西門子S7 200PLC直接控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

何軍林

摘 要：對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中電動(dòng)執(zhí)行器控制展開(kāi)優(yōu)化探究，分析傳統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)合伺服放大器存在的問(wèn)題，提出了消除中間環(huán)節(jié)，直接通過(guò)PLC控制電動(dòng)執(zhí)行器的方法，通過(guò)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)控制精度顯著提升。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)執(zhí)行器；PLC開(kāi)關(guān)量；自動(dòng)控制

當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)和控制水、氣、油等各種流體閥門的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金和電力等領(lǐng)域中，隨著現(xiàn)代化工業(yè)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求的提高，傳統(tǒng)的控制方式為模擬信號(hào)與伺服放大器配套控制電動(dòng)執(zhí)行器，在功能和使用上的缺點(diǎn)暴露得越來(lái)越明顯。

本文主要介紹使用西門子S7200系列可編程控制器對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，PLC可根據(jù)上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)字信號(hào)或者4～20mA的模擬控制信號(hào)，直接操作改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)度，利用微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)擴(kuò)大功能，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)標(biāo)定、手自動(dòng)切換、實(shí)時(shí)監(jiān)控等多種控制技術(shù)要求的功能，有效提高控制水平。

1 問(wèn)題提出

以往計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出主要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，將輸出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再配合放大器對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行控制，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，如果執(zhí)行器反饋斷路，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一直正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，直到全開(kāi)或全關(guān)，容易將執(zhí)行機(jī)構(gòu)燒壞，或拉壞執(zhí)行器相連的閥門與風(fēng)門。此外，如果伺服放大器調(diào)整出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致放大器輸出發(fā)生震蕩，造成執(zhí)行器反復(fù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞。

對(duì)此，探究問(wèn)題：是否可以滿足信號(hào)傳輸過(guò)程中，不經(jīng)過(guò)伺服放大器，而是直接經(jīng)由PLC控制器輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，進(jìn)而控制電動(dòng)執(zhí)行器，且確保執(zhí)行器的正常動(dòng)作，即節(jié)省投資，又能滿足控制和工藝要求。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由控制器和執(zhí)行器組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器采用西門子S7200可編程控制器為核心，配以相應(yīng)的外圍電路。明顯簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了控制精度。執(zhí)行器由電機(jī)和位置傳感器構(gòu)成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)向是通過(guò)改變電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂破鹘邮諄?lái)自控制中心的DC20mA的電信號(hào)，該模擬信號(hào)接入PLC的模擬量模塊，給定信號(hào)與反饋信號(hào)比較，由PLC判斷處理，以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止，再將執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際開(kāi)度傳回控制中心。閥門實(shí)際開(kāi)度和主軸旋轉(zhuǎn)方向由接近開(kāi)關(guān)通過(guò)安全柵傳回PLC，以便監(jiān)視閥門運(yùn)行狀態(tài)。

直接去掉伺服放大器，采用PLC控制系統(tǒng)，控制電動(dòng)執(zhí)行器。以開(kāi)關(guān)量輸出和反饋信號(hào)，結(jié)合編程，利用成本較低的開(kāi)關(guān)代量輸出代替昂貴的模擬量輸出，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，還能夠節(jié)省成本。

3 控制器硬件

考慮開(kāi)關(guān)量輸入輸出的數(shù)量，模擬量輸入精度及連鎖等各方面情況，選用酉門子S7200系列可編程控制器，CPU型號(hào)為CPU222。這種PLC小型、緊湊，可以直接裝在電氣常用的35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上，本機(jī)帶有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)，還可擴(kuò)展2個(gè)模塊，包括模擬量模塊；機(jī)內(nèi)有256個(gè)內(nèi)部繼電器，256個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，足夠編程人員使用；內(nèi)置24V直流電源；指令執(zhí)行速度快，每條指令執(zhí)行時(shí)間為0.378us，編程可用手持編程器，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，也可以用個(gè)人PC，方便在研制場(chǎng)所編制程序及歸檔義件和打印輸出。

