PLC 在油封旋转性能试验机控制系统中的应用

杭小宇，周建华，宰广旭，周海涛

(扬州大学机械工程学院，江苏 扬州225009)

0 前言

旋转轴唇形密封圈俗称油封，它是一种高技术含量的精密橡胶零件，它通过柔性橡胶密封唇与轴的接触来防止轴承润滑油的泄漏。油封旋转性能试验机是适用于各种回转式油封进行密封性能的试验和研究工作。

在工业生产过程控制中，常需要用闭环控制方式来实现温度、压力、流量等模拟量控制。PLC作为一种新型的工业控制装置，在科研、生产、社会生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。利用PLC实现对模拟量PID的闭环控制，具有用户使用方便、可靠性高、抗干扰性强等优点。

PID控制器是应用最广的闭环控制器，在工业控制领域占有重要的地位。PID控制器的结构典型，程序设计简单，计算工作量小，各参数有明确的物理意义，参数调整方便，容易实现多回路控制、串级控制等复杂的控制。

1 油封旋转性能试验机

油封结构简单、拆装方便、密封可靠，应用范围很广，凡有旋转轴的部位基本都离不开油封。特别是近二三十年来，由于机械制造、车辆、航空、航天等工业的飞速发展，对油封提出了耐高低温、耐高压、耐特殊介质，适应高速、震动和延长使用寿命等一系列苛刻的要求，从而促进了对油封材料、结构、性能试验、质量控制手段和密封机理等广泛深入的研究。试验机的性能对工业和材料科学的发展有重要影响。油封性能试验机的性能主要取决于试验机本体和其所使用的控制系统。本文正是应用PLC实现对油封旋转性能试验机的转速和温度控制。

油封旋转性能试验机控制系统性可以达到以下效果：

1)试验转速范围：100～8 000r/min，相对误差：±0.5%;

2)试验温度控制范围：0℃ ～200℃，控制误差：±1℃。

2 系统控制原理

试验设备控制方案主要包括四部分：输出设备、西门子S7－200控制模块、EM231模拟量控制模块和数据测量模块。

输出设备包括显示器、键盘/鼠标和U盘，主要用于实验参数显示、保存等。

控制系统采用S7－200PLC作为控制核心的控制系统，该系统的运算速度快、可移植性高、可扩展性强和硬件资源丰富等优点。与油封试验机的性能要求不谋而合。

EM231模拟量控制模块主要采用多功能数据采集卡和工业数字I/O卡。完成速度和温度信号的采集、电机转速控制信号的输出和加热器工作时间的控制。

数据测量模块主要采用转速传感器和温度传感器，对电机的转速和液压油的温度进行测量。

整个系统的控制参数主要有电机转速和液压油的温度。

3 电机转速控制

3.1 HSC(高速计数器)脉冲信号采集

首先由速度传感器测量电机的转速，速度传感器与多功能数据采集卡的模拟量输入通道相连，并通过内部的A/D转换器将采集到的模拟量信号转化为数字信号，将数字信号送入计算机，经过高速计数机功能(HSC)，通过控制多功能数据采集卡模拟量输出通道的输出量来控制电机的转速。

SIMATIC S7－200系列PLC设计了高速计数功能(HSC)，其计数器自动进行不受扫描周期的影响，最高计数频率取决于CPU的类型，SIMATIC S7－200 CPU22x系列PLC最高计数频率为30 kHz，CPU224XP CN最高计数频率为230 kHz，用于捕捉比CPU扫描速度更快的事件，并且产生中断，执行中断程序，完成预定的操作。高速计数器最多可设置12种不同的操作模式。用高速计数器可以实现高速运动的精确控制。

试验机使用的是S7－200 CPU224PLC，有6个高速计数器，其中占用的输入端子见表1。

表1 高速计数器使用端子参数

在试验机速度PLC程序设计中，设计步骤如下：

1)选择高速计数器HSC1，并确定工作模式为1。用SM0.1对高速器进行初始化。

2)令SMB47=16#F8，其功能为：计数方向为增，允许更新技术方向，允许写入新初始值，允许写入新与设置值，允许执行HSC指令。

3)执行HDEF指令，输入端HSC为1，MODE为0。

4)写入初始值，令SMD48=0，SMD52=0。

5)执行HSC指令，对高速计数器编程。程序所示：

3.2 试验机速度的数据运算与调节

通过特殊标识指令SM0.0激活定时器 T33，当HSC脉冲计数之后将HC1计数脉冲数(双字节)传送至指定地址VD1000，通过双整数转为实数至VD1044，然后在通过实数相乘指令乘以比例系数10.016 69存放至VD1048，然后取整至VD1052，然后算整数转换为整数至VW46，在对脉冲计数HC1进行字节处理之前加入比较指令(整数大于等于)对T33进行比较，当定时器T33过5.99 s时，程序执行，HC1输入计数脉冲，使得计时器6 s刷新一次，为下面的速度的线性控制做准备。其STL语句表如下：

