基于PLC高速IO口模擬信號的測量與控制

1、基于plc高速i/o口模擬信號的測量與控制 hongtao ma, xiaojun wang, fenping zhoucollege of information science & engineeringhebei university of science & technology shijiazhuang,chinamiracle, ma-hongtao摘 要頻率信號是從外部v/f轉(zhuǎn)換器的電壓信號得到的，然后被發(fā)送到plc的高速計數(shù)器。作為主機(jī)，西門子s7-200系列plc的cpu222被使用。通過plc編程，高速i/o通道測量出輸入電壓。高速數(shù)字脈沖由plc的pwm脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈

2、沖周期的數(shù)字轉(zhuǎn)化為電壓幅度可調(diào)后外部rc低通濾波電路過濾器，以實現(xiàn)輸出模擬控制信號。該方法通過更換昂貴的模擬i/o模塊來減少測量和控制系統(tǒng)的費用。給出外圍電路的設(shè)計和plc程序。通過分析和比較數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以實現(xiàn) 0.1的準(zhǔn)確度。 關(guān)鍵詞： plc，高速i/o口，a/d一、 介 紹可編程控制器具有可靠性高，編程簡單易學(xué)，使用方便，體積小的優(yōu)點。它可以實現(xiàn)順序邏輯控制和模擬自動控制按照工藝要求，因此它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，也作出了良好的控制效果。在某些由plc控制的系統(tǒng)中，通常會遇到測量模擬電壓信號。在這種情況下，plc的模擬擴(kuò)展用以進(jìn)行一些轉(zhuǎn)換工作。但這些模塊的價格接近于中小型plc的價格

3、，而且只提供少量的輸入口。此外，更多的一個模塊被連接為了實際應(yīng)用的需要，這樣使其成本上升從而降低性價比。1-8基于西門子s7-200系列plc的cpu222，使用plc的高速數(shù)字i/o通道與低成本的外接v/f轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，然后發(fā)送到plc的高速計數(shù)器。通過plc編程，實現(xiàn)輸入電壓測量。利用plc的高速pwm脈沖發(fā)生器產(chǎn)生具有可變占空比的數(shù)字脈沖。通過外部rc低通濾波電路，可以得到變幅電壓。這個方法在沒有特別昂貴的模擬i/o模塊完成了測量和控制，從而降低了系統(tǒng)的成本。二、 電路設(shè)計a模擬輸入電路 cpu222主機(jī)只能接受數(shù)字輸入信號，作者設(shè)計的外部v/f轉(zhuǎn)換器用于把0-10v電

4、壓信號轉(zhuǎn)換為0-10khz的頻率信號。v/f轉(zhuǎn)換器采用美國ns公司的lm331集成電路。lm331的主要特點包括：（1）寬動態(tài)范圍，高達(dá)100db；（2）良好的線性關(guān)系，最大非線性是真小于0.01%，實質(zhì)具有更好的低頻率0.1hz的線性；（3）高精度轉(zhuǎn)換，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；（4）簡單的外圍電路，僅需少量的外部組件，輕松地確保其準(zhǔn)確性。采用v/f轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。該電路可實現(xiàn)對10hz到10khz的范圍， 0.03的線性度。圖 1 v/f 轉(zhuǎn)換器電路該電路輸出頻率計算公式如下：rs=r4+rp1。根據(jù)圖1中的原件參數(shù)來調(diào)節(jié)電位計rp1，因此通過改變rs的值來使fout的值上升到10khz。

5、lm331實現(xiàn)輸出頻率信號送入plc的高速計數(shù)器端口。計時器也開始在開始計算時間，使輸出頻率f =的d / t，其中d表示計數(shù)器的值和t表示計數(shù)時間。 t可能會設(shè)定計時器了，所以價值f可以能夠計算出，如果我們知道d的plc的處理和儲存的價值函數(shù)f，使一個a / d轉(zhuǎn)換實施。 b輸入電壓的測量方法 s7-200系列plc有hsc0-hsc5 6個高數(shù)計數(shù)器。每個計數(shù)器可以在不同的模式下執(zhí)行來實現(xiàn)不同的功能。在本文中的v/f轉(zhuǎn)換器的輸出頻率為0-10khz，對應(yīng)輸入電壓為0-10v，也就是說，比例為1mv/hz。首先，高速計數(shù)器的控制位mb47是由16進(jìn)制的fc來實現(xiàn)的。這就是說：升序計數(shù)，更新現(xiàn)

6、值，更新當(dāng)前值，激活hsc1。然后計數(shù)器hsc1定為運行模式0使用hdef指令，即復(fù)位輸入，開始投入的方向和選擇外部輸入不存在的。復(fù)位電流值寄存器smd48值是0，預(yù)設(shè)值寄存器smd52與ffffh設(shè)置。注冊smb34的時間間隔是100毫秒的中斷設(shè)置。定時器中斷分配給中斷0，并允許中斷。最后hsc1是開始數(shù)的指令。中斷服務(wù)例程調(diào)用0去讀每100毫秒計數(shù)器hsc1計數(shù)的值，然后清除它。輸入電壓可以根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過hsc1的值來計算。這里一個010khz時的v / f轉(zhuǎn)換器采用，因此，在100ms的時間，1000門脈沖可以累積最多。它相當(dāng)于1000h10 = 10000脈沖可在一秒鐘內(nèi)積累，相當(dāng)

