【正文】 表 介紹了部分常用模擬量輸入模塊的屬性。 數(shù)字量輸出模塊的地址分配如下： 加熱器運(yùn)行、 泵 1 線(xiàn)圈、 泵 2 線(xiàn)圈、 冷卻電機(jī) 1 低速、 冷卻電機(jī) 1 高速、 冷卻電機(jī) 2 低速、 冷卻電機(jī) 2 高速、 主機(jī)運(yùn)行、 主機(jī)啟動(dòng)中、 主軸上升、 主軸下降、 報(bào)警、 壓力傳感器失效、 油箱溫度傳感器失效、 流量傳感器失效、 液位指示燈、 電源指示燈、 主機(jī)運(yùn)行指示燈、 回油口溫度傳感器失效、 流量低指示、 出油口溫度傳感器失效、 Q 電流傳感器失效、 時(shí)序錯(cuò)誤指示燈、 過(guò)濾器堵塞指示。故數(shù)字量輸出模塊型號(hào)選定為： SM322 DO3224V ，訂貨號(hào)為 6ES7 3221BL000AA0。由于驅(qū)動(dòng) 的是直接接觸器和電磁閥和指示燈，因此近一步確定了選用晶體管輸出。 具體的地址分配如下： 電源開(kāi)關(guān)、 堵塞壓力發(fā)訊器信號(hào)、 泵 1熱繼電器信號(hào)、 泵 2 熱繼電器信號(hào)、 冷卻電機(jī) 1 熱繼電器信號(hào)、 冷卻電機(jī) 2 熱繼電器信號(hào)、 調(diào)整泵電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)、 泵 1 啟動(dòng)、 泵 1停止、 油泵電 機(jī) 2 啟動(dòng)、 油泵電機(jī) 2 停止、 主軸電機(jī)啟動(dòng)、 主軸電機(jī)停止、 電磁閥啟動(dòng)、 星三角時(shí)序錯(cuò)誤、 液壓計(jì)信號(hào)。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需求以及經(jīng)濟(jì)的角度我們選擇數(shù)字量輸入模塊為 SM 321 DI32DC24 V 型號(hào)，其訂貨號(hào)為 6ES73211BL000AA0。 由于西門(mén)子 S7300 系列 PLC 沒(méi)有 20 路輸入接點(diǎn)的模塊，因此這里選擇 32 路數(shù)字量輸入接點(diǎn)的模塊。 PLC 的 I/O 模塊的選型 由上面的分析可知我們需要的 I/O 模塊類(lèi)型有數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊。 開(kāi)關(guān)量的輸入輸出 1）開(kāi)關(guān)量輸入 開(kāi)關(guān)量輸入有： ○ 1 液壓計(jì)信號(hào)、 ○ 2 堵塞壓力發(fā)訊器信號(hào)、 ○ 3 油泵電機(jī) 1 的熱繼電器信號(hào)、 ○ 4 油泵電機(jī) 2 的熱繼電器信號(hào)、 ○ 5 冷卻電機(jī) 1 的熱繼電器信號(hào)、 ○ 6冷卻電機(jī) 2 的熱繼電器信號(hào)、 ○ 7 調(diào)整泵電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)、 ○ 8 電磁閥通斷信號(hào)、 ○ 9 油泵電機(jī) 1 啟動(dòng)信號(hào)、 ○ 10 油泵電機(jī) 2 啟動(dòng)信號(hào)、 ○ 11 主機(jī)啟動(dòng)信號(hào)、 ○ 12 主機(jī)關(guān)閉信號(hào)、○ 13 星三角啟動(dòng)信號(hào)、 ○ 14 油泵電機(jī) 1 停、 ○ 15 油泵電機(jī) 2 停 、 ○ 16 電源開(kāi)關(guān) 。由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)以上模擬量的控制首先得通過(guò)傳感器和變送器將其實(shí)時(shí)值送入 PLC 中進(jìn)行處理，由此可知模擬量輸入即為以上所列總共 6 路。 重慶大學(xué)本科學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 傳感器的選型 19 圖 磁平衡式霍爾電流傳感器電參數(shù) 這里我們根據(jù)實(shí)際情況要求選擇了 CSM010SY 型號(hào)的磁平衡霍爾電流傳感器。根據(jù)來(lái)自公司的指標(biāo)，主電機(jī)電流 經(jīng)過(guò)電流互感器得來(lái)的互感電流不超過(guò) 10A，因此綜合考慮這里選擇了閉環(huán)式的霍爾電流傳感器。 圖 磁平衡式 霍爾 電流傳感器電路原理 由于閉環(huán)式霍爾電流傳感器采用了磁平衡原理其響應(yīng)速 度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較快且精度較高。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到 1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。