西门子模块6ES7223-1PM22-0XA8程序安装1 引言 汽包水位系统是一个具有较大的扰动和非线性特征的滞后系统。目前，对汽包水位的控制大多采用常规PID控制方式，但由于常规PID控制参数是固定不变的，几乎找不到能适应上述各种扰动的控制参数，从而其控制效果往往难以满足要求，造成系统不稳定甚至失控。这里介绍我们开发的一套PLC和单片机联合控制的系统。2 系统硬件配置 这套中小型工业锅炉控制器主要由单片机和PLC两大部分组成，控制系统的结构图1所示。1 引言 目前，随着我国经济的发展，铁路运输的紧张状况将愈来愈突出，为解决铁路运输紧张的局面，铁道部提出提速问题。但随着车速的提高，车轮轴承温升问题愈发重要。这就需要加强对轴承温升的监控。当有火车经过时，其自身不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，利用安装于钢轨两侧的热像仪吸收车轮发出的这种红外辐射能量，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况,对温升超标的车轴实时报警，避免由于车轴热切而造成列车脱轨或颠覆等事故的发生。本文采用PLC控制步进电机驱动热像仪来检测车轮轴温。2 系统设计现代的运动控制方法主要有直流伺服驱动、交流伺服驱动、步进伺服驱动。其中交流伺服驱动的性能好，但价格较高。随着步进伺服驱动控制技术迅速发展，步进伺服驱动细分精度日益提高，且逐步克服了振荡，失步的不足，其性价比大幅度提高。步进电机可直接用数字信号控制，无需反馈可开环工作，无累积定位误差，控制精度高，因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。可编程序控制器PLC是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，使用面向过程、面向用户的简单编程语言，用户可通过软件设计，实现各种复杂的逻辑控制。PLC具有较好的实时刷新功能，可以产生一定频率的脉冲信号，而且PLC具有大功率的晶体管输出接口，能够满足步进电机绕组的电压和电流要求。因此，本系统采用可编程控制器(PLC)为控制核心，步进电动机为执行元件、传感器为检测元件的新型系统，实现对温升的检测，系统的结构如图1所示。图1 系统结构图当有火车驶来时，传感器将检测到的速度脉冲信号送入PLC接口X0，PLC根据这个脉冲信号计算出相应的火车速度，并输出一个相应的速度脉冲信号给步进电机驱动器，驱动器控制步进电机，使其驱动热像仪做半圆周运动，当热象仪速度与火车速度相同或相近时，对火车车轮进行跟踪拍照，从而确定车轮轴温。红外探测器沿铁轨进行布置;热像仪安放在离车轨距离约1m的架子上。用于步进电机的角位移与输入脉冲的个数成正比;转速与脉冲频率成正比;转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。因此利用PLC可产生一定周期的控制脉冲，使移位寄存器移位，产生相应时序，通过环形分配器使输出继电器按时序接通驱动步进电机并由计数器控制脉冲个数，使步进电机按一定速度，转动一定的角度。根据功能要求，综合考虑步进电机的性能，选择两相混合步进电动机2S42，步距角，相电流1.2A，保持力矩0.32Nm，用于驱动热象仪;步进电机驱动器选用2M412，电源电压DC为18V~36V，它根据PLC的控制指令对电机实现脉冲和方向控制。PLC对电机的控制有两种方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y2输出脉冲、Y1、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Yl输出CCW脉冲)，我们采用种方法。3 控制系统的实现在本系统中，如何使PLC根据脉冲宽度计算出火车的相应速度是十分关键的。我们选用台达PLC DVP16EH00T，共8点输入(X0~X7)，8点输出(YO~Y7)，控制步进电机的工作状态和转速;除具有一般逻辑控制与运算功能、PLSY脉冲直接输出等外，更重要的是它的SPD脉冲速度侦测功能，可以方便的用来测量车速。SPD的控制格式:当控制信号为ON时，D1计算由X0所输入的高速脉波，40ms之后自动停止计算，结果被存于D0中，40ms计时完毕时，D1内容被清除为0，当控制信号再度为ON时，D1重新接受计数。SPD指令主要目的在求出回转速度的比例值，而测得之D0的结果与回转速度成比例，由下列公式求得电机转速[2]。