7、于實際10v的輸入電壓。假定計算值200 100ms的大門，那么它的實際電壓為2v。這樣這是10v/1000 = 0.01v = 10mv的分辨率可收購。一組由plc高速計數(shù)器來記錄v/f轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)在表1中。表1. 每100ms記錄v/f脈沖實驗結(jié)果從實驗結(jié)果可以看到這種方法可以達(dá)到10mv的分辨率和0.1%的全誤差。plc的定時中斷間隔是可變的范圍內(nèi)，5255ms。這樣的時間間隔延長，使門的時間延長，電壓測量結(jié)果會更精確，測量速度將放慢，但在同一時間下降。如果門的時間定為200ms的，然后測量分辨率可達(dá)5mv，對完全錯誤可以達(dá)到 0.05c模擬輸出電路模擬輸出電路如圖2所示

8、，它是由plc的+24 v電源供應(yīng)。24vp-p的pwm信號由主機(jī)cpu222 q0.0端口輸出，通過u1a和u1b整形后被r1和r2按比例減低。高精度pwm信號由u1b輸出，由r6和c9低通濾波。最后，u2提供直流電壓與pwm信號。rc時間常數(shù)直接輸出電壓的紋波振幅的影響。 rc值較大，較小的紋波電壓。但使用過大的rc值不可取的，因為它會增加輸出電壓的相應(yīng)時間。d輸出電壓的控制方法s7 - 200系列plc的有2個發(fā)電機(jī)輸出高速脈沖序列，它可以執(zhí)行期間變量，寬度可調(diào)的pwm波形。二產(chǎn)出分別致力于q0.0和q0.1。 pwm周期的設(shè)置范圍是在265535，pwm脈沖寬度的設(shè)置范圍為065535

9、。時間是1微秒的pwm基地或1毫秒。本文q0.0是選擇輸出的pwm脈寬調(diào)制signal.period設(shè)置為5000，脈沖的pwm寬度范圍為05000。時間1微秒的基礎(chǔ)是通過的時間是5000的pwm微妙（5毫秒），從0占空比變化到100。的pwm分辨率為1 / 5000，相當(dāng)于12位a / d轉(zhuǎn)換器。直流輸出電壓表二所列的情況時，被選中的pwm周期是5毫秒，對rc濾波器時間常數(shù)25毫秒和pwm在不同的占空比。從表二中，我們可以看到，雖然理論上的分辨率可以達(dá)到1 / 5000，即是為2mv，相當(dāng)于0.02滿量程，其實也有大約f10mv錯誤，f0.1完全錯誤。這是只相當(dāng)于10位d / a轉(zhuǎn)換器的精度

10、。在實驗中，改變時間常數(shù)rc濾波器，紋波電壓是根據(jù)不同的工作周期示波器測量。測量結(jié)果列于表三?？梢钥闯觯瑥谋砣f明，紋波電壓較大時，只有一個階段是用rc濾波器。為了減少這種紋波電壓，多級rc濾波器可以引進(jìn)。表二 不同占空比的pwm輸出電壓表三 紋波電壓和rc時間常數(shù)的關(guān)系和工作循環(huán)三、結(jié) 論在此，提出了一種簡單的v / f轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成010v的電壓為010khz的頻率。的頻率信號，然后傳送到高速plc的數(shù)字輸入。通過測量輸入電壓的plc編程，能達(dá)到 0.1測量精度?？删幊炭刂破鞯膒wm能力與外部rc濾波器實現(xiàn)010v輸出電壓，達(dá)到 0.1accuracy.on沒有要求的精度高之際，該解決方案

11、實現(xiàn)的測量和模擬控制無昂貴的plc的模擬量i / o模塊，這大大降低了系統(tǒng)成本。參 考 文 獻(xiàn)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

12、irat kahraman. a web-based programmable logic controller laboratory for manufacturing engineering education. the international journal of advanced manufacturing technology, 2009 24(7): 590-598.4 j.-s. lee, p.-l. hsu. an improved evaluation of ladder logic diagrams and petri nets for the sequence con

13、troller design in manufacturing systems. the international journal of advanced manufacturing technology, 2011, 2(5): 279-287.5 john, karl-heinz, michael. programming industrial automation system, berlin. new york: springer, 2008.6 t. mikulczynski, z. samsonowicz, r wieclawek. the grafpol programming language for programmable logic controllers. archives of control sciences, 2009,10(1):17-30.7 nanette bauer, sebastian engell, ralf huuck, etal. verification of plc programs given as sequential function