PLC在氣動測量控制系統(tǒng)的應(yīng)用

張萬軍，張 峰，張景軒，張景怡，張景妍

（1.泉州信息工程學(xué)院，泉州 362000；2.西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 7410049；3.蘭州工業(yè)化設(shè)備有限公司，蘭州 730050）

PLC在氣動測量控制系統(tǒng)的應(yīng)用

張萬軍1,2,3，張 峰3，張景軒3，張景怡2，張景妍3

（1.泉州信息工程學(xué)院，泉州 362000；2.西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 7410049；3.蘭州工業(yè)化設(shè)備有限公司，蘭州 730050）

針對傳統(tǒng)氣動測量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適用性不強等問題，為此，給出氣動測量PLC和變頻器控制的一種方法。首先在簡要介紹氣動測量控制的基礎(chǔ)上，建立PLC和變頻器控制系統(tǒng)，其次通過PLC控制實現(xiàn)對氣動測量的控制，最后采用變頻調(diào)速的方法動態(tài)檢測脈沖編碼器計數(shù)和采集數(shù)據(jù)的信息。應(yīng)用PLC技術(shù)建立了自動控制系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中切實可行并取得顯著成效。實驗表明，該測量系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖像模擬的結(jié)果相一致；該控制器運行良好，符合氣動測量控制的要求。

PLC；氣動控制系統(tǒng)；建立系統(tǒng)軟件設(shè)計

0 引言

傳統(tǒng)旳氣動控制技術(shù)大多數(shù)采用繼電器接觸器控制，存在體積大、機械觸點多、接線復(fù)雜、故障多等缺點。如果控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的控制方式，電機拖動損耗能量將是原來的30%左右，嚴(yán)重浪費電能，使空壓機容易發(fā)生故障，使用壽命降低等問題發(fā)生[1]。

由于PLC控制系統(tǒng)可靠，方便等特點，其已在數(shù)控機床上廣泛使用，目前已取代了早期的繼電器控制回路系統(tǒng)。PLC采用各類開關(guān)、傳感器，通過分配I/O點實現(xiàn)控制。

氣動測量[2,3]是一種非接觸測量，精度高、測量力小、對被測工件有自潔作用，不受工件表面材質(zhì)的影響。PLC控制以壓縮空氣作為介質(zhì)，利用空氣在管道中的流量或壓力隨噴嘴與被測工件之間的間隙不同而改變的特性，將尺寸量或位移量轉(zhuǎn)化流量變化或氣壓變化信號，從而實現(xiàn)測量。

但近年來，國內(nèi)外許多專家和學(xué)者把主要的研究方向放在PLC編程及硬軟件的研究和氣動測量的概述上[4～6]，文獻(xiàn)[7～15]給出工件氣動測量的結(jié)構(gòu)及控制方式，但在差壓式氣動測量中適用性較差。文獻(xiàn)[16,17]研究PLC控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適用性不強。本文給出PLC和變頻器在氣動測量技術(shù)的應(yīng)用一種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠、操作方便，在測量方面具有很強的借鑒意義。最后實驗表明，該測量系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖像模擬的結(jié)果相一致；該控制器運行良好，符合氣動測量控制的要求。

1 氣動測量系統(tǒng)的工作原理及控制方法

1.1 氣動測量系統(tǒng)的工作原理

差壓式氣動測量氣路原理圖[2]如圖1所示。由氣源1來的壓縮空氣經(jīng)過濾器2、進(jìn)氣閥3和穩(wěn)壓器4后，具有恒定的壓力Pc，經(jīng)可調(diào)節(jié)流閥5和測量噴嘴6。測量時背壓氣路處于相同的環(huán)境壓力和溫度下，使外界環(huán)境（壓力、溫度和濕度等）對測量的影響降到最小，測量精度高、穩(wěn)定性好。根據(jù)流體力學(xué)中通過某截面的亞臨界狀態(tài)的流量公式，兩腔壓力之差為：

圖1 差壓式氣動測量氣路原理圖

式中：Pc為調(diào)零腔壓力；Px為測量腔壓力。

一般可調(diào)節(jié)流閥在測量前調(diào)節(jié)好背壓Pc之后在測量過程中是不變的，即Pc是個常數(shù)。而測量腔壓力Pc則隨測量間隙s的改變而變化。用硅壓阻差壓傳感器10檢出ΔP，作為被測信號，經(jīng)放大后輸出就可測得被測參數(shù)S的大小。

