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、引言
近年来可编程序控制器(PLC)以及变频调速技术日益发展，性能价格比日益tigao，并在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域得以普及和应用。为满足温度、速度、liuliang等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量进行控制，PLC模拟量控制模块的使用也日益广泛。
通常情况下，变频器的速度调节可采用键盘调节或电位器调节方式，但是，在速度要求根据工艺而变化时，仅利用上述两种方式则不能满足生产控制要求，因此，我们须利用PLC灵活编程及控制的功能，实现速度因工艺而变化，从而保证产品的合格率。
2、变频器简介
交流电动机的转速n公式为：
式中: f—频率;
p—极对数;
s—转差率(0～3%或0～6%)。
由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。
3、PLC模拟量控制在变频调速的应用
PLC包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。
在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。
下面以三菱FX2N系列PLC为例进行说明。同时选择FX2N-2DA模拟量模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图1所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。、
图1 对变频器进行速度控制的信号输出
图2为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱S540型，PLC的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。
图2 变频器的控制及动力部分接线图
3.1 系统中PLC模拟量控制变频调速需要解决的主要问题
（1）模拟量模块输出信号的选择
通过对模拟量模块连接端子的选择，可以得到两种信号，0~10V或0~5V电压信号以及4~20mA电流信号。这里我们选择0~5V的电压信号进行控制。
（2）模拟量模块的增益及偏置调节
模块的增益可设定为任意值。然而，如果要得到大12位的分辨率可使用0~4000。如图3，我们采用0~4000的数字量对应0~5V的电压输出。当然，我们可对模块进行偏置调节，例如数字量0~4000对应4~20mA时。
图3 模块的增益设定
0、前言
可编程控制器（PLC）由于其运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、抗干扰性强而广泛应用于各种工业控制部分，在智能现场控制系统中，选用PLC作为控制器是十分有效的。本文以汽车传动轴防尘罩的检测为背景，着重讨论一种基于PLC控制的模拟汽车传动轴防尘罩实际运行环境的高低温试验箱控制系统的研制。
汽车传动轴防尘罩的作用是防止灰尘、杂质等进入前轮传动轴的连接处，同时也防止高温润滑油从中溢出。根据有关规定，本系统要求防尘罩在2500转/分下保持其的断裂延展特性，在－60～150℃下，能通过1～6千万次循环试验。在此情况下，我们受委托对汽车传动轴防尘罩高低温试验箱进行改造，以工控机为人机接口，采用PLC程序控制系统。
1、系统功能分析
传动轴防尘罩温度试验的基本要求是：在规定的温度下，以一定的转速运行一定的时间。交替设定温度、转速及时间（多为4组）循环一定次数构成一个测试阶段。测试过程多可设4个阶段，每个测试阶段的循环次数由测试员现场设定。实验中主要控制量有试验箱内温度（-60～150℃）、传动轴转速（0～1500rpm）、固定角及滑动角角度、测试时间（1～60000分）及阶段循环次数。测试过程要求调整固定角及滑动角的角度、启动温度控制系统使温度逐步达到设定值、使传动轴在设定的转速下运行规定的时间。现场设定不同的条件交替测试，循环一定周期。
根据测试要求，系统应具有手动，自动操作功能。手动操作时，操作人员可以直接控制电机、压缩机、加热器等设备的启停，进行设备维修，调试和试验等；自动操作时，测试装置自动完成整个测试过程。另外，控制系统还应具有完善的保护功能以保护人员及设备安全。任何时候都可以强行停止测试。若测试过程因故障原因终止，需要记录故障原因及测试进展状况。
2、控制系统的设计与实现
2.1 控制系统硬件结构设计