式中: N:转速; n:旋转设备转一圈所产生的脉波数;图2 系统控制接线图表1 系统中各I/O功能表4 系统软件设计步进电机工作都要经过加速→高速→减速→低速→停止的过程，它的脉冲频率特性如图3示。其中0a段为加速阶段，由0加速到f1;ab段为高速(匀速)运行阶段;bc段为减速运行阶段，由f1减速到f2;cd段为低速运行阶段，直至到d点停止。图3 脉冲频率特性PLSR指令为附加减速功能的脉冲输出指令，通过设定脉冲输出的大频率值，全部脉冲输出的总脉冲数和加减速的时间，来控制步进电机的速率及转向。该指令的加减速的变速段数固定为10段，输出时以每次增加S1/10的频率开始输出脉冲，每个频率输出脉冲的时间都是固定S3/9。图4是根据电气控制原理，结合PLC的程序设计方法和生产工艺要求，设计的控制软件程序流程图。图4 运行时序图5 结束语本文针对火车车轮轴温检测，设计的基于可编程控制器和步进电机的控制系统，实现了对火车车轮轴承的自动拍照，具有控制简单、运行稳定可靠、开发周期短等优点，是一种切实可行的步进电机控制方案图1 工业锅炉模糊控制器系统图对汽包水位的测量，采用了量程为[-100mm，+100mm]，分辨率为5mm的干簧圆筒式水位计。磁浮筒对干簧管产生磁场作用，对应生成相应的水位信号，水位信号送入单片机输出5位二进制水位到PLC，同时也送于单片机。单片机根据预先设定好的工艺条件，将水位的数值，阀值的数值和相关的报警信号输出显示到面板上。 就地汽包两侧水位计的水位高报警，低报警不送入单片机，直接送至PLC。操作面板上的6个面板上的6个按钮开关状态也连接到PLC的输入端子上。PLC根据所有的输入信号，执行相应的控制算法，计算结果通过输出端去控制对应的设备。 输入信号由单片机采集处理后送到PLC，只有重要的水位高/低保护信号不通过单片机直接送到PLC。从安全性来考虑，首先，有两套汽包水位测量装置，水位信号测量准确，可靠。并设置有水位偏差偏差报警功能，当两侧水位测量偏差超过一定值时，送控制器面板显示。其次PLC抗干扰能力强，不易出故障。采用单片机后，PLC输入/输出量大大减少了，输入量减少到18点，输出量减少到10个点，且单片机价格便宜，使得整套系统成本较低。 3 基于模糊理论的PLC软件设计3.1 模糊控制器设计步骤 为得到在输入是e和△e条件下控制量u的大小，首先根据实际论域并确定量化等级[-6～+6]，得到量化因子分别为Ke=0.06，K△e=0.5，Ku=15.3。 选择描述某一模糊变量各个模糊子集时，要使他们在论域上分布合理，即他们应该较好的覆盖整个论域。在定义这些模糊子集时要主意使论域中的任何一点对这些模糊子集的隶属度的大值不能太小，否则会在这样的点的附近出现不灵敏区，以至于失控，使模糊控制系统控制性能变坏。采用的模糊条件语句为:if{e=Ai and △e=Bi then u=Ci i=1，2...}其中Ai，Bi，Ci分别为各自论域上的语言变量值。这样可以得到如附表的控制状态表。[NextPage] 后利用加权平均法得到其终输出量化结果，jingque化后得到其控制量3.2 部分PLC程序 程序主要包括安全保护，手动控制和自动控制三部分，如图2所示。图2 部分自动控制程序图3 部分自动控制程序[NextPage] 其中手动部分操作者能根据水位，压力变化控制A，B泵的开关时间，以及送引风机的状态。自动部分主要是根据从单片机上采集的水位数据，确定量化数，从而对A，B泵以及风机的控制，基本程序如图3所示。首先得到从单片机送来的安全水位信号，根据编码得到水位落在哪个量化区间内，然后根据IR201存储的历史信息对A，B泵开关和开关时间时间X以及送引风机进行自动控制。4 结束语 这套系统相应速度快，控制精度高，结构合理，功能齐全，软硬件配置可靠性高，具有较高实用价值和推广前景，能够适应工业锅炉的控制要求。节约了资金和人员投入，又提高了工业锅炉的自动控制水平，消除了事故隐患， 此外，系统还极大的减少了控制系统的维护工作量及设备备品，备件的更换量和更换周期，经济效益可观。 近年来，人们更关注的是步进电机的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。本文就是介绍采用PLC控制的步进电机的变频特性，使其运用在纺织机的送经装置中。 用可编程控制器（PLC）产生各种步进脉冲驱动步进电机去达到各种控制、测试目的己屡见不鲜了。步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，成了工控的主要执行元件之一，尤其是在jingque定位场合中得到了广泛的应用。