汽車傳動軸防塵罩PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文介紹了PLC和變頻器在汽車傳動軸防塵罩高低溫控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，介紹了系統(tǒng)控制方案和軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。提出了一種易于在PLC中實(shí)現(xiàn)的適用于被控對象為二階慣性環(huán)節(jié)溫度預(yù)測控制系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行表明該算法優(yōu)于常規(guī)的PID算法。本系統(tǒng)功能強(qiáng)，性能好，精度高。
關(guān)鍵詞：傳動軸防塵罩、PLC控制、變頻調(diào)速、預(yù)測控制

0前言
可編程控制器（PLC）由于其運(yùn)算速度高、指令豐富、功能強(qiáng)大、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制部分［1］，在智能現(xiàn)場控制系統(tǒng)中，選用PLC作為控制器是十分有效的。本文以汽車傳動軸防塵罩的檢測為背景，著重討論一種基于PLC控制的模擬汽車傳動軸防塵罩實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的高低溫試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)的研制。

汽車傳動軸防塵罩的作用是防止灰塵、雜質(zhì)等進(jìn)入前輪傳動軸的連接處，同時也防止高溫潤滑油從中溢出。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，本系統(tǒng)要求防塵罩在2500轉(zhuǎn)/分下保持其優(yōu)秀的斷裂延展特性，在－60～150℃下，能通過1～6千萬次循環(huán)試驗(yàn)。在此情況下，我們受委托對汽車傳動軸防塵罩高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行改造，以工控機(jī)為人機(jī)接口，采用PLC程序控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能分析
傳動軸防塵罩溫度試驗(yàn)的基本要求是：在規(guī)定的溫度下，以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行一定的時間。交替設(shè)定溫度、轉(zhuǎn)速及時間（最多為4組）循環(huán)一定次數(shù)構(gòu)成一個測試階段。測試過程最多可設(shè)4個階段，每個測試階段的循環(huán)次數(shù)由測試員現(xiàn)場設(shè)定。實(shí)驗(yàn)中主要控制量有試驗(yàn)箱內(nèi)溫度（-60～150℃）、傳動軸轉(zhuǎn)速（0～1500rpm）、固定角及滑動角角度、測試時間（1～60000分）及階段循環(huán)次數(shù)。測試過程要求調(diào)整固定角及滑動角的角度、啟動溫度控制系統(tǒng)使溫度逐步達(dá)到設(shè)定值、使傳動軸在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行規(guī)定的時間?，F(xiàn)場設(shè)定不同的條件交替測試，循環(huán)一定周期。

根據(jù)測試要求，系統(tǒng)應(yīng)具有手動，自動操作功能。手動操作時，操作人員可以直接控制電機(jī)、壓縮機(jī)、加熱器等設(shè)備的啟停，進(jìn)行設(shè)備維修，調(diào)試和試驗(yàn)等；自動操作時，測試裝置自動完成整個測試過程。另外，控制系統(tǒng)還應(yīng)具有完善的保護(hù)功能以保護(hù)人員及設(shè)備安全。任何時候都可以強(qiáng)行停止測試。若測試過程因故障原因終止，需要記錄故障原因及測試進(jìn)展?fàn)顩r。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
本系統(tǒng)人機(jī)界面部分采用臺灣研華公司生產(chǎn)的奔騰機(jī)，軟件部分采用Delphi編程，在系統(tǒng)中協(xié)調(diào)控制，打印輸出，過程值顯示，控制核心部件為OMROM的可編程控制器，它負(fù)責(zé)各控制系統(tǒng)所需要的各種邏輯控制和運(yùn)算。被控對象有變頻調(diào)速系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)。變頻調(diào)速由日本安川公司生產(chǎn)的變頻器驅(qū)動傳動軸電機(jī)，使傳動軸保持一定的轉(zhuǎn)速。溫度控制系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫度測量元件為鉑電阻，由PLC控制電加熱器及壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)加熱或制冷。加熱系統(tǒng)由三個電加熱管組成，制冷系統(tǒng)由兩級壓縮機(jī)組成，其通斷由PLC控制。

為實(shí)現(xiàn)檢測控制要求，本系統(tǒng)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(shù)為24點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)。該P(yáng)LC具有體積小，重量輕，運(yùn)行可靠，保護(hù)方便等特點(diǎn)。系統(tǒng)除了基本的開關(guān)量的輸入/輸出外，還配有模擬量的輸入/輸出擴(kuò)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)時檢測全部模擬信號，進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換，并與設(shè)定的上下值比較，開關(guān)量單元用于控制電機(jī)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(tǒng)
本系統(tǒng)的傳動軸轉(zhuǎn)速由變頻器控制。控制部分主要由PLC、變頻器、光電接近開關(guān)組成。傳動軸旋轉(zhuǎn)部分采用日本SANKEN公司IF－7.5K變頻器驅(qū)動變頻電機(jī)。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)矢量控制，調(diào)速范圍0～2500r/min,調(diào)速精度0.02%。PLC通過模擬量輸出單元將0～6000的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號給變頻器作為頻率輸出設(shè)定。傳動軸實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋信號由PG光電接近開關(guān)檢測輸出，其輸出脈沖經(jīng)PLC計算作為電機(jī)的速度負(fù)反饋信號。

根據(jù)生產(chǎn)工藝對系統(tǒng)運(yùn)行時穩(wěn)態(tài)精度及跟隨能力的要求，變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器設(shè)定為比例積分調(diào)節(jié)方式，由PLC的速度給定值與由脈沖編碼器檢測的現(xiàn)場速度反饋值比較后，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(tǒng)，控制電機(jī)運(yùn)行。恒功率的分界點(diǎn)以及它們的頻率范圍內(nèi)的P.I值，由現(xiàn)場負(fù)荷調(diào)試確定，已達(dá)到最佳運(yùn)行效果。

