汽車(chē)傳動(dòng)軸防塵罩PLC控制系統的設計與實(shí)現

摘要：本文介紹了PLC和變頻器在汽車(chē)傳動(dòng)軸防塵罩高低溫控制系統中的成功應用，介紹了系統控制方案和軟硬件結構的設計思想。提出了一種易于在PLC中實(shí)現的適用于被控對象為二階慣性環(huán)節溫度預測控制系統，實(shí)際運行表明該算法優(yōu)于常規的PID算法。本系統功能強，性能好，精度高。
關(guān)鍵詞：傳動(dòng)軸防塵罩、PLC控制、變頻調速、預測控制

0前言
可編程控制器（PLC）由于其運算速度高、指令豐富、功能強大、可靠性高、抗干擾性強而廣泛應用于各種工業(yè)控制部分［1］，在智能現場(chǎng)控制系統中，選用PLC作為控制器是十分有效的。本文以汽車(chē)傳動(dòng)軸防塵罩的檢測為背景，著(zhù)重討論一種基于PLC控制的模擬汽車(chē)傳動(dòng)軸防塵罩實(shí)際運行環(huán)境的高低溫試驗箱控制系統的研制。

汽車(chē)傳動(dòng)軸防塵罩的作用是防止灰塵、雜質(zhì)等進(jìn)入前輪傳動(dòng)軸的連接處，同時(shí)也防止高溫潤滑油從中溢出。根據有關(guān)規定，本系統要求防塵罩在2500轉/分下保持其優(yōu)秀的斷裂延展特性，在－60～150℃下，能通過(guò)1～6千萬(wàn)次循環(huán)試驗。在此情況下，我們受委托對汽車(chē)傳動(dòng)軸防塵罩高低溫試驗箱進(jìn)行改造，以工控機為人機接口，采用PLC程序控制系統。

1 系統功能分析
傳動(dòng)軸防塵罩溫度試驗的基本要求是：在規定的溫度下，以一定的轉速運行一定的時(shí)間。交替設定溫度、轉速及時(shí)間（最多為4組）循環(huán)一定次數構成一個(gè)測試階段。測試過(guò)程最多可設4個(gè)階段，每個(gè)測試階段的循環(huán)次數由測試員現場(chǎng)設定。實(shí)驗中主要控制量有試驗箱內溫度（-60～150℃）、傳動(dòng)軸轉速（0～1500rpm）、固定角及滑動(dòng)角角度、測試時(shí)間（1～60000分）及階段循環(huán)次數。測試過(guò)程要求調整固定角及滑動(dòng)角的角度、啟動(dòng)溫度控制系統使溫度逐步達到設定值、使傳動(dòng)軸在設定的轉速下運行規定的時(shí)間?，F場(chǎng)設定不同的條件交替測試，循環(huán)一定周期。

根據測試要求，系統應具有手動(dòng)，自動(dòng)操作功能。手動(dòng)操作時(shí)，操作人員可以直接控制電機、壓縮機、加熱器等設備的啟停，進(jìn)行設備維修，調試和試驗等；自動(dòng)操作時(shí)，測試裝置自動(dòng)完成整個(gè)測試過(guò)程。另外，控制系統還應具有完善的保護功能以保護人員及設備安全。任何時(shí)候都可以強行停止測試。若測試過(guò)程因故障原因終止，需要記錄故障原因及測試進(jìn)展狀況。

2 控制系統的設計與實(shí)現
2.1 控制系統硬件結構設計
本系統人機界面部分采用臺灣研華公司生產(chǎn)的奔騰機，軟件部分采用Delphi編程，在系統中協(xié)調控制，打印輸出，過(guò)程值顯示，控制核心部件為OMROM的可編程控制器，它負責各控制系統所需要的各種邏輯控制和運算。被控對象有變頻調速系統和溫度系統。變頻調速由日本安川公司生產(chǎn)的變頻器驅動(dòng)傳動(dòng)軸電機，使傳動(dòng)軸保持一定的轉速。溫度控制系統是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統，溫度測量元件為鉑電阻，由PLC控制電加熱器及壓縮機，實(shí)現加熱或制冷。加熱系統由三個(gè)電加熱管組成，制冷系統由兩級壓縮機組成，其通斷由PLC控制。

