杭小宇，周建華，宰廣旭，周海濤

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225009)

0 前言

旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈俗稱油封，它是一種高技術(shù)含量的精密橡膠零件，它通過柔性橡膠密封唇與軸的接觸來防止軸承潤滑油的泄漏。油封旋轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)機(jī)是適用于各種回轉(zhuǎn)式油封進(jìn)行密封性能的試驗(yàn)和研究工作。

在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，常需要用閉環(huán)控制方式來實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量等模擬量控制。PLC作為一種新型的工業(yè)控制裝置，在科研、生產(chǎn)、社會生活的諸多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。利用PLC實(shí)現(xiàn)對模擬量PID的閉環(huán)控制，具有用戶使用方便、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

PID控制器是應(yīng)用最廣的閉環(huán)控制器，在工業(yè)控制領(lǐng)域占有重要的地位。PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計(jì)簡單，計(jì)算工作量小，各參數(shù)有明確的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路控制、串級控制等復(fù)雜的控制。

1 油封旋轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)機(jī)

油封結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、密封可靠，應(yīng)用范圍很廣，凡有旋轉(zhuǎn)軸的部位基本都離不開油封。特別是近二三十年來，由于機(jī)械制造、車輛、航空、航天等工業(yè)的飛速發(fā)展，對油封提出了耐高低溫、耐高壓、耐特殊介質(zhì)，適應(yīng)高速、震動和延長使用壽命等一系列苛刻的要求，從而促進(jìn)了對油封材料、結(jié)構(gòu)、性能試驗(yàn)、質(zhì)量控制手段和密封機(jī)理等廣泛深入的研究。試驗(yàn)機(jī)的性能對工業(yè)和材料科學(xué)的發(fā)展有重要影響。油封性能試驗(yàn)機(jī)的性能主要取決于試驗(yàn)機(jī)本體和其所使用的控制系統(tǒng)。本文正是應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)對油封旋轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度控制。

油封旋轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)性可以達(dá)到以下效果：

1)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍：100～8 000r/min，相對誤差：±0.5%;

2)試驗(yàn)溫度控制范圍：0℃ ～200℃，控制誤差：±1℃。

2 系統(tǒng)控制原理

試驗(yàn)設(shè)備控制方案主要包括四部分：輸出設(shè)備、西門子S7－200控制模塊、EM231模擬量控制模塊和數(shù)據(jù)測量模塊。

輸出設(shè)備包括顯示器、鍵盤/鼠標(biāo)和U盤，主要用于實(shí)驗(yàn)參數(shù)顯示、保存等。

控制系統(tǒng)采用S7－200PLC作為控制核心的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)算速度快、可移植性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)和硬件資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。與油封試驗(yàn)機(jī)的性能要求不謀而合。

EM231模擬量控制模塊主要采用多功能數(shù)據(jù)采集卡和工業(yè)數(shù)字I/O卡。完成速度和溫度信號的采集、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號的輸出和加熱器工作時(shí)間的控制。

數(shù)據(jù)測量模塊主要采用轉(zhuǎn)速傳感器和溫度傳感器，對電機(jī)的轉(zhuǎn)速和液壓油的溫度進(jìn)行測量。

整個(gè)系統(tǒng)的控制參數(shù)主要有電機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓油的溫度。

3 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

3.1 HSC(高速計(jì)數(shù)器)脈沖信號采集

首先由速度傳感器測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，速度傳感器與多功能數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入通道相連，并通過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，將數(shù)字信號送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過高速計(jì)數(shù)機(jī)功能(HSC)，通過控制多功能數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸出通道的輸出量來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

SIMATIC S7－200系列PLC設(shè)計(jì)了高速計(jì)數(shù)功能(HSC)，其計(jì)數(shù)器自動進(jìn)行不受掃描周期的影響，最高計(jì)數(shù)頻率取決于CPU的類型，SIMATIC S7－200 CPU22x系列PLC最高計(jì)數(shù)頻率為30 kHz，CPU224XP CN最高計(jì)數(shù)頻率為230 kHz，用于捕捉比CPU掃描速度更快的事件，并且產(chǎn)生中斷，執(zhí)行中斷程序，完成預(yù)定的操作。高速計(jì)數(shù)器最多可設(shè)置12種不同的操作模式。用高速計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動的精確控制。

試驗(yàn)機(jī)使用的是S7－200 CPU224PLC，有6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，其中占用的輸入端子見表1。

表1 高速計(jì)數(shù)器使用端子參數(shù)

在試驗(yàn)機(jī)速度PLC程序設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)步驟如下：

1)選擇高速計(jì)數(shù)器HSC1，并確定工作模式為1。用SM0.1對高速器進(jìn)行初始化。

2)令SMB47=16#F8，其功能為：計(jì)數(shù)方向?yàn)樵觯试S更新技術(shù)方向，允許寫入新初始值，允許寫入新與設(shè)置值，允許執(zhí)行HSC指令。

3)執(zhí)行HDEF指令，輸入端HSC為1，MODE為0。

4)寫入初始值，令SMD48=0，SMD52=0。

5)執(zhí)行HSC指令，對高速計(jì)數(shù)器編程。程序所示：

3.2 試驗(yàn)機(jī)速度的數(shù)據(jù)運(yùn)算與調(diào)節(jié)

