而
Δt = ( Ts/ Vm) Vd∝Vd (5)
由式(3) 和式(5) , 脉宽调制信号Vpw 的脉宽Td∝Vd ,从而有Td∝ S d 。PWM 信号Vpw和计数脉冲Vcp分别接入PLC 的被设定为实现高速计数功能的计数输入点和计数器复位输入点[2 ] 。在高速计数器的递增计数模式和Vpw + 软件复位方式的设定下, 通过高速计数器功能对Vpw脉宽计数,其脉宽Td 的计数值CV 即为行程位移S d 的测量值PV 。
在高速计数器控制指令和其它相关指令控制下,当测量值PV 达到设定值SV 时, PLC 发出停止作信号,中止执行器的动作,从而完成一次行程调节过程。为减小采样周期Ts 或计数脉冲频率变化对PV 的影响,可取脉宽Td 与周期Ts 或满行程位移Sdmax对应的脉宽Tdmax的比值作为测量值PV 。
即PV = CV/ TV (6)
PV = CV/ CVmax (7)
式中 CV ———脉宽Td 的计数值
TV ———同一计数脉冲频率下的采样周期
Ts 的计数值
CVmax ———满行程位移Sdmax 对应的脉宽
Tdmax的计数值
3 采样周期
根据系统工作原理和波形图(图2) , 将表征行程位移量Sd 的位移变送器输出信号Vd 不直接输入控制器,而是将其转换成离散化的以脉宽Td表示位移量S d 的PWM 信号Vpw 。正是基于这种变换,实现模拟量数据以“开关量”信号形式接入PLC。同时,由图2 (c) 可知:在行程调节过程中,这种时间轴上的离散化周期性采样测量方法使PLC 获取的位移数据值(脉宽) 是离散的。如果行程设定值SV 对应的行程量不在这些离散的采样点上,即Vd 与VT 的交点(如图2 (b) 中的S 点) ,在计量泵的行程调节过程(动态过程) 便会引入控制器控制作用的滞后———动态控制误差δd 。由图2(b) 、(c) 可知, 调节过程中, 这种由采样时间上的滞后引入的控制器动态误差δd 与采样周期Ts 直接相关。Ts 值愈小, 控制误差δd 愈小。但在计数脉冲频率为一定值时, Ts 值愈小, 满量程计数值CV 也愈小,被测位移量S d 的测量分辨率及精度随之降低。因此,采样周期Ts 通过下式取值。
CVmax/ f p ≤ Ts ≤δd Tts (7)
式中 f p ———计数脉冲频率, 其上限由PLC 高速计数器功能限定
Tts ———计量泵满行程调节时间,即从Sd =0 到Sd = Sdmax所需的调节时间
δd ———控制器动态控制误差
式中 Sd ———实测行程位移量
Sds ———行程位移设定量
Sdmax ———满行程位移量
在Ts 确定后,为尽可能减小由离散采样而导致的最大控制误差δdmax ,在控制器控制规则中引
入一个“位移偏差窗口”Δd 。取位移测量值PV 与设定值SV 之差( PV - SV) 和偏差窗口Δd 进行比较,只要| PV - SV| ≤Δd (9)
就可视为位移S d 到达设定值,控制器停止输出调节控制信号Vout 。Δd 的取值范围:
4 行程控制器的通信与网络联接
行程控制器(以下简称控制器) 的通信与网络联接取决于系统所使用的PLC 提供的通信与网络联接功能。以下给出几种典型的通信方式和网络联接。
411 HOST Link
HOST Link 是控制器与上位计算机的一种通信连接,也是所有PLC 都能通过自带的RS232 接口或外设口加装通信适配器提供的一种通信功能。其连接方式有两种:
(1) 1∶1 连接;
(2) 1∶N 连接,如图3 所示。控制器的1∶NHOST Link 连接, 适合于生产过程中物料的多
组分配比计量输送控制。
412 现场总线[3 ]
这是一种基于总线结构实现测控设备之间双向串行多节点数字通信的系统, 即底层自动化网络。通过现场总线,可将控制器或其它测控设备互连为通信网络。从而,不仅可实现现场测控设
备间的信息共享, 而且可将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室或上层信息管理网络,
实现信息从底层到高层的“无缝”链接。根据控制器使用的PLC 和通信要求,选配不同协议的网络链接单元,接入相应的现场总线。
(图2) 。试验虽简单,但可以考证机构的合理性和设计关系式的正确性。由于曲拐和波纹管几何参数未进行协调设计计算, 波纹管属于集中力和弯矩共同作用的密封隔离结构。
波纹管自由状态参数:波数10 ;波矩4mm;波纹片厚度0. 05mm;外径105mm;内径65mm。试验测试结果见表1、2。机构运行情况和试验结果表明,机构运转平稳,波纹管变形符合理论分析,个别误差较大的原因有以下几点:
(1) 测量力对波距产生影响,准确的波距值测量较困难;
(2) 应变片粘贴位置对应力实测值有很大影响;
(3) 制造安装误差对膜片的应力标定产生的影响。
4 结论
(1) 应力标定试验结果与理论分析是一致的,应力变化符合文中给出的关系式;
(2) 仅有弯矩作用于波纹管的等强度结构设计,曲拐轴和波纹管几何参数协调关系计算与部件制造精度有关系, 否则波纹管受力就是集中力和弯矩共同作用的受力模型;
(3) 为减小波纹管的工作应力, 波纹管两侧采取无压差是必要的, 不但降低了波纹管的工作应力,而且可以对密封介质起安全保护作用,有利装置的安全运行。
[参考文献]
[1 ] 机械工程手册编辑委员会. 机械工程手册第5 卷第
11 篇[M] . 北京:机械工业出版社,19961
[2 ] MarioDi Giovanni. Flatand corrugated diaphragm design
handbook[J ] .MARCFL DEKKER ,INC1
[3 ] 海因茨K. 米勒. 流体密封技术———原理与应用
[M] . 北京:机械工业出版社,20021
[4 ] 翁善臣. 仪表弹性元件设计基础[M] . 北京:国防工
业出版社,19821
作者简介:郭会(1944 - ) ,男,教授,研究方向:流体密封与润
滑的理论及其相关部件结构的合理性, 通讯地址:113001 辽宁抚