基于PLC高速IO口模拟信号的测量与控制

1、基于plc高速i/o口模拟信号的测量与控制 hongtao ma, xiaojun wang, fenping zhoucollege of information science & engineeringhebei university of science & technology shijiazhuang,chinamiracle, ma-hongtao摘 要频率信号是从外部v/f转换器的电压信号得到的，然后被发送到plc的高速计数器。作为主机，西门子s7-200系列plc的cpu222被使用。通过plc编程，高速i/o通道测量出输入电压。高速数字脉冲由plc的pwm脉冲发生器产生的脉

2、冲周期的数字转化为电压幅度可调后外部rc低通滤波电路过滤器，以实现输出模拟控制信号。该方法通过更换昂贵的模拟i/o模块来减少测量和控制系统的费用。给出外围电路的设计和plc程序。通过分析和比较数据，发现该系统可以实现 0.1的准确度。 关键词： plc，高速i/o口，a/d一、 介 绍可编程控制器具有可靠性高，编程简单易学，使用方便，体积小的优点。它可以实现顺序逻辑控制和模拟自动控制按照工艺要求，因此它被广泛应用于工业领域，也作出了良好的控制效果。在某些由plc控制的系统中，通常会遇到测量模拟电压信号。在这种情况下，plc的模拟扩展用以进行一些转换工作。但这些模块的价格接近于中小型plc的价格

3、，而且只提供少量的输入口。此外，更多的一个模块被连接为了实际应用的需要，这样使其成本上升从而降低性价比。1-8基于西门子s7-200系列plc的cpu222，使用plc的高速数字i/o通道与低成本的外接v/f转换器将电压信号转换成频率信号，然后发送到plc的高速计数器。通过plc编程，实现输入电压测量。利用plc的高速pwm脉冲发生器产生具有可变占空比的数字脉冲。通过外部rc低通滤波电路，可以得到变幅电压。这个方法在没有特别昂贵的模拟i/o模块完成了测量和控制，从而降低了系统的成本。二、 电路设计a模拟输入电路 cpu222主机只能接受数字输入信号，作者设计的外部v/f转换器用于把0-10v电

4、压信号转换为0-10khz的频率信号。v/f转换器采用美国ns公司的lm331集成电路。lm331的主要特点包括：（1）宽动态范围，高达100db；（2）良好的线性关系，最大非线性是真小于0.01%，实质具有更好的低频率0.1hz的线性；（3）高精度转换，数字分辨率可达12位；（4）简单的外围电路，仅需少量的外部组件，轻松地确保其准确性。采用v/f转换电路如图1所示。该电路可实现对10hz到10khz的范围， 0.03的线性度。图 1 v/f 转换器电路该电路输出频率计算公式如下：rs=r4+rp1。根据图1中的原件参数来调节电位计rp1，因此通过改变rs的值来使fout的值上升到10khz。

5、lm331实现输出频率信号送入plc的高速计数器端口。计时器也开始在开始计算时间，使输出频率f =的d / t，其中d表示计数器的值和t表示计数时间。 t可能会设定计时器了，所以价值f可以能够计算出，如果我们知道d的plc的处理和储存的价值函数f，使一个a / d转换实施。 b输入电压的测量方法 s7-200系列plc有hsc0-hsc5 6个高数计数器。每个计数器可以在不同的模式下执行来实现不同的功能。在本文中的v/f转换器的输出频率为0-10khz，对应输入电压为0-10v，也就是说，比例为1mv/hz。首先，高速计数器的控制位mb47是由16进制的fc来实现的。这就是说：升序计数，更新现

6、值，更新当前值，激活hsc1。然后计数器hsc1定为运行模式0使用hdef指令，即复位输入，开始投入的方向和选择外部输入不存在的。复位电流值寄存器smd48值是0，预设值寄存器smd52与ffffh设置。注册smb34的时间间隔是100毫秒的中断设置。定时器中断分配给中断0，并允许中断。最后hsc1是开始数的指令。中断服务例程调用0去读每100毫秒计数器hsc1计数的值，然后清除它。输入电压可以根据转换关系，通过hsc1的值来计算。这里一个010khz时的v / f转换器采用，因此，在100ms的时间，1000门脉冲可以累积最多。它相当于1000h10 = 10000脉冲可在一秒钟内积累，相当

7、于实际10v的输入电压。假定计算值200 100ms的大门，那么它的实际电压为2v。这样这是10v/1000 = 0.01v = 10mv的分辨率可收购。一组由plc高速计数器来记录v/f转换器的脉冲数的实验结果数据在表1中。表1. 每100ms记录v/f脉冲实验结果从实验结果可以看到这种方法可以达到10mv的分辨率和0.1%的全误差。plc的定时中断间隔是可变的范围内，5255ms。这样的时间间隔延长，使门的时间延长，电压测量结果会更精确，测量速度将放慢，但在同一时间下降。如果门的时间定为200ms的，然后测量分辨率可达5mv，对完全错误可以达到 0.05c模拟输出电路模拟输出电路如图2所示

8、，它是由plc的+24 v电源供应。24vp-p的pwm信号由主机cpu222 q0.0端口输出，通过u1a和u1b整形后被r1和r2按比例减低。高精度pwm信号由u1b输出，由r6和c9低通滤波。最后，u2提供直流电压与pwm信号。rc时间常数直接输出电压的纹波振幅的影响。 rc值较大，较小的纹波电压。但使用过大的rc值不可取的，因为它会增加输出电压的相应时间。d输出电压的控制方法s7 - 200系列plc的有2个发电机输出高速脉冲序列，它可以执行期间变量，宽度可调的pwm波形。二产出分别致力于q0.0和q0.1。 pwm周期的设置范围是在265535，pwm脉冲宽度的设置范围为065535

9、。时间是1微秒的pwm基地或1毫秒。本文q0.0是选择输出的pwm脉宽调制signal.period设置为5000，脉冲的pwm宽度范围为05000。时间1微秒的基础是通过的时间是5000的pwm微妙（5毫秒），从0占空比变化到100。的pwm分辨率为1 / 5000，相当于12位a / d转换器。直流输出电压表二所列的情况时，被选中的pwm周期是5毫秒，对rc滤波器时间常数25毫秒和pwm在不同的占空比。从表二中，我们可以看到，虽然理论上的分辨率可以达到1 / 5000，即是为2mv，相当于0.02满量程，其实也有大约f10mv错误，f0.1完全错误。这是只相当于10位d / a转换器的精度

10、。在实验中，改变时间常数rc滤波器，纹波电压是根据不同的工作周期示波器测量。测量结果列于表三。可以看出，从表三说明，纹波电压较大时，只有一个阶段是用rc滤波器。为了减少这种纹波电压，多级rc滤波器可以引进。表二 不同占空比的pwm输出电压表三 纹波电压和rc时间常数的关系和工作循环三、结 论在此，提出了一种简单的v / f转换电路转换成010v的电压为010khz的频率。的频率信号，然后传送到高速plc的数字输入。通过测量输入电压的plc编程，能达到 0.1测量精度。可编程控制器的pwm能力与外部rc滤波器实现010v输出电压，达到 0.1accuracy.on没有要求的精度高之际，该解决方案

11、实现的测量和模拟控制无昂贵的plc的模拟量i / o模块，这大大降低了系统成本。参 考 文 献1 henning dierks. plc-automata: a new class of implementable real-time automate. theotetical computer science, 2009, 253:61-93.2 david g. johnson. programmable controllers for factory automation. new york and basel: marcel dekker inc,20103 can saygin, f

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