何軍林

摘 要：對計算機控制系統(tǒng)中電動執(zhí)行器控制展開優(yōu)化探究，分析傳統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)合伺服放大器存在的問題，提出了消除中間環(huán)節(jié)，直接通過PLC控制電動執(zhí)行器的方法，通過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)控制精度顯著提升。

關(guān)鍵詞：電動執(zhí)行器；PLC開關(guān)量；自動控制

當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中，電動執(zhí)行機構(gòu)是驅(qū)動和控制水、氣、油等各種流體閥門的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金和電力等領(lǐng)域中，隨著現(xiàn)代化工業(yè)對電動執(zhí)行機構(gòu)要求的提高，傳統(tǒng)的控制方式為模擬信號與伺服放大器配套控制電動執(zhí)行器，在功能和使用上的缺點暴露得越來越明顯。

本文主要介紹使用西門子S7200系列可編程控制器對電動執(zhí)行機構(gòu)進行改造，PLC可根據(jù)上位機傳來的數(shù)字信號或者4～20mA的模擬控制信號，直接操作改變執(zhí)行機構(gòu)的開度，利用微機技術(shù)和現(xiàn)場通信技術(shù)擴大功能，實現(xiàn)在線自動標(biāo)定、手自動切換、實時監(jiān)控等多種控制技術(shù)要求的功能，有效提高控制水平。

1 問題提出

以往計算機控制系統(tǒng)輸出主要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，將輸出數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再配合放大器對電動執(zhí)行器進行控制，實際運用過程中，如果執(zhí)行器反饋斷路，執(zhí)行機構(gòu)一直正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，直到全開或全關(guān)，容易將執(zhí)行機構(gòu)燒壞，或拉壞執(zhí)行器相連的閥門與風(fēng)門。此外，如果伺服放大器調(diào)整出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致放大器輸出發(fā)生震蕩，造成執(zhí)行器反復(fù)開關(guān)動作，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞。

對此，探究問題：是否可以滿足信號傳輸過程中，不經(jīng)過伺服放大器，而是直接經(jīng)由PLC控制器輸出開關(guān)量信號，進而控制電動執(zhí)行器，且確保執(zhí)行器的正常動作，即節(jié)省投資，又能滿足控制和工藝要求。

2 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)主要由控制器和執(zhí)行器組成，執(zhí)行機構(gòu)的控制器采用西門子S7200可編程控制器為核心，配以相應(yīng)的外圍電路。明顯簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了控制精度。執(zhí)行器由電機和位置傳感器構(gòu)成，執(zhí)行機構(gòu)的正反轉(zhuǎn)向是通過改變電機的正反轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的?？刂破鹘邮諄碜钥刂浦行牡腄C20mA的電信號，該模擬信號接入PLC的模擬量模塊，給定信號與反饋信號比較，由PLC判斷處理，以確定執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止，再將執(zhí)行機構(gòu)實際開度傳回控制中心。閥門實際開度和主軸旋轉(zhuǎn)方向由接近開關(guān)通過安全柵傳回PLC，以便監(jiān)視閥門運行狀態(tài)。

直接去掉伺服放大器，采用PLC控制系統(tǒng)，控制電動執(zhí)行器。以開關(guān)量輸出和反饋信號，結(jié)合編程，利用成本較低的開關(guān)代量輸出代替昂貴的模擬量輸出，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，還能夠節(jié)省成本。

3 控制器硬件

考慮開關(guān)量輸入輸出的數(shù)量，模擬量輸入精度及連鎖等各方面情況，選用酉門子S7200系列可編程控制器，CPU型號為CPU222。這種PLC小型、緊湊，可以直接裝在電氣常用的35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上，本機帶有8個輸入點和6個輸出點，還可擴展2個模塊，包括模擬量模塊；機內(nèi)有256個內(nèi)部繼電器，256個定時器/計數(shù)器，足夠編程人員使用；內(nèi)置24V直流電源；指令執(zhí)行速度快，每條指令執(zhí)行時間為0.378us，編程可用手持編程器，方便現(xiàn)場調(diào)試，也可以用個人PC，方便在研制場所編制程序及歸檔義件和打印輸出。