一旦磁場(chǎng)失去 平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。當(dāng) Ip 變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過(guò)程重新達(dá)到平衡。這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。 2）磁平衡電流（閉環(huán)）傳感器 磁平衡式電流傳感器也稱(chēng)補(bǔ)償式傳感器，即原邊電流 Ip 在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流 Is 精確的反映原邊電流 Ip，從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。以下 以西安新敏電子科技公司的產(chǎn)品進(jìn)行舉例說(shuō)明。外部供電電源為 24V DC。由于葉片具有導(dǎo)磁性，它處于信號(hào)檢測(cè)器的磁場(chǎng)中，旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁場(chǎng)線(xiàn)，周期性地改變著線(xiàn)圈的磁 通量，從而使線(xiàn)圈兩端感應(yīng)出電脈沖信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器的放大整形，形成具有一定幅值的、連續(xù)的矩形脈沖波。 渦輪流量計(jì)具有安裝方便、精度高、反應(yīng)快、刻度線(xiàn)性和量程寬等特點(diǎn)，信號(hào)易遠(yuǎn)傳，且便于數(shù)字顯示，可直接與計(jì)算機(jī)配合進(jìn)行流量計(jì)算和控制。因此 在這里 我們選擇了常用的一種流量傳感器即 渦輪流量計(jì) 。 對(duì) 于浮球液位開(kāi)關(guān)，是在密封的非磁性金屬或塑膠管內(nèi)根據(jù)需要設(shè)置一點(diǎn)或多點(diǎn)干簧開(kāi)關(guān)，再將中空而內(nèi)部有環(huán)形永久磁鐵的浮球固定在桿徑內(nèi)干簧管開(kāi)關(guān)相關(guān)位置上，使浮球在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)，利用浮球內(nèi)的磁鐵去吸引干簧開(kāi)關(guān)的閉合，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而達(dá)到液位控制的目的。外磁力消失后，簧片 在自身的彈力作用下分開(kāi)，進(jìn)而斷開(kāi)電路。平時(shí)，玻璃管中的兩個(gè)有特殊材料制成的簧片是分開(kāi)的。它是一種有觸點(diǎn)的無(wú)源電子開(kāi)關(guān)元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小便于控制等優(yōu)點(diǎn)?；?這種 檢測(cè)要求，我們選擇了干簧管式浮球液位傳感器。 物位傳感器 在該項(xiàng)目中要檢測(cè)油箱的最低液位，即油箱 的液位低于設(shè)定值時(shí)需報(bào)警提示，發(fā)出液壓信號(hào)供 PLC處理 。光量由光電元件接收器接收，并轉(zhuǎn)換成電量，經(jīng)過(guò)放大器放大后，送到 PLC的模擬量輸入模塊，供 PLC 分析處理用。通過(guò)調(diào)查知 光導(dǎo)纖維壓力傳感器與傳統(tǒng)壓力傳感器相比其 絕緣好，耐腐蝕，無(wú)電火花，可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中檢測(cè)壓力、液位流量等信號(hào)；而且靈敏度高，體積小，可撓性好，可以插入狹窄的空間中進(jìn)行測(cè)量 ，根據(jù)其以上特性可以判斷其滿(mǎn)足我們的測(cè)量要求 ，因此選擇光導(dǎo)纖維壓力傳感器作為系統(tǒng)的壓力傳感器。這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)熱電偶輸出熱電勢(shì)很小，極易受到干擾，而且在低溫時(shí)，參比端溫度不易得到完全 重慶大學(xué)本科學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 傳感器的選型 16 補(bǔ)償，相對(duì)誤差就很突出。 熱敏電阻的阻值和溫度成正比的關(guān)系，設(shè)計(jì)人員只需將已知電流流過(guò)該電阻，就可以得到對(duì)應(yīng)的電壓值，從而可以利用歐姆定律得出此時(shí)的電阻值 R，再根據(jù) Pt100 的溫度 — 阻值分度表就可以得出所測(cè)溫度。 