汽车传动轴PLC控制系统设计与实现

1、个人资料整理仅限学习使用汽车传动轴 PLC 控制系统的设计与实现2007-9-27 12:43:00 来源：中国自动化网前言 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1，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实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 /分下保持其优秀的断裂延

2、展特性，在 60 150下，能通过 1 6 千万次循环实验。在此情况下，我们受委托对汽车传动轴防尘罩高低温实验箱进行改造，以工控机为人机接口，采用PLC 程序控制系统。1 / 6个人资料整理仅限学习使用1 系统功能分析传动轴防尘罩温度实验的基本要求是：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<最多为 4 组）循环一定次数构成一个测试阶段。测试过程最多可设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实验箱内温度<-60 150）、传动轴转速<01500rpm ）、固定角及滑动角角度、测试时间<1 60000 分）及阶段

3、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。2 / 6个人资料整理仅限学习使用根据测试要求，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，调试和实验等；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

4、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

5、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。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

6、，调速范围02500r/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

7、荷调试确定，已达到最佳运行效果。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3 / 6个人资料整理仅限学习使用停止的要求。2.3 温度控制系统 实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

8、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。2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第一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，

9、以获得系统所需要的低温。33 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。4 / 6个人资料整理仅限学习使用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，实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。实验过程中或实验结束后，均可

10、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。所以对第一种方法进行改进4。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

11、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，并记实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。程序框图如图三所示。5 / 6个人资料整理仅限学习使用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