但近年来，人们更关注的却是它的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。 PLC对步进电机的控制 PLC是广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制，图1是松下FP0-C16T晶体管输出型PLC的输出电路结构。图1 PLC输出电路图 FP0-C16T型PLC有两个脉冲输出端Y0和Y1端，随着控制方式的不同，有三种脉冲输出形式。 (1) 这两个脉冲输出端可以用来作为两个不带加减速的单相脉冲输出端，主要使用PLS和SPD1指令进行控制，颠率范围为0Hz_10KHz，可以连续输出，也可以脉冲中形式输出，可以同时单独输出。 (2) 可以作为两相可变占空比的连续脉冲输出端，主要使用PWM指令控制，占空比设置范围为0%_。频率设置范围0.1Hz_999.9Hz。 (3) 可以作为带梯形加减速的两相脉冲输出，主要使用PULS和SPD1指令控制，频率变化范围0Hz_10KHz，加减速率10Hz／10ms_10KHz／10ms，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，这里又分为两种控制方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y1输出脉冲，Y2、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Y1输出CCW脉冲)。如果使用Y0、Y2分别进行脉冲、方向控制，控制系统如图2所示。如果使用Y0作为脉冲输出，可以通过如图3所示的方法实现两相脉冲输出。图2 脉冲、方向输出图图3 双脉冲输出图 PLC控制步进电机在送经装置上的应用 采用PLC控制的步进电机的变频特性运用在纺织机的送经装置中很好地解决了经纱内部张力不均匀的问题，使产品的质量产生了质的飞跃。[NextPage] (1) 经纱张力信号检测 本装置是通过检测后梁的摆动是否超出范围来检测经纱张力的波动是否满足要求，不满足要求时就控制送经装置予以调整。如图4，当经纱2的张力发生波动时，活动后梁4带动张力感应杆5绕点O摆动。当检测片6进入接近开关7的有效作用区时，接近开关7就发出一高电平信号。以PLC为核心的控制器根据这一信号和主轴位置信号，启动步进电机13，驱动织轴送出经纱。接近开关7’是极限张力检测开关。当经纱张力过大或过小时，检测片6将遮挡接近开关7’，7’输出的高电平信号到控制器后，控制器就会关掉织机，以便进行人工处理。主轴位置的检测是为了控制送经运动的允许时间，以避开打纬，保证纬纱能被打紧。主轴位置的检测同样采用的是接近开关非接触式检测。图4 送经装置结构图 (2) 织轴驱动系统 织轴驱动系统由步进电机驱动器、步进电机、蜗轮减速器和织轴四部份组成。它的作用原理是：控制系统送来的信号经驱动放大处理后，驱动步进电机转动，然后经过减速器减速，再传动织轴，放出经纱。 对于织机送经机构，其负载特点是：当步进电机正转送出经纱时，经纱张力不是负载阻力，而是驱动力。因此步进电机只需输出较小力矩，克服蜗杆蜗轮自锁性，织轴即可回转经。此时步进电机转速可能较高(由纬密定)；当步进电机反转张紧经纱时，经纱张力是负载阻力，步进电机需输出较大的驱动转矩，而此时步进电机转速要求较低，步进电机的输出矩频特性(如图5虚线所示)正好与其相适应。因此、步进电机非常适合于这类伺服机构低转速大转矩、高转速小转矩和高精度的要求，是织机送经机构理想的驱动元件。图5 织机送经装置负载转矩图 送经装置采用的是2相56系列步进电机DM5676A。它的技术指标如下：步距角：1.8_；相电流：2.0A；保持转矩：1.35Nm；静转矩：0.07Nm；转动惯量：4.6*10-5Kgm2。反应式步进电机具有结构简单，经久耐用，力矩－惯性比高、步进频率高、响应快、步距角小等优点，是目前国内外应用多的一种步进电机。 由于步进电机调速方便、调速范围宽，所以步进电机送经装置不用变换齿轮也能满足纬密2_120根/cm。电子送经装置则不能做到这一点，在此纬密范围内至少需要三档变换齿轮。步进电机送经装置的技术指标如下： 结 语 实验效果表明，本文研制的步进电机送经装置性能良好，工作可靠。配上多种功能的人机界面后可以实现织轴收放经纱的可视化操作，改变纬密的键盘输入，防止开车横挡，出现异常情况时自动关车报警等功能。