RTD 具有較高的精度，其溫度工作范圍為可從 200℃ ~+850℃，它們還有較好的穩(wěn)定性，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理設(shè)備就可以傳輸、顯示和并記錄其溫度輸出。對(duì)于其它 的模擬量則可以通過(guò)這個(gè)線(xiàn)性比例和工程量值進(jìn)行換算。 1 0 V模擬值測(cè)量范圍4 ~ 2 0 m A模擬值測(cè)量范圍0~300ohm模擬值 測(cè)量范圍 模擬值超上限 ≥1 1 . 7 5 9 32767 ≥2 2 . 8 1 5 32767 ≥3 5 2 . 7 7 8 32767 ≥1 0 0 0 . 1 32767 27649 1 1 2021.............. 32512 4864 4864 2430超下限 ≤ 1 1 . 7 6 32768 ≤1 . 1 8 4 5 32768 32768 ≤ 2 4 3 . 1 32768超下界不允許負(fù)值2764820736::0:::8500:::202132511 :2764910000 :8501 : :額定范圍 :2764820736:2073627648::2764820736::0::超上界 :32511 :2764932511 :27649 :范圍電壓 電流 電阻 溫度P t 1 0 0 表 如表 所示， 在額定范圍內(nèi)， 傳感器送到 PLC 中的模擬信號(hào)在 PLC 中經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量值如果是單極性的話(huà)則在 0~27648 范圍內(nèi)，如果是雙極性的話(huà)則在 27648~27648。表中以符號(hào)位對(duì)齊，未用的地位則用“ 0”來(lái)填補(bǔ)，表中用“ *”來(lái)表示未用的位。模擬值均為二進(jìn)制補(bǔ)碼形式的實(shí)數(shù)，符號(hào)始終設(shè)在 Bit15。 圖 Siemens PLC 模擬量處理流程 模擬值的精度 CPU 以二進(jìn)制格式來(lái)處理模擬值。經(jīng)過(guò) MR 濾波器濾波后送入 A/D 轉(zhuǎn)換器，將所得的數(shù)字量結(jié)果送入 PLC 的外設(shè) PI 存儲(chǔ)區(qū)中，供 PLC 運(yùn)算處理。 西門(mén)子 PLC 中模擬量的處理模式 在西門(mén)子 PLC 中，模擬量首先通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號(hào)，由于S7300 PLC 的模擬量輸入模塊只能處理標(biāo)準(zhǔn)的例如 0~40mA 的電流、 0~10V 的重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 PLC 的模擬量控制 13 電壓和電阻值。 利用疊加原理可以很 快求出電流 Ir 的值。電路由 R2R 電阻解碼電路、模擬電子開(kāi)關(guān) D0~D3 和求和運(yùn)算放大器組成。這里以 T 型網(wǎng)絡(luò)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作原理。 圖 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換示意圖 D/A 轉(zhuǎn)換 模擬量經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量在 PLC 中經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后輸出，要驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器則需要進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。在 bit6 確定后， SAR 以對(duì)分搜索法確定 bit5 位，即以低 6 位的一半 yy100000B(y為已確定位 ) 試探模擬量的大小。 SAR 使用 “對(duì)分搜索法 ”產(chǎn)生數(shù)字量，以 8 位數(shù)字量為例， SAR首先產(chǎn)生 8 位數(shù)字量的一半，即 10000000B,試探模擬量 Vi 的大小，若 VoVi，清除最高位，若 VoVi,保留最高位。下面以逐次逼近式轉(zhuǎn)換為例，說(shuō)明 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理與性能指標(biāo)。采樣是將模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化的過(guò)程，量化是將模擬量信號(hào)在幅值上離散化的過(guò)程，編碼是指將每個(gè)量化后的樣值用一定的二進(jìn)制代碼表示。 A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換 包含三部分：采樣、量化、和編碼。