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       基于PLC 的計量泵行程控制

                      楊明建

(安徽大學(xué),安徽合肥　230039)

摘　要: 　提出了一種使用PLC(可編程序控制器) 作為核心單元的計量泵行程控制系統,并且PLC 與系統中其它單元的互連僅通過(guò)開(kāi)關(guān)量I/ O 點(diǎn)實(shí)現。分析了開(kāi)關(guān)量信號接入模式下行程位移量調節過(guò)程中采樣測量時(shí)間上的滯后引入的控制誤差與采樣周期的關(guān)系,并給出了采樣周期的選擇原則。

關(guān)鍵詞: 　行程;PLC;開(kāi)關(guān)量;脈寬調制;采樣周期

中圖分類(lèi)號: 　TH32 　　　　文獻標識碼: 　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

   計量泵行程調節已從傳統的手工調節(千分尺刻度和調量表指示) 發(fā)展到數字設定自動(dòng)調節行程,并配有與行程量對應的標準直流輸出信號接口。作為現代工業(yè)現場(chǎng)設備的計量泵,也需從現有的標準直流信號接口轉向能提供接入自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議信號接口, 即要求計量泵行程控制器能提供“現場(chǎng)總線(xiàn)”接口。由于當前流行的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議不是單一的,通過(guò)協(xié)議專(zhuān)用接口芯片實(shí)現各類(lèi)協(xié)議信號接口,給現場(chǎng)設備,尤其是流體機械設備生產(chǎn)廠(chǎng)商帶來(lái)很大的技術(shù)及開(kāi)發(fā)成本上的壓力。本文提出了一種基于PLC 開(kāi)關(guān)量I/ O 接入運行方式下,處理模擬量行程參數的行程控制方法。設備生產(chǎn)廠(chǎng)商只需提供一種通用的與PLC 開(kāi)關(guān)量輸入單元接口的低成本硬件,便可與不同類(lèi)型的PLC 相連。從而,可以通過(guò)不同廠(chǎng)商的PLC 及通訊與鏈接選件接入不同協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn), 實(shí)現網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的監控。

2 　系統組成與基本原理

211 　系統組成

    計量泵行程控制系統的組成如圖1 所示。采用PLC 作為行程控制器,行程位移測量采用脈寬調制方法。由此輸入PLC 的行程位移反饋信號不再是模擬信號,而是開(kāi)關(guān)量形式的脈寬調制(PWM) 信號和計數脈沖。PLC 是一體化組件結構的小型機,它也可以通過(guò)占用其它控制應用中的PLC 開(kāi)關(guān)量I/ O 單元來(lái)工作。

由圖1 可知,接入PLC 開(kāi)關(guān)量輸入單元的輸入信號向量Vins為:

Vins = ( Vst , Vsm , Vpw , Vcp , VT , Vlim) (1)

式中　Vst ———行程調節啟動(dòng)信號

　Vsm ———行程設定/ 測量選擇信號

　Vpw ———脈寬調制信號

　Vcp ———計數脈沖信號

　VT ———采樣周期信號

　Vlim ———限位信號

PLC 的輸出控制信號Vout = ( Vinc , Vdec ) 。其中, Vinc是行程位移量Sd 增加控制信號; Vdec是行程位移量S d 減小控制信號。通過(guò)PLC 的通信(或外設) 接口或可選的網(wǎng)絡(luò )鏈接單元,可實(shí)現不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )連接。

212 　工作原理

   系統結構如圖1 所示,信號波形如圖2 所示。PLC 通過(guò)執行用戶(hù)應用程序, 根據行程位移S d 的設定值SV ( SV 可通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)或上位機或觸摸屏輸入) 和行程位移Sd 當前測量值PV的比較結果,由PLC 開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)Y1 或Y2 輸出增加或減小行程Sd 的控制信號Vout ,通過(guò)執行器調節行程位移S d 向給定值SV 變化[1 ] 。同步聯(lián)軸器取出行程位移S d ,通過(guò)位移信號變送電路將位移S d 轉換成與其成正比的電壓信號Vd 。Vd 作為PWM電路單元的調制輸入信號, 鋸齒波VT 作為PWM電路的采樣控制信號,使該電路輸出其脈寬為Td 的脈寬調制信號Vpw 。

VT = t

Ts

Vm 　　0 < t < Ts (2)

式中　Vm ———鋸齒波VT 的峰值

　Ts ———鋸齒波VT 的周期

Td = Δt (3)

式中　Δt ———信號Vd 與信號VT 交點(diǎn)處的t 值

根據圖2 (b) 和式(2) 、(3) ,在交點(diǎn)處有

Vd = (Δt/ Ts) Vm (4)

從而

Δt = ( Ts/ Vm) Vd∝Vd (5)

由式(3) 和式(5) , 脈寬調制信號Vpw 的脈寬Td∝Vd ,從而有Td∝ S d 。PWM 信號Vpw和計數脈沖Vcp分別接入PLC 的被設定為實(shí)現高速計數功能的計數輸入點(diǎn)和計數器復位輸入點(diǎn)[2 ] 。在高速計數器的遞增計數模式和Vpw + 軟件復位方式的設定下, 通過(guò)高速計數器功能對Vpw脈寬計數,其脈寬Td 的計數值CV 即為行程位移S d 的測量值PV 。

