基于PLC高速I(mǎi)O口模擬信號(hào)的測(cè)量與控制

1、基于plc高速i/o口模擬信號(hào)的測(cè)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(hào)是從外部v/f轉(zhuǎn)換器的電壓信號(hào)得到的，然后被發(fā)送到plc的高速計(jì)數(shù)器。作為主機(jī)，西門(mén)子s7-200系列plc的cpu222被使用。通過(guò)plc編程，高速i/o通道測(cè)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(guò)濾器，以實(shí)現(xiàn)輸出模擬控制信號(hào)。該方法通過(guò)更換昂貴的模擬i/o模塊來(lái)減少測(cè)量和控制系統(tǒng)的費(fèi)用。給出外圍電路的設(shè)計(jì)和plc程序。通過(guò)分析和比較數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以實(shí)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(jiǎn)單易學(xué)，使用方便，體積小的優(yōu)點(diǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)順序邏輯控制和模擬自動(dòng)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(huì)遇到測(cè)量模擬電壓信號(hào)。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(jià)格接近于中小型plc的價(jià)格

3、，而且只提供少量的輸入口。此外，更多的一個(gè)模塊被連接為了實(shí)際應(yīng)用的需要，這樣使其成本上升從而降低性?xún)r(jià)比。1-8基于西門(mén)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(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，然后發(fā)送到plc的高速計(jì)數(shù)器。通過(guò)plc編程，實(shí)現(xiàn)輸入電壓測(cè)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(guò)外部rc低通濾波電路，可以得到變幅電壓。這個(gè)方法在沒(méi)有特別昂貴的模擬i/o模塊完成了測(cè)量和控制，從而降低了系統(tǒng)的成本。二、 電路設(shè)計(jì)a模擬輸入電路 cpu222主機(jī)只能接受數(shù)字輸入信號(hào)，作者設(shè)計(jì)的外部v/f轉(zhuǎn)換器用于把0-10v電

4、壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-10khz的頻率信號(hào)。v/f轉(zhuǎn)換器采用美國(guó)ns公司的lm331集成電路。lm331的主要特點(diǎn)包括：（1）寬動(dòng)態(tài)范圍，高達(dá)100db；（2）良好的線(xiàn)性關(guān)系，最大非線(xiàn)性是真小于0.01%，實(shí)質(zhì)具有更好的低頻率0.1hz的線(xiàn)性；（3）高精度轉(zhuǎn)換，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；（4）簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)10hz到10khz的范圍， 0.03的線(xiàn)性度。圖 1 v/f 轉(zhuǎn)換器電路該電路輸出頻率計(jì)算公式如下：rs=r4+rp1。根據(jù)圖1中的原件參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電位計(jì)rp1，因此通過(guò)改變r(jià)s的值來(lái)使fout的值上升到10khz。

5、lm331實(shí)現(xiàn)輸出頻率信號(hào)送入plc的高速計(jì)數(shù)器端口。計(jì)時(shí)器也開(kāi)始在開(kāi)始計(jì)算時(shí)間，使輸出頻率f =的d / t，其中d表示計(jì)數(shù)器的值和t表示計(jì)數(shù)時(shí)間。 t可能會(huì)設(shè)定計(jì)時(shí)器了，所以?xún)r(jià)值f可以能夠計(jì)算出，如果我們知道d的plc的處理和儲(chǔ)存的價(jià)值函數(shù)f，使一個(gè)a / d轉(zhuǎn)換實(shí)施。 b輸入電壓的測(cè)量方法 s7-200系列plc有hsc0-hsc5 6個(gè)高數(shù)計(jì)數(shù)器。每個(gè)計(jì)數(shù)器可以在不同的模式下執(zhí)行來(lái)實(shí)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(duì)應(yīng)輸入電壓為0-10v，也就是說(shuō)，比例為1mv/hz。首先，高速計(jì)數(shù)器的控制位mb47是由16進(jìn)制的fc來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這就是說(shuō)：升序計(jì)數(shù)，更新現(xiàn)

6、值，更新當(dāng)前值，激活hsc1。然后計(jì)數(shù)器hsc1定為運(yùn)行模式0使用hdef指令，即復(fù)位輸入，開(kāi)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(cè)smb34的時(shí)間間隔是100毫秒的中斷設(shè)置。定時(shí)器中斷分配給中斷0，并允許中斷。最后hsc1是開(kāi)始數(shù)的指令。中斷服務(wù)例程調(diào)用0去讀每100毫秒計(jì)數(shù)器hsc1計(jì)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(guò)hsc1的值來(lái)計(jì)算。這里一個(gè)010khz時(shí)的v / f轉(zhuǎn)換器采用，因此，在100ms的時(shí)間，1000門(mén)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(shí)際10v的輸入電壓。假定計(jì)算值200 100ms的大門(mén)，那么它的實(shí)際電壓為2v。這樣這是10v/1000 = 0.01v = 10mv的分辨率可收購(gòu)。一組由plc高速計(jì)數(shù)器來(lái)記錄v/f轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)在表1中。表1. 每100ms記錄v/f脈沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果從實(shí)驗(yàn)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(shí)中斷間隔是可變的范圍內(nèi)，5255ms。這樣的時(shí)間間隔延長(zhǎng)，使門(mén)的時(shí)間延長(zhǎng)，電壓測(cè)量結(jié)果會(huì)更精確，測(cè)量速度將放慢，但在同一時(shí)間下降。如果門(mén)的時(shí)間定為200ms的，然后測(cè)量分辨率可達(dá)5mv，對(duì)完全錯(cuò)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(hào)由主機(jī)cpu222 q0.0端口輸出，通過(guò)u1a和u1b整形后被r1和r2按比例減低。高精度pwm信號(hào)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(hào)。rc時(shí)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(guò)大的rc值不可取的，因?yàn)樗鼤?huì)增加輸出電壓的相應(yīng)時(shí)間。d輸出電壓的控制方法s7 - 200系列plc的有2個(gè)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(shí)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(shí)間1微秒的基礎(chǔ)是通過(guò)的時(shí)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(shí)，被選中的pwm周期是5毫秒，對(duì)rc濾波器時(shí)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(mǎn)量程，其實(shí)也有大約f10mv錯(cuò)誤，f0.1完全錯(cuò)誤。這是只相當(dāng)于10位d / a轉(zhuǎn)換器的精度

10、。在實(shí)驗(yàn)中，改變時(shí)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(cè)量。測(cè)量結(jié)果列于表三?？梢钥闯觯瑥谋砣f(shuō)明，紋波電壓較大時(shí)，只有一個(gè)階段是用rc濾波器。為了減少這種紋波電壓，多級(jí)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(shí)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(jiǎn)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(hào)，然后傳送到高速plc的數(shù)字輸入。通過(guò)測(cè)量輸入電壓的plc編程，能達(dá)到 0.1測(cè)量精度?？删幊炭刂破鞯膒wm能力與外部rc濾波器實(shí)現(xiàn)010v輸出電壓，達(dá)到 0.1accuracy.on沒(méi)有要求的精度高之際，該解決方案

11、實(shí)現(xiàn)的測(cè)量和模擬控制無(wú)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

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