而且，模擬量輸出的 模擬量信號(hào)能連續(xù)地、無(wú)波動(dòng)地變化，其精度也可以通過(guò)轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)位數(shù)的多少來(lái)控制。這時(shí)，輸入脈沖序列的頻率表示所輸入模擬量信號(hào)的大小。模擬量輸入轉(zhuǎn)換模塊不僅能完成對(duì)模擬量的轉(zhuǎn)換，還可以做多種數(shù)字量的處理，如濾波、求平均值、標(biāo)定的變換等。 PLC 模擬量輸入 /輸出方式 （ 1） PLC 控制模擬量輸入方式 目前大部分 PLC 是采用模擬量輸入進(jìn)行模擬量輸入。 綜上所述， PLC 模擬量控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性基本上是可以保證的，能夠滿(mǎn)足大部分模擬量控制系統(tǒng)的要求。因此，確定控制算法、設(shè)計(jì)控制程序和選擇合適的控制參數(shù)就顯得非常重要。在響應(yīng)速度要求非常好的系統(tǒng)中， PLC 控制不能夠擔(dān)當(dāng)重任。一個(gè)采樣后的量不能像模擬電路那樣馬上通過(guò)電路作用將輸出送到系統(tǒng)，而是要延遲一定時(shí)間才能將輸出送至系統(tǒng)。只有失真較少才能保證控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。它受到 PLC 工作原理的束縛，僅當(dāng) PLC 對(duì) I/O 點(diǎn)進(jìn)行刷新時(shí)才把采樣值數(shù)字量讀入 PLC，把上次采樣值運(yùn)算處理結(jié)果通過(guò) D/A 模塊作為控制信號(hào)傳送給系統(tǒng)。而模擬電路的誤差卻難以控制?？梢哉f(shuō)， PLC 的量化誤差可以控制是 PLC 模擬量控制的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 （ 1） 經(jīng)過(guò)量化后的數(shù)字量與采樣的模擬量的原值一定存在誤差，而且這個(gè)誤差可以通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行控制。采樣和量化是所有數(shù)字控制設(shè)備處理模擬量所需的過(guò)程。前面也說(shuō)了，在 PLC 模擬量控制系統(tǒng)中是通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器來(lái)完成轉(zhuǎn)換功能的。如圖 所示，其實(shí) PLC 充當(dāng)?shù)墓δ芟喈?dāng)于閉環(huán)控制框圖中的比較器和控制器的組合。同樣 PLC處理的數(shù)字量不能直接送到執(zhí)行器，必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變成模擬量后才能控制執(zhí)行器。但其內(nèi)部的存儲(chǔ)單元是一個(gè)多位開(kāi)關(guān)量的組合，可以表示為一個(gè)多位的二進(jìn)制數(shù)，稱(chēng)為數(shù)字量。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 PLC 的模擬量控制 9 3. PLC 的模擬量控制 PLC 模擬控制系統(tǒng)概述 PLC 模擬量控制系統(tǒng)組成 PLC 是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展 而產(chǎn)生的數(shù)字控制型產(chǎn)品。這里我們安裝的冷卻風(fēng)機(jī)為 2 個(gè)，都具有雙速調(diào)節(jié)功能。 液位控制 油箱中裝有干簧式浮球液位傳感器，當(dāng)液位低于設(shè)定的警戒線(xiàn)時(shí)，就會(huì)發(fā)出訊號(hào)，啟動(dòng)報(bào)警，提示油箱液位過(guò)低，需要向油箱中加油。因此，這里設(shè)定當(dāng)油箱溫度低于 20℃時(shí)，啟動(dòng)加熱器，當(dāng)溫度到達(dá)了 40℃時(shí)則停止加熱。當(dāng)油箱中的溫度低于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，則自動(dòng)啟動(dòng)加熱器進(jìn)行加熱，當(dāng)溫 度高于某個(gè)設(shè)定值時(shí)則停止加熱。 過(guò)濾器控制 濾油器采用雙筒網(wǎng)式磁性過(guò)濾器，一筒工作，另一筒備用，當(dāng)過(guò)濾器壓差達(dá)到 時(shí)，則啟用備用過(guò)濾器，取出堵塞過(guò)濾器進(jìn)行清洗。即系統(tǒng)因?yàn)槟承┰蚴箟毫ο陆档奖仨毾蜻\(yùn)行系統(tǒng)發(fā)送緊急停機(jī)信號(hào)時(shí)的壓力值。即備用泵投入運(yùn)行時(shí)的壓力