為實(shí)現檢測控制要求，本系統采用日本立石(OMRON)公司CPM2A-40CDR-A的PLC作為主控單元。其輸入點(diǎn)數為24點(diǎn)，輸出點(diǎn)數為16點(diǎn)。該PLC具有體積小，重量輕，運行可靠，保護方便等特點(diǎn)。系統除了基本的開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出外，還配有模擬量的輸入/輸出擴展單元。模擬量輸入單元用于接收Pt100熱電阻溫度信號，模擬量輸出單元控制變頻器輸出頻率，實(shí)時(shí)檢測全部模擬信號，進(jìn)行工程量轉換，并與設定的上下值比較，開(kāi)關(guān)量單元用于控制電機的啟停，故障的報警等。 PLC的I/O分配和功能如圖1所示。

2.2變頻器控制系統
本系統的傳動(dòng)軸轉速由變頻器控制?？刂撇糠种饕蒔LC、變頻器、光電接近開(kāi)關(guān)組成。傳動(dòng)軸旋轉部分采用日本SANKEN公司IF－7.5K變頻器驅動(dòng)變頻電機。采用轉速閉環(huán)矢量控制，調速范圍0～2500r/min,調速精度0.02%。PLC通過(guò)模擬量輸出單元將0～6000的數字量信號轉換成4～20mA電流信號給變頻器作為頻率輸出設定。傳動(dòng)軸實(shí)際轉速反饋信號由PG光電接近開(kāi)關(guān)檢測輸出，其輸出脈沖經(jīng)PLC計算作為電機的速度負反饋信號。

根據生產(chǎn)工藝對系統運行時(shí)穩態(tài)精度及跟隨能力的要求，變頻器內部的PID調節器設定為比例積分調節方式，由PLC的速度給定值與由脈沖編碼器檢測的現場(chǎng)速度反饋值比較后，得到速度偏差，經(jīng)比例積分控制器處理后，輸出的二次電流信號作為頻率輸出，送矢量控制系統，控制電機運行。恒功率的分界點(diǎn)以及它們的頻率范圍內的P.I值，由現場(chǎng)負荷調試確定，已達到最佳運行效果。

因為轉角電機的頻繁快速啟停，制動(dòng)時(shí)經(jīng)常會(huì )產(chǎn)生很高的泵升電壓，因所選變頻器為交-直－交電壓源時(shí)，泵開(kāi)電壓不能回饋電網(wǎng)，故采用制動(dòng)單元并配以電阻加以吸收。當變頻器直流電路升高到一定值（660VDC）時(shí)，制動(dòng)單元中的IGBT管被觸發(fā)導通，接通制動(dòng)電阻回路，將轉角電機的回饋電能消耗在制動(dòng)電阻上，以滿(mǎn)足快速停止的要求。

2.3溫度控制系統
試驗箱內的溫度調節范圍為－60℃～150℃，具體值由操作員現場(chǎng)設定。系統加熱時(shí)采用三個(gè)晶閘管控制的電加熱管，合上主回路的操作開(kāi)關(guān)，整個(gè)加熱裝置開(kāi)始運行，未達到設定溫度時(shí)，固態(tài)繼電器SSR1吸合，1號加管加熱，系統逐級開(kāi)啟2號，3號加熱管。達到設定溫度時(shí)，進(jìn)入保溫階段，采用控制3號，2號加熱器的輸出通斷來(lái)調功調溫。［2］使用控制箱風(fēng)機來(lái)保證溫度均勻變化。如果箱內溫度達到高溫界限，系統將會(huì )報警。

單級蒸汽壓縮制冷所能達到的蒸發(fā)主要取決于冷凝溫度及壓力比，對于氟利昂制冷劑，一般壓力不超過(guò)10，這樣采用單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)，一般只能制取-20～-40℃的低溫因此采用單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)將無(wú)法滿(mǎn)足本系統制取-60℃低溫的要求，在此情況下，決定采用兩臺低溫壓縮機組成的復疊式制冷系統，兩級復疊制冷系統將第一級蒸發(fā)器與第二級冷凝器復疊在一起，使第二級低溫制冷劑在－35℃左右冷凝，在－80℃左右蒸發(fā)，以獲得系統所需要的低溫。［3］

