摘要：本文介紹了PLC和變頻器在汽車傳動(dòng)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(jì)思想。提出了一種易于在PLC中實(shí)現(xiàn)的適用于被控對(duì)象為二階慣性環(huán)節(jié)溫度預(yù)測(cè)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(dòng)軸防塵罩、PLC控制、變頻調(diào)速、預(yù)測(cè)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(chǎng)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(dòng)軸防塵罩的檢測(cè)為背景，著重討論一種基于PLC控制的模擬汽車傳動(dòng)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(dòng)軸防塵罩的作用是防止灰塵、雜質(zhì)等進(jìn)入前輪傳動(dòng)軸的連接處，同時(shí)也防止高溫潤(rùn)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(guò)1～6千萬(wàn)次循環(huán)試驗(yàn)。在此情況下，我們受委托對(duì)汽車傳動(dòng)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(dòng)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(shí)間。交替設(shè)定溫度、轉(zhuǎn)速及時(shí)間（最多為4組）循環(huán)一定次數(shù)構(gòu)成一個(gè)測(cè)試階段。測(cè)試過(guò)程最多可設(shè)4個(gè)階段，每個(gè)測(cè)試階段的循環(huán)次數(shù)由測(cè)試員現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)軸轉(zhuǎn)速（0～1500rpm）、固定角及滑動(dòng)角角度、測(cè)試時(shí)間（1～60000分）及階段循環(huán)次數(shù)。測(cè)試過(guò)程要求調(diào)整固定角及滑動(dòng)角的角度、啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)使溫度逐步達(dá)到設(shè)定值、使傳動(dòng)軸在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行規(guī)定的時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)定不同的條件交替測(cè)試，循環(huán)一定周期。
根據(jù)測(cè)試要求，系統(tǒng)應(yīng)具有手動(dòng)，自動(dòng)操作功能。手動(dòng)操作時(shí)，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(dòng)操作時(shí)，測(cè)試裝置自動(dòng)完成整個(gè)測(cè)試過(guò)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(shí)候都可以強(qiáng)行停止測(cè)試。若測(cè)試過(guò)程因故障原因終止，需要記錄故障原因及測(cè)試進(jìn)展?fàn)顩r。
2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)人機(jī)界面部分采用臺(tái)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(guò)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(duì)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(dòng)傳動(dòng)軸電機(jī)，使傳動(dòng)軸保持一定的轉(zhuǎn)速。溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫度測(cè)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(gè)電加熱管組成，制冷系統(tǒng)由兩級(jí)壓縮機(jī)組成，其通斷由PLC控制。
為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)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(kāi)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(hào)，模擬量輸出單元控制變頻器輸出頻率，實(shí)時(shí)檢測(cè)全部模擬信號(hào)，進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換，并與設(shè)定的上下值比較，開(kāi)關(guān)量單元用于控制電機(jī)的啟停，故障的報(bào)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(dòng)軸轉(zhuǎn)速由變頻器控制?？刂撇糠种饕蒔LC、變頻器、光電接近開(kāi)關(guān)組成。傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)部分采用日本SANKEN公司IF－7.5K變頻器驅(qū)動(dòng)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(guò)模擬量輸出單元將0～6000的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)給變頻器作為頻率輸出設(shè)定。傳動(dòng)軸實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)由PG光電接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)輸出，其輸出脈沖經(jīng)PLC計(jì)算作為電機(jī)的速度負(fù)反饋信號(hào)。
根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(cè)的現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(chǎng)負(fù)荷調(diào)試確定，已達(dá)到最佳運(yùn)行效果。