因?yàn)檗D(zhuǎn)角電機(jī)的頻繁快速啟停，制動時經(jīng)常會產(chǎn)生很高的泵升電壓，因所選變頻器為交-直－交電壓源時，泵開電壓不能回饋電網(wǎng)，故采用制動單元并配以電阻加以吸收。當(dāng)變頻器直流電路升高到一定值（660VDC）時，制動單元中的IGBT管被觸發(fā)導(dǎo)通，接通制動電阻回路，將轉(zhuǎn)角電機(jī)的回饋電能消耗在制動電阻上，以滿足快速停止的要求。

2.3溫度控制系統(tǒng)
試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)范圍為－60℃～150℃，具體值由操作員現(xiàn)場設(shè)定。系統(tǒng)加熱時采用三個晶閘管控制的電加熱管，合上主回路的操作開關(guān)，整個加熱裝置開始運(yùn)行，未達(dá)到設(shè)定溫度時，固態(tài)繼電器SSR1吸合，1號加管加熱，系統(tǒng)逐級開啟2號，3號加熱管。達(dá)到設(shè)定溫度時，進(jìn)入保溫階段，采用控制3號，2號加熱器的輸出通斷來調(diào)功調(diào)溫。［2］使用控制箱風(fēng)機(jī)來保證溫度均勻變化。如果箱內(nèi)溫度達(dá)到高溫界限，系統(tǒng)將會報警。

單級蒸汽壓縮制冷所能達(dá)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)將無法滿足本系統(tǒng)制取-60℃低溫的要求，在此情況下，決定采用兩臺低溫壓縮機(jī)組成的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，兩級復(fù)疊制冷系統(tǒng)將第一級蒸發(fā)器與第二級冷凝器復(fù)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(tǒng)所需要的低溫。［3］

3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
為了方便調(diào)試和編程，整個軟件系統(tǒng)采用模塊化編程，主要由手動運(yùn)行模塊，自動運(yùn)行模塊和故障診斷和報警模塊。在軟件編制時，采用了一些抗干擾措施，增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的抗干擾能力，在計算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時操作，控制并觀察現(xiàn)場各設(shè)備的運(yùn)行情況。

當(dāng)系統(tǒng)處于手動運(yùn)行時，PLC接收各設(shè)備狀態(tài)，由此判斷各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)變頻電機(jī)、加熱器、制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)。便于系統(tǒng)的調(diào)試和維修。
系統(tǒng)自動運(yùn)行時，只須按照計算機(jī)屏幕提示，設(shè)置操作參數(shù)，，試驗(yàn)即完全自動進(jìn)行下去，并在計算機(jī)屏幕上實(shí)時顯示各設(shè)備參數(shù)。試驗(yàn)過程中或試驗(yàn)結(jié)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(tǒng)采用三套晶閘管控制的電加熱器。常用的控制方式有兩種：一種是分段開關(guān)控制，根據(jù)溫度的高低，逐級開啟或關(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(diào)制，在PLC中實(shí)現(xiàn)PWM程序比較復(fù)雜?；芈分械碾娂訜崞鳛闈M足溫度恒定的需要，經(jīng)常切換工作狀態(tài)，而常規(guī)的電磁繼電器開關(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(tǒng)是二階系統(tǒng)，在系統(tǒng)溫度下降時，增加加熱管，溫度由于慣性的原因，溫度繼續(xù)下降一段時間后再上升，同樣減少加熱管，溫度會上升一段時間后再下降。我們將前后兩次測量值進(jìn)行比較，得到溫度偏差e，系統(tǒng)根據(jù)e來控制加熱器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)e較大時，此時通過逐級打開加熱器來調(diào)整溫度。

啟停切換順序?yàn)椋簡禹樞颍?＃ 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(yàn)箱溫度允許上限為HSP，允許下線為LSP。PV為溫度測量值?？紤]到前后兩個采樣周期的變化溫度e變化不大。當(dāng)當(dāng)前溫度值PV＋前一個周期變化溫度值e溫度設(shè)定上限HSP時，就減少加熱管。反之，當(dāng)PV+eLSP時，就增加電加熱管。程序框圖如圖三所示。

電氣系統(tǒng)已設(shè)計了各種保護(hù)，并直接作用至斷電，其中包括：缺相保護(hù)、過載保護(hù)、旁路保護(hù)。 其中變頻器具有短路、過載等保護(hù)功能，當(dāng)變頻器所驅(qū)動的電機(jī)發(fā)生短路、過載等故障時，變頻器將自動切斷一次供電回路，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并輸出報警信號，系統(tǒng)把各故障點(diǎn)相應(yīng)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PLC程序?qū)⑦@些狀態(tài)存放在數(shù)據(jù)存儲區(qū)，再結(jié)合控制程序和設(shè)備預(yù)置狀態(tài)進(jìn)行邏輯分析，判斷設(shè)備或元件是否出了問題。

4 結(jié)束語
可編程控制器（PLC）控制的汽車傳動軸防塵罩高低溫試驗(yàn)箱可以控制傳動軸轉(zhuǎn)動速度、調(diào)整其運(yùn)行環(huán)境溫度、實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)箱內(nèi)各種變量狀態(tài)、靈活處理數(shù)據(jù)的通信，并將數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在計算機(jī)上，而且可以將所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲打印輸出，以便后查。大大提高了系統(tǒng)的效率。

參考文獻(xiàn)
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