 

在高速計數器控制指令和其它相關(guān)指令控制下,當測量值PV 達到設定值SV 時(shí), PLC 發(fā)出停止作信號,中止執行器的動(dòng)作,從而完成一次行程調節過(guò)程。為減小采樣周期Ts 或計數脈沖頻率變化對PV 的影響,可取脈寬Td 與周期Ts 或滿(mǎn)行程位移Sdmax對應的脈寬Tdmax的比值作為測量值PV 。

即PV = CV/ TV     (6)

PV = CV/ CVmax (7)

式中　CV ———脈寬Td 的計數值

　TV ———同一計數脈沖頻率下的采樣周期

Ts 的計數值

　CVmax ———滿(mǎn)行程位移Sdmax 對應的脈寬

Tdmax的計數值

3 　采樣周期

    根據系統工作原理和波形圖(圖2) , 將表征行程位移量Sd 的位移變送器輸出信號Vd 不直接輸入控制器,而是將其轉換成離散化的以脈寬Td表示位移量S d 的PWM 信號Vpw 。正是基于這種變換,實(shí)現模擬量數據以“開(kāi)關(guān)量”信號形式接入PLC。同時(shí),由圖2 (c) 可知:在行程調節過(guò)程中,這種時(shí)間軸上的離散化周期性采樣測量方法使PLC 獲取的位移數據值(脈寬) 是離散的。如果行程設定值SV 對應的行程量不在這些離散的采樣點(diǎn)上,即Vd 與VT 的交點(diǎn)(如圖2 (b) 中的S 點(diǎn)) ,在計量泵的行程調節過(guò)程(動(dòng)態(tài)過(guò)程) 便會(huì )引入控制器控制作用的滯后———動(dòng)態(tài)控制誤差δd 。由圖2(b) 、(c) 可知, 調節過(guò)程中, 這種由采樣時(shí)間上的滯后引入的控制器動(dòng)態(tài)誤差δd 與采樣周期Ts 直接相關(guān)。Ts 值愈小, 控制誤差δd 愈小。但在計數脈沖頻率為一定值時(shí), Ts 值愈小, 滿(mǎn)量程計數值CV 也愈小,被測位移量S d 的測量分辨率及精度隨之降低。因此,采樣周期Ts 通過(guò)下式取值。

CVmax/ f p ≤ Ts ≤δd Tts (7)

式中　f p ———計數脈沖頻率, 其上限由PLC 高速計數器功能限定

　    Tts ———計量泵滿(mǎn)行程調節時(shí)間,即從Sd =0 到Sd = Sdmax所需的調節時(shí)間

　    δd ———控制器動(dòng)態(tài)控制誤差

　    Sds ———行程位移設定量

　    Sdmax ———滿(mǎn)行程位移量

在Ts 確定后,為盡可能減小由離散采樣而導致的最大控制誤差δdmax ,在控制器控制規則中引

入一個(gè)“位移偏差窗口”Δd 。取位移測量值PV 與設定值SV 之差( PV - SV) 和偏差窗口Δd 進(jìn)行比較,只要| PV - SV| ≤Δd      (9)

就可視為位移S d 到達設定值,控制器停止輸出調節控制信號Vout 。Δd 的取值范圍:

4 　行程控制器的通信與網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接

   行程控制器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)控制器) 的通信與網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接取決于系統所使用的PLC 提供的通信與網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接功能。以下給出幾種典型的通信方式和網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接。

411 　HOST Link

    HOST Link 是控制器與上位計算機的一種通信連接,也是所有PLC 都能通過(guò)自帶的RS232 接口或外設口加裝通信適配器提供的一種通信功能。其連接方式有兩種:

(1) 1∶1 連接;

(2) 1∶N 連接,如圖3 所示?？刂破鞯?/span>1∶NHOST Link 連接, 適合于生產(chǎn)過(guò)程中物料的多

組分配比計量輸送控制。

412 　現場(chǎng)總線(xiàn)[3 ]

    這是一種基于總線(xiàn)結構實(shí)現測控設備之間雙向串行多節點(diǎn)數字通信的系統, 即底層自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn),可將控制器或其它測控設備互連為通信網(wǎng)絡(luò )。從而,不僅可實(shí)現現場(chǎng)測控設

備間的信息共享, 而且可將現場(chǎng)運行的各種信息傳送到遠離現場(chǎng)的控制室或上層信息管理網(wǎng)絡(luò ),

實(shí)現信息從底層到高層的“無(wú)縫”鏈接。根據控制器使用的PLC 和通信要求,選配不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )鏈接單元,接入相應的現場(chǎng)總線(xiàn)。

(圖2) 。試驗雖簡(jiǎn)單,但可以考證機構的合理性和設計關(guān)系式的正確性。由于曲拐和波紋管幾何參數未進(jìn)行協(xié)調設計計算, 波紋管屬于集中力和彎矩共同作用的密封隔離結構。