本系统人机界面部分采用台湾研华公司生产的奔腾机，软件部分采用Delphi编程，在系统中协调控制，打印输出，过程值显示，控制核心部件为OMROM的可编程控制器，它负责各控制系统所需要的各种逻辑控制和运算。被控对象有变频调速系统和温度系统。变频调速由日本安川公司生产的变频器驱动传动轴电机，使传动轴保持一定的转速。温度控制系统是一个典型的闭环控制系统，温度测量元件为铂电阻，由PLC控制电加热器及压缩机，实现加热或制冷。加热系统由三个电加热管组成，制冷系统由两级压缩机组成，其通断由PLC控制。
为实现检测控制要求，本系统采用日本立石(OMRON)公司CPM2A-40CDR-A的PLC作为主控单元。其输入点数为24点，输出点数为16点。该PLC具有体积小，重量轻，运行可靠，保护方便等特点。系统除了基本的开关量的输入/输出外，还配有模拟量的输入/输出扩展单元。模拟量输入单元用于接收Pt100热电阻温度信号，模拟量输出单元控制变频器输出频率，实时检测全部模拟信号，进行工程量转换，并与设定的上下值比较，开关量单元用于控制电机的启停，故障的报警等。 PLC的I/O分配和功能如图1所示。
图1 I/0分配与功能图
2.2 变频器控制系统
本系统的传动轴转速由变频器控制。控制部分主要由PLC、变频器、光电接近开关组成。传动轴旋转部分采用日本SANKEN公司IF－7.5K变频器驱动变频电机。采用转速闭环矢量控制，调速范围0～2500r/min,调速精度<0.02%。PLC通过模拟量输出单元将0～6000的数字量信号转换成4～20mA电流信号给变频器作为频率输出设定。传动轴实际转速反馈信号由PG光电接近开关检测输出，其输出脉冲经PLC计算作为电机的速度负反馈信号。
根据生产工艺对系统运行时稳态精度及跟随能力的要求，变频器内部的PID调节器设定为比例积分调节方式，由PLC的速度给定值与由脉冲编码器检测的现场速度反馈值比较后，得到速度偏差，经比例积分控制器处理后，输出的二次电流信号作为频率输出，送矢量控制系统，控制电机运行。恒功率的分界点以及它们的频率范围内的P.I值，由现场负荷调试确定，已达到佳运行效果。
因为转角电机的频繁快速启停，制动时经常会产生很高的泵升电压，因所选变频器为交-直－交电压源时，泵开电压不能回馈电网，故采用制动单元并配以电阻加以吸收。当变频器直流电路升高到一定值（660VDC）时，制动单元中的IGBT管被触发导通，接通制动电阻回路，将转角电机的回馈电能消耗在制动电阻上，以满足快速停止的要求。
2.3 温度控制系统
试验箱内的温度调节范围为－60℃～150℃，具体值由操作员现场设定。系统加热时采用三个晶闸管控制的电加热管，合上主回路的操作开关，整个加热装置开始运行，未达到设定温度时，固态继电器SSR1吸合，1号加管加热，系统逐级开启2号，3号加热管。达到设定温度时，进入保温阶段，采用控制3号，2号加热器的输出通断来调功调温。使用控制箱风机来保证温度均匀变化。如果箱内温度达到高温界限，系统将会报警。
单级蒸汽压缩制冷所能达到的蒸发主要取决于冷凝温度及压力比，对于氟利昂制冷剂，一般压力不超过10，这样采用单级蒸汽压缩制冷循环，一般只能制取-20～-40℃的低温因此采用单级蒸汽压缩制冷循环将无法满足本系统制取-60℃低温的要求，在此情况下，决定采用两台低温压缩机组成的复叠式制冷系统，两级复叠制冷系统将级蒸发器与第二级冷凝器复叠在一起，使第二级低温制冷剂在－35℃左右冷凝，在－80℃左右蒸发，以获得系统所需要的低温。
图2 温度控制系统电路图
3、PLC控制系统的软件设计
为了方便调试和编程，整个软件系统采用模块化编程，主要由手动运行模块，自动运行模块和故障诊断和报警模块。在软件编制时，采用了一些抗干扰措施，增强了整个系统的抗干扰能力，在计算机上可以实现实时操作，控制并观察现场各设备的运行情况。
当系统处于手动运行时，PLC接收各设备状态，由此判断各设备的运行状态，可单独运转变频电机、加热器、制冷系统的压缩机。便于系统的调试和维修。
系统自动运行时，只须按照计算机屏幕提示，设置操作参数，，试验即完全自动进行下去，并在计算机屏幕上实时显示各设备参数。试验过程中或试验结束后，均可按照提示选择打印方式打印。以下重点介绍温度控制子程序。
由于系统采用三套晶闸管控制的电加热器。常用的控制方式有两种：一种是分段开关控制，根据温度的高低，逐级开启或关闭加热器。这种方法温度偏差大，精度较低。另一种是PWM脉宽调制，在PLC中实现PWM程序比较复杂。回路中的电加热器为满足温度恒定的需要，经常切换工作状态，而常规的电磁继电器开关触电易磨损，寿命短。所以对种方法进行改进。