1.2 氣動測量系統(tǒng)的控制方法

該氣動控制系統(tǒng)由以下部分組成：PLC、變頻器（1#和2#）、電動機、空壓機、繼電器、開關(guān)、按鈕、互感器、擴展器（EM235和EM232）、空氣壓力傳感器、定子溫度傳感器、軸承傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該控制系統(tǒng)將減壓氣體Δp作為控制對象，利用遠(yuǎn)傳空氣開關(guān)檢測氣壓px，變頻器送入以標(biāo)準(zhǔn)氣壓pc轉(zhuǎn)化成電信號，送入A/D轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后PLC將檢測到的氣壓值與壓力設(shè)定值比較，根據(jù)氣壓差值Δp進(jìn)行運算，產(chǎn)生的控制信號f和測的測量噴嘴擋板之間隙s等值，送入變頻器控制電動機的轉(zhuǎn)速，從而使壓力接近設(shè)定值，才使變頻器控制氣動測量裝置。

圖2 氣動測量PLC系統(tǒng)圖

2 氣動測量裝置控制系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計

2.1 氣動測量裝置控制系統(tǒng)硬件

氣動測量裝置PLC控制系統(tǒng)由上位機和下位機2個部分組成，上位機由觸摸屏構(gòu)成，下位機（PLC控制系統(tǒng)）包括CPU和數(shù)字/模擬量輸入，數(shù)字/模擬量輸出及其他模塊構(gòu)成，用來控制氣壓、氣溫和轉(zhuǎn)速實現(xiàn)氣動測量的控制，系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)圖

2.2 氣動測量裝置的PLC I/O點的分配

根據(jù)氣動控制測量的要求，選用西門子PLCS7-300CPU224作為控制核心，擴展一個EM235作為模擬量輸入模塊，實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，輸入信號由多路開關(guān)采集，使用數(shù)字化的濾波器測得氣壓速度，氣壓傳感器的輸出信號由壓力變速器經(jīng)EM235控制轉(zhuǎn)換為0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號完成EM235I/O點的分配，控制變頻器使脈沖編碼器計數(shù)。EM232作為I/O的輸入/輸出擴展模塊，具有四個I/O點的輸入，可以滿足氣動測量的擴展使用。最后根據(jù)各個單元的容量，選擇合適的電源模塊CQM1-PA203，為PLC提供24VDC穩(wěn)壓電源。PLC I/ O點的分配是PLC編程之前的必要準(zhǔn)備，PLC I/O點的分配要與設(shè)計好的系統(tǒng)硬件相對應(yīng)。氣動測量裝置的PLC I/O點的分配表，如表1所示，列出氣動測量的PLC梯形圖，編程后可由專用通訊電纜下載到PLC[9～15]，運行PLC程序?qū)崿F(xiàn)氣動測量裝置的PLC I/O點的分配。

表1 氣動測量裝置的PLC I/O點的分配表

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 PLC控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計

該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是PLC氣動測量原理控制實現(xiàn)的設(shè)計。壓力變送器測得到壓力值px經(jīng)擴展模塊EM235模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入PLC與調(diào)零腔壓力pt和測量腔壓力px比較，得到氣壓差值Δp經(jīng)EM235模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的控制信號f和測的測量噴嘴擋板之間隙s等值，輸入給變頻器，變頻器計數(shù)比較氣壓值完成氣動測量。

針對氣動測量PLC系統(tǒng)控制的特點，PLC控制軟件主要包括參數(shù)輸入（輸入調(diào)零腔壓力Pt、測量腔壓力Px、測的測量噴嘴擋板之間隙s等值）、啟動變頻器分頻計數(shù)、編碼器計數(shù)、氣動測量的比較等幾個步驟組成。PLC系統(tǒng)控制軟件設(shè)計如圖4所示。

圖4 PLC軟件控制流程圖

2.3.2 觸摸屏的界面設(shè)計

根據(jù)觸摸屏PLC設(shè)置的要點，設(shè)計的PLC觸摸屏軟件圖，如圖5所示。按功能鍵“F0”，顯示窗口出現(xiàn)PLC運行監(jiān)視畫面；按功能鍵“F1”，顯示窗口出現(xiàn)PLC運行參數(shù)設(shè)置畫面。

圖5 觸摸屏軟件設(shè)置框圖

3 實驗

本研究在實驗室PLC控制的環(huán)境下，實現(xiàn)氣動測量的控制，氣動測量存在如下關(guān)系式：

圖6 PLC控制實驗圖

表2 實驗數(shù)據(jù)表

選用了10000Pa型氣動測量裝置作為實驗設(shè)備。主噴嘴直徑0.3cm，額定氣壓為1000Pa，由實驗數(shù)據(jù)得到s-pc和s-px擋板間隙-氣壓綜合比較圖、s-f擋板間隙-氣壓差圖，如圖7、圖8所示。