模擬量單元采用E M 235組合模塊，此模塊有4路模擬量輸入，2路模擬量輸出。主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：輸入類型為差分輸入；輸入電流為0～20mA；數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)間小于250us ；量程范圍為0～32000；A/D轉(zhuǎn)換精度為12位；電流輸出穩(wěn)定時(shí)間為2ms。

PLC配置為：主機(jī)：6ES72121AB20OXB0；模擬量組合模塊：6ES7235OKD20OXAO。

4 軟件編程

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式，用戶可根據(jù)實(shí)際操作的需要選擇相應(yīng)的工作方式。手動(dòng)方式下，分別有正傳、反轉(zhuǎn)停止三個(gè)按鈕，用戶可以讓閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)正、反轉(zhuǎn)并停止在任意位置；自動(dòng)方式下，由上位機(jī)給出4～20mA的模擬量信號(hào)，PLC根據(jù)模擬信號(hào)和反饋信號(hào)，確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度。

輸入與輸出：執(zhí)行器位置反饋信號(hào)采用原始的相關(guān)反饋模塊。通過(guò)PLC控制器的應(yīng)用，對(duì)輸入通道進(jìn)行模擬，結(jié)合信號(hào)類型對(duì)模板跳線做出調(diào)整。由于位置反饋信號(hào)是執(zhí)行器動(dòng)作的主要依據(jù)，因此輸入通道初始化的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)剪短采樣時(shí)間，減少平均次數(shù)，提高反應(yīng)靈敏度，縮小控制死區(qū)的范圍，進(jìn)而提高控制精度。開(kāi)關(guān)量輸出通道最大允許電流為2A，根據(jù)實(shí)際情況，鑒于風(fēng)門故障狀況比較常見(jiàn)，經(jīng)常卡死導(dǎo)致執(zhí)行器堵轉(zhuǎn)，應(yīng)當(dāng)加設(shè)兩個(gè)接觸器，開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)接觸器，電流就會(huì)很小，不易出現(xiàn)損壞，能夠起到放大隔離效果。

程序：執(zhí)行器控制程序主要有三個(gè)部分：信號(hào)的采樣與處理，以及特殊情況判定。其中對(duì)信號(hào)的采樣，主要結(jié)合反饋信號(hào)進(jìn)行通道設(shè)置，對(duì)采樣方式與時(shí)間，以及信號(hào)存放地址等進(jìn)行初始化。信號(hào)的處理則主要根據(jù)位置偏差值，來(lái)控制執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)，在停電情況下，電機(jī)會(huì)發(fā)生慣性滯后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置死區(qū)，控制偏差值。對(duì)于特殊情況的處理，設(shè)置手動(dòng)與自動(dòng)兩種方式，可以自動(dòng)判斷位置反饋信號(hào)的正確性，執(zhí)行器停止，通過(guò)人工控制及時(shí)處理故障。

5 應(yīng)用成效

通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，將PLC開(kāi)關(guān)量輸出直接控制執(zhí)行器的方案投入到企業(yè)某監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中。該控制系統(tǒng)中有5臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行器，用來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)門開(kāi)度，風(fēng)門開(kāi)度直接控制熟料引風(fēng)量大小，對(duì)于熟料燃燒具有影響，即對(duì)燒成品質(zhì)量有很大影響。所以該項(xiàng)目通過(guò)創(chuàng)建PLC開(kāi)關(guān)量輸出直接控制執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，來(lái)保證風(fēng)門動(dòng)作的靈敏可靠與準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)故障問(wèn)題造成風(fēng)門過(guò)開(kāi)或者閉死。具體應(yīng)用于一臺(tái)執(zhí)行器需要占用1個(gè)模擬量輸入通道，來(lái)采集執(zhí)行器位置反饋信號(hào)，以及兩個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出通道，用于控制執(zhí)行器電機(jī)反轉(zhuǎn)信號(hào)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合全文，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換器、放大器控制系統(tǒng)的優(yōu)化，直接通過(guò)PLC控制執(zhí)行器，有效降低故障率，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，節(jié)省模擬量輸出成本費(fèi)用，且PLC程序控制具有靈活特性，能夠提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

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