由于系统是二阶系统，在系统温度下降时，增加加热管，温度由于惯性的原因，温度继续下降一段时间后再上升，同样减少加热管，温度会上升一段时间后再下降。我们将前后两次测量值进行比较，得到温度偏差e，系统根据e来控制加热器的状态转换。当e较大时，此时通过逐级打开加热器来调整温度。
启停切换顺序为：启动顺序：1＃ 2＃ 3＃；停止顺序：3＃ 2＃ 1＃；温度的变化值e: e=Ti－Ti－1。其中Ti ,Ti－1分别是本次温度采样值与前次温度采样值，并记试验箱温度允许上限为HSP，允许下线为LSP。PV为温度测量值。考虑到前后两个采样周期的变化温度e变化不大。当当前温度值PV＋前一个周期变化温度值e﹥温度设定上限HSP时，就减少加热管。反之，当PV+e﹤LSP时，就增加电加热管。程序框图如图3所示。
图3 温度控制流程图
电气系统已设计了各种保护，并直接作用至断电，其中包括：缺相保护、过载保护、旁路保护。 其中变频器具有短路、过载等保护功能，当变频器所驱动的电机发生短路、过载等故障时，变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号，系统把各故障点相应的接触器、短路器等元件的辅助触电接到PLC，PLC扫描输入这些触电的状态，并通过PLC程序将这些状态存放在数据存储区，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或元件是否出了问题。
4、结束语
可编程控制器（PLC）控制的汽车传动轴防尘罩高低温试验箱可以控制传动轴转动速度、调整其运行环境温度、实时监测试验箱内各种变量状态、灵活处理数据的通信，并将数据实时显示在计算机上，而且可以将所得的数据进行存储打印输出，以便后查。大大tigao了系统的效率。
4.2 软件编码和硬件译码，扩展输出点
在控制系统输出信号较多的情况下，可以通过PLC的内部程序对输出信号进行编码，然后通过硬件译码器进行译码，驱动负载工作，这可以大大的减少对输出点的占用。PLC的外部接线如图6所示，采用3线-8线译码器74LS138。此时，同样存在电平匹配的问题，即PLC的直流模块典型输出为＋24V，而信号电路的工作电压一般为＋5V，因此，有时同样需要增加信号电路以及功率放大电路以驱动负载工作。
图6 PLC接线图
下面以如何让Q2为1为例，说明PLC内部软件的编码方法。由74LS138的功能表可知，若要使输出Q2为1，应该使Y2输出为0;即对应的ABC应该为010，从而得到只要让PLC的Q0.0，Q0.1，Q0.2分别为0，1，0即可;对应的STL编码程序如下，其中M1.2为置位输出Q2的条件。
LD M1.2
S Q0.0, 1
R Q0.1, 1
S Q0.2, 1
这样，只需对Q0.0，Q0.1，Q0.2进行组合就可以实现对输出Q0～Q7分别置为1。本方法存在一个明显的缺点，即每一个扫描周期只能输出八种状态中的一种，若要同时置位输出Q0和Q1是不能实现的。
4.3 用N个输入点识别N×(N＋1)/2个输入信号
若我们将输入信号接成图7的形式，再配合以软件编程便可以实现用3个输入点识别3×(3＋1)/2＝6个输入信号。其基本思想是:当SB1按下时，PLC只检测到了I0.0为“1”，此时I0.1和I0.2的状态均为“0”，那么在程序里就将I0.0的常开触点和I0.1、I0.2的常闭触点相与来识别SB1的状态;若SB2按下时，I0.0和I0.1均为“1”，I0.2为“0”，此时识别程序应该为I0.0和I0.1的常开触点与上I0.2的常闭触点;其它点的情况类似，输入信号SB1和SB2的STL识别程序如下，其中，M2.1、M2.2的状态就代表了信号SB1、SB2的状态。
LD I0.0
AN I0.1
AN I0.2
= M2.1 //信号SB1的识别
LDN I0.0
A I0.1
A I0.2
= M2.2 //信号SB2的识别
需要指出：这种方法不能识别2个及2个以上的信号同时为1的情况，如SB1和SB3同时接通，程序会把它当成SB2接通的情况识别。图7中二极管的作用是为了隔断寄生电流形成通路。其实，用3个输入点多可以7个信号的识别，如果在图7中再加一个SB7，用3个二极管连到I0.0、I0.1、I0.2上，则可以通过将3个点的常开触点相与来识别SB7，但这样过于繁琐，因此一般不采用。
图7 硬件接线图
4.4 用输入/输出口组成矩阵式键盘
若控制系统需要设计键盘，常规的思路是每个按键接一个输入口。然而，当键数增加时，极为浪费输入点，因此仿照微机系统中制作矩阵式键盘的思路，在PLC系统中利用I/O点组成矩阵式键盘，如图8所示为3×3键盘结构图。编程思路:首先，判断整个键盘上有无键按下，方法是将行全输出为1，然后读入列的状态，如果列读入的状态全为0，则无键按下，不全为0则有键按下;其次，逐列扫描，方法是依次将行线送1，检查对应列线的状态，若列线全为0，则按键不在此行;若不全为0，则按键必在此行，且是与1电平列线相交的那个键。由此可见，对应的软件编程比较复杂，但是在有些小型的控制系统中可以避免增加操作屏或触摸屏，从而tigao系统性价比。若需要详细的硬件设计图和软件程序可与作者联系。