通過特殊標(biāo)識指令SM0.0激活定時(shí)器 T33，當(dāng)HSC脈沖計(jì)數(shù)之后將HC1計(jì)數(shù)脈沖數(shù)(雙字節(jié))傳送至指定地址VD1000，通過雙整數(shù)轉(zhuǎn)為實(shí)數(shù)至VD1044，然后在通過實(shí)數(shù)相乘指令乘以比例系數(shù)10.016 69存放至VD1048，然后取整至VD1052，然后算整數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)至VW46，在對脈沖計(jì)數(shù)HC1進(jìn)行字節(jié)處理之前加入比較指令(整數(shù)大于等于)對T33進(jìn)行比較，當(dāng)定時(shí)器T33過5.99 s時(shí)，程序執(zhí)行，HC1輸入計(jì)數(shù)脈沖，使得計(jì)時(shí)器6 s刷新一次，為下面的速度的線性控制做準(zhǔn)備。其STL語句表如下：

綜上所示，通過S7－200計(jì)數(shù)器的HSC指令得到試驗(yàn)機(jī)電機(jī)實(shí)際脈沖值，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際整數(shù)值并存入VW46。

VW46地址里的實(shí)際整數(shù)值與人為設(shè)定的參數(shù)(轉(zhuǎn)速)進(jìn)行比較，其必然有誤差，通過其程序內(nèi)設(shè)定的數(shù)據(jù)算法進(jìn)行比較與線性調(diào)節(jié)，對速度進(jìn)行控制，由于篇幅有限，在此就不詳細(xì)介紹。

4 液壓油溫度控制

液壓油的溫度控制主要是通過對加熱器是否加熱、加熱時(shí)間長短的控制來控制油液溫度。首先通過溫度傳感器測量液壓油溫度，同樣溫度傳感器與多功能數(shù)據(jù)采集卡的另一模擬量輸入通道相連，并通過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，數(shù)字信號送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過溫度PID控制模塊，通過工業(yè)數(shù)字I/O卡輸出控制信號，控制加熱器工作，如果采集到的溫度信號低于規(guī)定溫度，制電熱絲進(jìn)行加熱來控制油溫;如果采集到的溫度信號高于或等于規(guī)定溫度，則加熱器停止工作。

利用PID控制的實(shí)現(xiàn)。在模擬量的控制中，經(jīng)常用到PID運(yùn)算來執(zhí)行PID回路的功能，PID回路指令使這一任務(wù)的編程和實(shí)現(xiàn)變得非常容易。

S7－200的PID回路沒有內(nèi)置模式控制。只有但與模擬量模塊接通時(shí)，才能執(zhí)行PID運(yùn)算，從這種意義上說，PID運(yùn)算存在一種“自動”運(yùn)行方式。當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行時(shí)，我們稱之為“手動”模式。同計(jì)數(shù)器指令相似，PID指令有一個(gè)使能位。當(dāng)該使能位檢測到一個(gè)信號的正跳變(從0到1)時(shí)，PID指令執(zhí)行一系列的動作，使PID指令從手動方式無擾無動地切換到自動方式。為了達(dá)到無擾動切換，在轉(zhuǎn)變到自動控制前，必須把手動方式下的輸出值填入回路表中的Mn欄。PID指令對回路表中的值進(jìn)行下列動作，以保證當(dāng)使能位正跳變出現(xiàn)時(shí)，從手動方式無擾動切換到自動方式：置設(shè)定值(SPn)=過程變量(PVn)，設(shè)過程變量前置(PVn－1)=過程變量(PVn)，置積分項(xiàng)前值(MX)=輸出值(Mn)。

PID使能位的默認(rèn)值是1，在CPU啟動或從STOP方式到RUN方式時(shí)建立。CPU進(jìn)入RUN方式后首次使PID塊有效，沒有檢測使能位的正跳變，那么就沒有無擾動切換的動作。

4.1 回路輸入量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化

液壓油溫度控制回路的給定值和過程變量都是實(shí)際數(shù)值，其大小、范圍和工程單位可能不同。在PLC進(jìn)行PID控制之前，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化浮點(diǎn)表示法。步驟如下：

1)將回路輸入值從16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位浮點(diǎn)數(shù)或?qū)崝?shù)。下列指令說明如何設(shè)置整數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)。

2)將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成0.0－1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。用下式：

實(shí)際數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值=實(shí)際數(shù)值的非標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值或原始實(shí)數(shù)/取值范圍+偏移量

其中取值范圍=最大可能數(shù)值－最小可能數(shù)值=32 000(單極數(shù)值)或64 000(雙極數(shù)值);偏移量：對單極數(shù)值取0.0，對雙極數(shù)值(間距為64 000)標(biāo)準(zhǔn)化，如下所示：

4.2 PID回路輸出轉(zhuǎn)換成為比例的整數(shù)

程序執(zhí)行后，PID回路輸出0.0－1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)數(shù)值，必須被轉(zhuǎn)換成16位成比例整數(shù)值，才能驅(qū)動模擬輸出。

PID回路輸出成比例實(shí)數(shù)數(shù)值=(PID回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值－偏移量)×取值范圍，程序如下：

5 結(jié)語

通過試驗(yàn)，油封旋轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)性能可以達(dá)到：1)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍：100～8 000 r/min，相對誤差：±0.5%;2)試驗(yàn)溫度控制范圍：0℃ ～200℃，控制誤差：±1℃。采用PLC提供的PID控制功能對油封旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，可以提高控制精度，同時(shí)也研究出了一個(gè)適用于油封旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的油溫控制方法。

［1］豈興明.PLC與變頻器快速入門與實(shí)踐［M］.北京：北京人民郵電出版社，2006.

［2］陳忠華.可編程程序控制器與工業(yè)現(xiàn)場總線［M］.北京：機(jī)械工程出版社，2007.