圖7 擋板間隙-氣壓綜合比較圖

圖8 擋板間隙-氣壓差圖

氣動測量裝置電機在0.24m/s時啟動。在增加速度

【】【】后壓力隨之提高。當(dāng)速度提高到一定的程度，壓力差曲線接近直線，表明壓力已達(dá)到額定壓強，滿足氣動測量裝置控制曲線的建立的需要。實現(xiàn)效果表明該控制器運行良好，符合氣動測量控制的要求。

4 結(jié)論

1）在氣動測量的基礎(chǔ)上，建立了PLC和變頻器的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)將減壓氣體Δp作為控制對象，利用遠(yuǎn)傳空氣開關(guān)檢測氣壓px，變頻器送入以標(biāo)準(zhǔn)氣壓pc轉(zhuǎn)化成電信號，送入A/D轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后PLC將檢測到的氣壓值與壓力設(shè)定值比較，根據(jù)氣壓差值Δp進(jìn)行運算，產(chǎn)生的控制信號f和測的測量噴嘴擋板之間隙s等值，送入變頻器控制電動機的轉(zhuǎn)速，從而使壓力接近設(shè)定值，才使變頻器控制氣動測量裝置，在氣動測量方面具有很強的借鑒意義。

2）系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機和下位機兩個部分組成。上位機監(jiān)控觸摸屏，觸摸屏軟件設(shè)計實現(xiàn)人機交互的可視化操作。下位機控制PLC系統(tǒng)，接收現(xiàn)場各狀態(tài)檢測信號，實現(xiàn)對氣動測量裝置的控制，動態(tài)檢測脈沖編碼器計數(shù)和采集數(shù)據(jù)的信息。該軟件具有適應(yīng)性和通用性，在一些PLC控制系統(tǒng)中可移植使用。

3）實驗表明，該測量系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖像模擬的結(jié)果相一致；該控制器運行良好，符合氣動測量控制的要求。

[1] 彭桂力,劉知貴.集中供熱鍋爐控制系統(tǒng)的PLC控制[J].電力自動化設(shè)備,2006(9)：75-77.

[2] 劉玉初.氣動量儀[M].北京：機械工業(yè)出版社,1991.

[3] 王鳳偉,張輝,鄧善熙,等.微納米級差壓式氣針傳感器的研制[J].儀器儀表學(xué)報,2009,30(2)：416-420.

[4] 文麗松.PLC和變頻器在礦山空氣壓縮機改造中的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2006(9)：75-77.

[5] 劉法治,楊天明.PLC和變頻器在裝配線氣動控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].機床與液壓,2010,8,16(38)：81-83.

[6] Nikola Tanasi,Goran Jankes and H?kon Skistad. Cfd analysis and airflow measurements to approach large industrial halls energy efficiency： A case study of a cardboard mill hall[J].Energy and Buildings,Vol.43, No.6 ,2011,1200-1206.

[7] 張萬軍.一種工件氣動測量的控制裝置：中國,201420094751.X [P].2014-02-26.

[8] 張萬軍.一種工件氣動測量的控制系統(tǒng),201420094752.4 [P]. 2014-02-26.

[9] 張萬軍.一種工件氣動測量的裝置,201420094730.8[P].2014-02-26.

[10] 張萬軍.一種基于PLC的氣動測量量儀控制系統(tǒng),201420173572.5 [P].2014-02-26.

[11] 張萬軍.一種工件PLC控制的綜合檢測系統(tǒng),201520309360X [P].2014-05-14.

[12] 張萬軍.一種工件的視覺化檢測控制系統(tǒng),2015202972830[P].2015-05-10.

[13] 張萬軍.一種工件的X射線檢測控制系統(tǒng),2015203378996[P].2015-05-04.

[14] 張萬軍.一種工件的視覺化機械性能檢測控制系統(tǒng),2015203376280 [P].2015-05-23.

[15] 張萬軍.一種工件的超聲波檢測控制系統(tǒng),2015203396068[P].2015-05-24.

[16] 徐敬如.PLC和變頻器在中央空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用[J].電氣技術(shù),2009 (1)：34-37.

[17] 朱曙.基于PLC的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)研究[J].電子測量技術(shù),2009,3(34)：165-169.

Application of PLC in the air driven control system

ZHANG Wan-jun1,2,3, ZHANG Feng3, ZHANG Jing-xuan3, ZHANG Jing-yi2, ZHANG Jing-yan3

TP273

：A

：1009-0134(2017)05-0049-04

2016-12-17

高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項（2014 ZX040001-181）

張萬軍（1986 -），男，甘肅人，博士研究生，教授級高級工程師，主要從事數(shù)控技術(shù)的裝備、新能源的研究及風(fēng)能的開發(fā)等工作。