图8 3×3键盘结构图
5、结束语
本文从硬件设计、软件编程以及硬件软件结合三个方面探讨了扩展PLC I/O点的方法。在具体应用时，还需考虑每种扩展方法的一些优缺点以及抗干扰能力等问题。若能合理的利用这些方法，必能有效的节省PLC的I/O点数，降低系统成本，提供性价比，更为充分的发挥PLC的优势。
3、软件编程I/O点扩展方法
软件扩展的基本思想是一点两用或轮序复用。即当按钮初次按下时，输出要求为高;当按钮再次按下时，输出要求为低;再按下时又为高，依此类推。这样就可以节省一个输入点，当系统有较多开关量控制时可节省较多输入点，如主机ON和主机OFF，纸料座上和纸料座下，都可以只用一个输入点来控制。实现“一点两用”的编程方法较多，如利用内部辅助继电器、定时器、计数器、移位指令等，本文仅介绍几种简便方法。
3.1 利用边沿检测、输出指令
若按钮SB连到I0.0上，输出控制Q0.0，利用边沿检测和输出指令实现“一点两用”，用STEP7 V5.3编制的STL程序如下。
A I0.0
FP M0.0
= M0.1
A M0.1
A Q0.0
= M0.2
A(
O M0.1
O Q0.0
)
AN M0.2
= Q0.0
程序说明:当第1次按下按钮SB时，I0.0的常开触点闭合，在RLO边沿检测指令FP的作用下，辅助继电器M0.1接通一个扫描周期，从而输出继电器Q0.0的线圈得电，且Q0.0构成自锁(保持)电路，同时Q0.0另一对常开触点闭合，为M0.2接通做准备;当第2次按下按钮SB时，在FP指令的作用下，M0.1的常开触点接通M0.2的线圈回路，M0.2的常闭触点切断了PLC的输出，从而实现一点两用。
3.2 利用边沿检测、跳转指令
若利用边沿检测和跳转指令，实现起来较为简便，其STL程序如下。
A I0.0
FP M0.0
JNB OUT
AN Q0.0
= Q0.0
OUT: NOP0
程序说明:第4、5个语句的功能是实现Q0.0的自取反，但若没有前面的跳转指令，则程序每个扫描周期都会将Q0.0的状态取反一次;第1、2句的作用是限定只有当I0.0的上升沿到时取反一次，否则跳出取反程序段，从而实现一点两用。
3.3 利用边沿检测、异或指令
若利用边沿检测和异或指令实现起来更为简便，程序如下。
A I 0.0
FP M0.0
X Q0.0
= Q0.0
程序说明:当第1次检测到I0.0的上升沿，此时Q0.0为0，所以异或后输出Q0.0为1，第2个扫描周期来时，已经不是I0.0的上升沿了，因此为0，然而此时Q0.0确为1，所以异或后保持结果仍为1;第2次检测到上升沿时，Q0.0为1，异或后输出Q0.0的结果为0，等到下一个扫描周期到时，已经不是上升沿了，而此时Q0.0还是为0，因此异或保持输出仍为0。
4、硬件和软件结合I/O点扩展方法
4.1 硬件编码和软件译码，扩展输入点
在控制系统输入信号较多的情况下，可以利用编码器对输入信号编码，然后引到PLC的输入端，再通过PLC内部程序配合进行译码，对各个输入信号加以识别，可以大大减少对输入点的占用。PLC的外部接线如图5所示。由于普通编码器在有多个信号同时输入时会出现乱码，故可采用8线-3线优先编码器74LS148，设定好信号的优先权，有时还要将编码器的选通输出端和扩展端也接入PLC中，配合程序减少误判断。另外，还要注意的是电平的匹配问题(信号电路的＋5V和PLC的＋24V之间)以及PLC的输入口对信号识别所要求的技术规范(驱动电流和电压能识别的范围)，有时还需增加适当的信号放大和隔离电路。
图5 硬件编码接线图
下面以按钮SB2按下为例，说明PLC内部软件译码的程序识别方法。由74LS148的功能表可知，该芯片低电平有效，因此图5中用3个非门将输出电平转换成正逻辑。若SB2按下，无论SB0和SB1是否按下，但SB3～SB7均未按下;此时，ABC的输出为101，经过非门后I0.0，I0.1，I0.2的状态分别为0，1，0;对应的STL译码程序如下。
LDN I0.0
A I0.1
AN I0.2
= M0.2
这样，笔者在程序里用M0.2的常开触点代替了按钮SB2。即当按钮SB2按下，M0.2为1;SB2弹起，M0.2又为0，从而实现了软件译码的功能。另外需要指出，该方法在PLC的每一个扫描周期只能读入8个输入中的一个输入状态，若有2个以上开关闭合，PLC只能检测出优先权高的那个信号。