3PLC控制系統的軟件設計
為了方便調試和編程，整個(gè)軟件系統采用模塊化編程，主要由手動(dòng)運行模塊，自動(dòng)運行模塊和故障診斷和報警模塊。在軟件編制時(shí)，采用了一些抗干擾措施，增強了整個(gè)系統的抗干擾能力，在計算機上可以實(shí)現實(shí)時(shí)操作，控制并觀(guān)察現場(chǎng)各設備的運行情況。

當系統處于手動(dòng)運行時(shí)，PLC接收各設備狀態(tài)，由此判斷各設備的運行狀態(tài)，可單獨運轉變頻電機、加熱器、制冷系統的壓縮機。便于系統的調試和維修。
系統自動(dòng)運行時(shí)，只須按照計算機屏幕提示，設置操作參數，，試驗即完全自動(dòng)進(jìn)行下去，并在計算機屏幕上實(shí)時(shí)顯示各設備參數。試驗過(guò)程中或試驗結束后，均可按照提示選擇打印方式打印。以下重點(diǎn)介紹溫度控制子程序。

由于系統采用三套晶閘管控制的電加熱器。常用的控制方式有兩種：一種是分段開(kāi)關(guān)控制，根據溫度的高低，逐級開(kāi)啟或關(guān)閉加熱器。這種方法溫度偏差大，精度較低。另一種是PWM脈寬調制，在PLC中實(shí)現PWM程序比較復雜?；芈分械碾娂訜崞鳛闈M(mǎn)足溫度恒定的需要，經(jīng)常切換工作狀態(tài)，而常規的電磁繼電器開(kāi)關(guān)觸電易磨損，壽命短。所以對第一種方法進(jìn)行改進(jìn)［4］。

由于系統是二階系統，在系統溫度下降時(shí)，增加加熱管，溫度由于慣性的原因，溫度繼續下降一段時(shí)間后再上升，同樣減少加熱管，溫度會(huì )上升一段時(shí)間后再下降。我們將前后兩次測量值進(jìn)行比較，得到溫度偏差e，系統根據e來(lái)控制加熱器的狀態(tài)轉換。當e較大時(shí)，此時(shí)通過(guò)逐級打開(kāi)加熱器來(lái)調整溫度。

啟停切換順序為：?jiǎn)?dòng)順序：1＃ 2＃ 3＃；停止順序：3＃ 2＃ 1＃；溫度的變化值e: e=Ti－Ti－1。其中Ti ,Ti－1分別是本次溫度采樣值與前次溫度采樣值，并記試驗箱溫度允許上限為HSP，允許下線(xiàn)為L(cháng)SP。PV為溫度測量值?？紤]到前后兩個(gè)采樣周期的變化溫度e變化不大。當當前溫度值PV＋前一個(gè)周期變化溫度值e溫度設定上限HSP時(shí)，就減少加熱管。反之，當PV+eLSP時(shí)，就增加電加熱管。程序框圖如圖三所示。

電氣系統已設計了各種保護，并直接作用至斷電，其中包括：缺相保護、過(guò)載保護、旁路保護。 其中變頻器具有短路、過(guò)載等保護功能，當變頻器所驅動(dòng)的電機發(fā)生短路、過(guò)載等故障時(shí)，變頻器將自動(dòng)切斷一次供電回路，進(jìn)入保護狀態(tài)并輸出報警信號，系統把各故障點(diǎn)相應的接觸器、短路器等元件的輔助觸電接到PLC，PLC掃描輸入這些觸電的狀態(tài)，并通過(guò)PLC程序將這些狀態(tài)存放在數據存儲區，再結合控制程序和設備預置狀態(tài)進(jìn)行邏輯分析，判斷設備或元件是否出了問(wèn)題。

4 結束語(yǔ)
可編程控制器（PLC）控制的汽車(chē)傳動(dòng)軸防塵罩高低溫試驗箱可以控制傳動(dòng)軸轉動(dòng)速度、調整其運行環(huán)境溫度、實(shí)時(shí)監測試驗箱內各種變量狀態(tài)、靈活處理數據的通信，并將數據實(shí)時(shí)顯示在計算機上，而且可以將所得的數據進(jìn)行存儲打印輸出，以便后查。大大提高了系統的效率。

參考文獻
[1] 丁勇 鄭金吾.基于PLC的泵機組控制［J］.自動(dòng)化儀表, 2004，25（2）61～62.
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[3] 宋延民，代方遠，李斌. 蛋粉加工的電氣控制系統［J］.電氣傳動(dòng)，2002（4）：55～57.