汽车传动轴防尘罩PLC控制系统的设计与实现

摘要：本文介绍了PLC和变频器在汽车传动轴防尘罩高低温控制系统中的成功应用，介绍了系统控制方案和软硬件结构的设计思想。提出了一种易于在PLC中实现的适用于被控对象为二阶惯性环节温度预测控制系统，实际运行表明该算法优于常规的PID算法。本系统功能强，性能好，精度高。
关键词：传动轴防尘罩、PLC控制、变频调速、预测控制

0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试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展特性，在－60～150℃下，能通过1～6千万次循环试验。在此情况下，我们受委托对汽车传动轴防尘罩高低温试验箱进行改造，以工控机为人机接口，采用PLC程序控制系统。

1 系统功能分析
    传动轴防尘罩温度试验的基本要求是：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试验箱内温度（-60～150℃）、传动轴转速（0～1500rpm）、固定角及滑动角角度、测试时间（1～60000分）及阶段循环次数。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。

    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，调试和试验等；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，调速范围0～2500r/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，以满足快速停止的要求。

2.3温度控制系统
    试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，以获得系统所需要的低温。［3］

3 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。

    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，，试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。试验过程中或试验结束后，均可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，并记试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。

    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，判断设备或元件是否出了问题。

4 结束语
    可编程控制器（PLC）控制的汽车传动轴防尘罩高低温试验箱可以控制传动轴转动速度、调整其运行环境温度、实时监测试验箱内各种变量状态、灵活处理数据的通信，并将数据实时显示在计算机上，而且可以将所得的数据进行存储打印输出，以便后查。大大提高了系统的效率。

参考文献
[1] 丁勇 郑金吾.基于PLC的泵机组控制［J］.自动化仪表, 2004，25（2）61～62.
[2] 李昱 李晋.变频调速技术在伺服控制器系统中的应用［J］.电气传动自动化，2004，26（4）: 44～46.
[3] 宋延民，代方远，李斌. 蛋粉加工的电气控制系统［J］.电气传动，2002（4）：55～57.