PLC在气动测量控制系统的应用

张万军，张 峰，张景轩，张景怡，张景妍

（1.泉州信息工程学院，泉州 362000；2.西安交通大学 机械工程学院，西安 7410049；3.兰州工业化设备有限公司，兰州 730050）

PLC在气动测量控制系统的应用

张万军1,2,3，张 峰3，张景轩3，张景怡2，张景妍3

（1.泉州信息工程学院，泉州 362000；2.西安交通大学 机械工程学院，西安 7410049；3.兰州工业化设备有限公司，兰州 730050）

针对传统气动测量控制系统结构复杂、适用性不强等问题，为此，给出气动测量PLC和变频器控制的一种方法。首先在简要介绍气动测量控制的基础上，建立PLC和变频器控制系统，其次通过PLC控制实现对气动测量的控制，最后采用变频调速的方法动态检测脉冲编码器计数和采集数据的信息。应用PLC技术建立了自动控制系统，在实际应用中切实可行并取得显著成效。实验表明，该测量系统建立的数学表达式和图像模拟的结果相一致；该控制器运行良好，符合气动测量控制的要求。

PLC；气动控制系统；建立系统软件设计

0 引言

传统旳气动控制技术大多数采用继电器接触器控制，存在体积大、机械触点多、接线复杂、故障多等缺点。如果控制系统采用传统的控制方式，电机拖动损耗能量将是原来的30%左右，严重浪费电能，使空压机容易发生故障，使用寿命降低等问题发生[1]。

由于PLC控制系统可靠，方便等特点，其已在数控机床上广泛使用，目前已取代了早期的继电器控制回路系统。PLC采用各类开关、传感器，通过分配I/O点实现控制。

气动测量[2,3]是一种非接触测量，精度高、测量力小、对被测工件有自洁作用，不受工件表面材质的影响。PLC控制以压缩空气作为介质，利用空气在管道中的流量或压力随喷嘴与被测工件之间的间隙不同而改变的特性，将尺寸量或位移量转化流量变化或气压变化信号，从而实现测量。

但近年来，国内外许多专家和学者把主要的研究方向放在PLC编程及硬软件的研究和气动测量的概述上[4～6]，文献[7～15]给出工件气动测量的结构及控制方式，但在差压式气动测量中适用性较差。文献[16,17]研究PLC控制结构复杂、适用性不强。本文给出PLC和变频器在气动测量技术的应用一种控制系统，该控制系统运行稳定、安全可靠、操作方便，在测量方面具有很强的借鉴意义。最后实验表明，该测量系统建立的数学表达式和图像模拟的结果相一致；该控制器运行良好，符合气动测量控制的要求。

1 气动测量系统的工作原理及控制方法

1.1 气动测量系统的工作原理

差压式气动测量气路原理图[2]如图1所示。由气源1来的压缩空气经过滤器2、进气阀3和稳压器4后，具有恒定的压力Pc，经可调节流阀5和测量喷嘴6。测量时背压气路处于相同的环境压力和温度下，使外界环境（压力、温度和湿度等）对测量的影响降到最小，测量精度高、稳定性好。根据流体力学中通过某截面的亚临界状态的流量公式，两腔压力之差为：

图1 差压式气动测量气路原理图

式中：Pc为调零腔压力；Px为测量腔压力。

一般可调节流阀在测量前调节好背压Pc之后在测量过程中是不变的，即Pc是个常数。而测量腔压力Pc则随测量间隙s的改变而变化。用硅压阻差压传感器10检出ΔP，作为被测信号，经放大后输出就可测得被测参数S的大小。

1.2 气动测量系统的控制方法

该气动控制系统由以下部分组成：PLC、变频器（1#和2#）、电动机、空压机、继电器、开关、按钮、互感器、扩展器（EM235和EM232）、空气压力传感器、定子温度传感器、轴承传感器和数据采集装置等，系统结构如图2所示。

该控制系统将减压气体Δp作为控制对象，利用远传空气开关检测气压px，变频器送入以标准气压pc转化成电信号，送入A/D转化模块进行模数转换，然后PLC将检测到的气压值与压力设定值比较，根据气压差值Δp进行运算，产生的控制信号f和测的测量喷嘴挡板之间隙s等值，送入变频器控制电动机的转速，从而使压力接近设定值，才使变频器控制气动测量装置。

图2 气动测量PLC系统图

2 气动测量装置控制系统硬件及软件的设计

2.1 气动测量装置控制系统硬件

气动测量装置PLC控制系统由上位机和下位机2个部分组成，上位机由触摸屏构成，下位机（PLC控制系统）包括CPU和数字/模拟量输入，数字/模拟量输出及其他模块构成，用来控制气压、气温和转速实现气动测量的控制，系统的构成如图3所示。