模擬量單元采用E M 235組合模塊，此模塊有4路模擬量輸入，2路模擬量輸出。主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：輸入類型為差分輸入；輸入電流為0～20mA；數(shù)模轉(zhuǎn)換時間小于250us ；量程范圍為0～32000；A/D轉(zhuǎn)換精度為12位；電流輸出穩(wěn)定時間為2ms。

PLC配置為：主機：6ES72121AB20OXB0；模擬量組合模塊：6ES7235OKD20OXAO。

4 軟件編程

執(zhí)行機構(gòu)的控制分為手動控制和自動控制兩種方式，用戶可根據(jù)實際操作的需要選擇相應(yīng)的工作方式。手動方式下，分別有正傳、反轉(zhuǎn)停止三個按鈕，用戶可以讓閥執(zhí)行機構(gòu)正、反轉(zhuǎn)并停止在任意位置；自動方式下，由上位機給出4～20mA的模擬量信號，PLC根據(jù)模擬信號和反饋信號，確定執(zhí)行機構(gòu)開度。

輸入與輸出：執(zhí)行器位置反饋信號采用原始的相關(guān)反饋模塊。通過PLC控制器的應(yīng)用，對輸入通道進行模擬，結(jié)合信號類型對模板跳線做出調(diào)整。由于位置反饋信號是執(zhí)行器動作的主要依據(jù)，因此輸入通道初始化的過程中，應(yīng)當(dāng)剪短采樣時間，減少平均次數(shù)，提高反應(yīng)靈敏度，縮小控制死區(qū)的范圍，進而提高控制精度。開關(guān)量輸出通道最大允許電流為2A，根據(jù)實際情況，鑒于風(fēng)門故障狀況比較常見，經(jīng)?？ㄋ缹?dǎo)致執(zhí)行器堵轉(zhuǎn)，應(yīng)當(dāng)加設(shè)兩個接觸器，開關(guān)量輸出驅(qū)動接觸器，電流就會很小，不易出現(xiàn)損壞，能夠起到放大隔離效果。

程序：執(zhí)行器控制程序主要有三個部分：信號的采樣與處理，以及特殊情況判定。其中對信號的采樣，主要結(jié)合反饋信號進行通道設(shè)置，對采樣方式與時間，以及信號存放地址等進行初始化。信號的處理則主要根據(jù)位置偏差值，來控制執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動，在停電情況下，電機會發(fā)生慣性滯后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況設(shè)置死區(qū)，控制偏差值。對于特殊情況的處理，設(shè)置手動與自動兩種方式，可以自動判斷位置反饋信號的正確性，執(zhí)行器停止，通過人工控制及時處理故障。

5 應(yīng)用成效

通過對控制系統(tǒng)的優(yōu)化，將PLC開關(guān)量輸出直接控制執(zhí)行器的方案投入到企業(yè)某監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)項目中。該控制系統(tǒng)中有5臺電動執(zhí)行器，用來調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，風(fēng)門開度直接控制熟料引風(fēng)量大小，對于熟料燃燒具有影響，即對燒成品質(zhì)量有很大影響。所以該項目通過創(chuàng)建PLC開關(guān)量輸出直接控制執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，來保證風(fēng)門動作的靈敏可靠與準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)故障問題造成風(fēng)門過開或者閉死。具體應(yīng)用于一臺執(zhí)行器需要占用1個模擬量輸入通道，來采集執(zhí)行器位置反饋信號，以及兩個開關(guān)量輸出通道，用于控制執(zhí)行器電機反轉(zhuǎn)信號。

6 結(jié)語

綜合全文，通過對傳統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換器、放大器控制系統(tǒng)的優(yōu)化，直接通過PLC控制執(zhí)行器，有效降低故障率，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，節(jié)省模擬量輸出成本費用，且PLC程序控制具有靈活特性，能夠提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

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