综上所示，通过S7－200计数器的HSC指令得到试验机电机实际脉冲值，在此基础上通过数据转换指令将其转换为实际整数值并存入VW46。

VW46地址里的实际整数值与人为设定的参数(转速)进行比较，其必然有误差，通过其程序内设定的数据算法进行比较与线性调节，对速度进行控制，由于篇幅有限，在此就不详细介绍。

4 液压油温度控制

液压油的温度控制主要是通过对加热器是否加热、加热时间长短的控制来控制油液温度。首先通过温度传感器测量液压油温度，同样温度传感器与多功能数据采集卡的另一模拟量输入通道相连，并通过内部的A/D转换器将采集到的模拟量信号转化为数字信号，数字信号送入计算机，经过温度PID控制模块，通过工业数字I/O卡输出控制信号，控制加热器工作，如果采集到的温度信号低于规定温度，制电热丝进行加热来控制油温;如果采集到的温度信号高于或等于规定温度，则加热器停止工作。

利用PID控制的实现。在模拟量的控制中，经常用到PID运算来执行PID回路的功能，PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。

S7－200的PID回路没有内置模式控制。只有但与模拟量模块接通时，才能执行PID运算，从这种意义上说，PID运算存在一种“自动”运行方式。当PID运算不被执行时，我们称之为“手动”模式。同计数器指令相似，PID指令有一个使能位。当该使能位检测到一个信号的正跳变(从0到1)时，PID指令执行一系列的动作，使PID指令从手动方式无扰无动地切换到自动方式。为了达到无扰动切换，在转变到自动控制前，必须把手动方式下的输出值填入回路表中的Mn栏。PID指令对回路表中的值进行下列动作，以保证当使能位正跳变出现时，从手动方式无扰动切换到自动方式：置设定值(SPn)=过程变量(PVn)，设过程变量前置(PVn－1)=过程变量(PVn)，置积分项前值(MX)=输出值(Mn)。

PID使能位的默认值是1，在CPU启动或从STOP方式到RUN方式时建立。CPU进入RUN方式后首次使PID块有效，没有检测使能位的正跳变，那么就没有无扰动切换的动作。

4.1 回路输入量的转换和标准化

液压油温度控制回路的给定值和过程变量都是实际数值，其大小、范围和工程单位可能不同。在PLC进行PID控制之前，必须将其转换成标准化浮点表示法。步骤如下：

1)将回路输入值从16位整数转换成32位浮点数或实数。下列指令说明如何设置整数值转换为实数。

2)将实数转换成0.0－1.0之间的标准化数值。用下式：

实际数值的标准化数值=实际数值的非标准化数值或原始实数/取值范围+偏移量

其中取值范围=最大可能数值－最小可能数值=32 000(单极数值)或64 000(双极数值);偏移量：对单极数值取0.0，对双极数值(间距为64 000)标准化，如下所示：

4.2 PID回路输出转换成为比例的整数

程序执行后，PID回路输出0.0－1.0之间的标准化实数数值，必须被转换成16位成比例整数值，才能驱动模拟输出。

PID回路输出成比例实数数值=(PID回路输出标准化实数值－偏移量)×取值范围，程序如下：

5 结语

通过试验，油封旋转性能试验机控制系统性能可以达到：1)试验转速范围：100～8 000 r/min，相对误差：±0.5%;2)试验温度控制范围：0℃ ～200℃，控制误差：±1℃。采用PLC提供的PID控制功能对油封旋转转速进行控制，可以提高控制精度，同时也研究出了一个适用于油封旋转试验的油温控制方法。

［1］岂兴明.PLC与变频器快速入门与实践［M］.北京：北京人民邮电出版社，2006.

［2］陈忠华.可编程程序控制器与工业现场总线［M］.北京：机械工程出版社，2007.