图3 PLC控制系统图

2.2 气动测量装置的PLC I/O点的分配

根据气动控制测量的要求，选用西门子PLCS7-300CPU224作为控制核心，扩展一个EM235作为模拟量输入模块，实现模拟量和数字量的转换，输入信号由多路开关采集，使用数字化的滤波器测得气压速度，气压传感器的输出信号由压力变速器经EM235控制转换为0～5V的标准信号完成EM235I/O点的分配，控制变频器使脉冲编码器计数。EM232作为I/O的输入/输出扩展模块，具有四个I/O点的输入，可以满足气动测量的扩展使用。最后根据各个单元的容量，选择合适的电源模块CQM1-PA203，为PLC提供24VDC稳压电源。PLC I/ O点的分配是PLC编程之前的必要准备，PLC I/O点的分配要与设计好的系统硬件相对应。气动测量装置的PLC I/O点的分配表，如表1所示，列出气动测量的PLC梯形图，编程后可由专用通讯电缆下载到PLC[9～15]，运行PLC程序实现气动测量装置的PLC I/O点的分配。

表1 气动测量装置的PLC I/O点的分配表

2.3 系统软件设计

2.3.1 PLC控制系统软件的设计

该控制系统的软件设计主要是PLC气动测量原理控制实现的设计。压力变送器测得到压力值px经扩展模块EM235模数转换，送入PLC与调零腔压力pt和测量腔压力px比较，得到气压差值Δp经EM235模数转换，产生的控制信号f和测的测量喷嘴挡板之间隙s等值，输入给变频器，变频器计数比较气压值完成气动测量。

针对气动测量PLC系统控制的特点，PLC控制软件主要包括参数输入（输入调零腔压力Pt、测量腔压力Px、测的测量喷嘴挡板之间隙s等值）、启动变频器分频计数、编码器计数、气动测量的比较等几个步骤组成。PLC系统控制软件设计如图4所示。

图4 PLC软件控制流程图

2.3.2 触摸屏的界面设计

根据触摸屏PLC设置的要点，设计的PLC触摸屏软件图，如图5所示。按功能键“F0”，显示窗口出现PLC运行监视画面；按功能键“F1”，显示窗口出现PLC运行参数设置画面。

图5 触摸屏软件设置框图

3 实验

本研究在实验室PLC控制的环境下，实现气动测量的控制，气动测量存在如下关系式：

图6 PLC控制实验图

表2 实验数据表

选用了10000Pa型气动测量装置作为实验设备。主喷嘴直径0.3cm，额定气压为1000Pa，由实验数据得到s-pc和s-px挡板间隙-气压综合比较图、s-f挡板间隙-气压差图，如图7、图8所示。

图7 挡板间隙-气压综合比较图

图8 挡板间隙-气压差图

气动测量装置电机在0.24m/s时启动。在增加速度

【】【】后压力随之提高。当速度提高到一定的程度，压力差曲线接近直线，表明压力已达到额定压强，满足气动测量装置控制曲线的建立的需要。实现效果表明该控制器运行良好，符合气动测量控制的要求。

4 结论

1）在气动测量的基础上，建立了PLC和变频器的控制系统，该控制系统将减压气体Δp作为控制对象，利用远传空气开关检测气压px，变频器送入以标准气压pc转化成电信号，送入A/D转化模块进行模数转换，然后PLC将检测到的气压值与压力设定值比较，根据气压差值Δp进行运算，产生的控制信号f和测的测量喷嘴挡板之间隙s等值，送入变频器控制电动机的转速，从而使压力接近设定值，才使变频器控制气动测量装置，在气动测量方面具有很强的借鉴意义。

2）系统软件设计主要包括上位机和下位机两个部分组成。上位机监控触摸屏，触摸屏软件设计实现人机交互的可视化操作。下位机控制PLC系统，接收现场各状态检测信号，实现对气动测量装置的控制，动态检测脉冲编码器计数和采集数据的信息。该软件具有适应性和通用性，在一些PLC控制系统中可移植使用。

3）实验表明，该测量系统建立的数学表达式和图像模拟的结果相一致；该控制器运行良好，符合气动测量控制的要求。

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Application of PLC in the air driven control system

ZHANG Wan-jun1,2,3, ZHANG Feng3, ZHANG Jing-xuan3, ZHANG Jing-yi2, ZHANG Jing-yan3

TP273

：A

：1009-0134(2017)05-0049-04

2016-12-17

高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（2014 ZX040001-181）

张万军（1986 -），男，甘肃人，博士研究生，教授级高级工程师，主要从事数控技术的装备、新能源的研究及风能的开发等工作。