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浔之漫智控技术（上海）有限公司
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近年来可编程序控制器(PLC)以及变频调速技术日益发展，性能价格比日益提高，并在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域得以普及和应用。为满足温度、速度、流量等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量进行控制，PLC模拟量控制模块的使用也日益广泛。
通常情况下，变频器的速度调节可采用键盘调节或电位器调节方式，但是，在速度要求根据工艺而变化时，仅利用上述两种方式则不能满足生产控制要求，因此，我们须利用PLC灵活编程及控制的功能，实现速度因工艺而变化，从而保证产品的合格率。
2、变频器简介
交流电动机的转速n公式为：
式中: f—频率;
p—对数;
s—转差率(0～3%或0～6%)。
由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。因此变频调速方式，比改变对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。
3、PLC模拟量控制在变频调速的应用
PLC包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。
在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。
下面以三菱FX2N系列PLC为例进行说明。同时选择FX2N-2DA模拟量模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图1所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。、
图1 对变频器进行速度控制的信号输出
图2为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱S540型，PLC的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。
图2 变频器的控制及动力部分接线图
3.1 系统中PLC模拟量控制变频调速需要解决的主要问题
（1）模拟量模块输出信号的选择
通过对模拟量模块连接端子的选择，可以得到两种信号，0~10V或0~5V电压信号以及4~20mA电流信号。这里我们选择0~5V的电压信号进行控制。
（2）模拟量模块的增益及偏置调节
模块的增益可设定为任意值。然而，如果要得到大12位的分辨率可使用0~4000。如图3，我们采用0~4000的数字量对应0~5V的电压输出。当然，我们可对模块进行偏置调节，例如数字量0~4000对应4~20mA时。
图3 模块的增益设定
（3）模拟量模块与PLC的通讯
对于与FX2N系列PLC的连接编程主要包括不同通道数模转换的执行控制，数字控制量写入FX2N-2DA等等。而重要的则是对缓冲存储器(BFM)的设置。通过对该模块的认识，BFM的定义如附表。
附表 BFM的定义
从附表中可以看出起作用的仅仅是BFM的#16、#17，而在程序中所需要做的则是根据实际需要给予BFM中的#16和#17赋予合适的值。其中：
#16为输出数据当前值。
#17:b0:1改变成0时，通道2的D/A转换开始。
b1:1改变成0时，通道1的D/A转换开始。
（4）控制系统编程
对于上例控制系统的编写程序如图4所示。
在程序中：
1) 当M67、M68常闭触点以及Y002常开触点闭合时，通道1数字到模拟的转换开始执行;当M62、M557常闭触点以及Y003常开触点闭合时，通道2数字到模拟的转换开始执行。
2) 通道1
将保存个数字速度信号的D998赋予辅助继电器(M400~M415);
将数字速度信号的低8位(M400~M407)赋予BFM的16#;
使BFM#17的b2=1;
使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据;
将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#;
使BFM#17的b1=1;
使BFM#17的b1由1→0，执行通道1的速度信号D/A转换。
3) 通道2
将保存二个数字速度信号的D988赋予辅助继电器(M300~M315);
将数字速度信号的低8位(M300~M307)赋予BFM的16#;
使BFM#17的b2=1;
使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据;
将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#;
使BFM#17的b0=1;
使BFM#17的b0由1→0，执行通道2的速度信号D/A转换。
4) 程序中的K0为该数模转换模块的位置地址，在本控制系统中只用了一块模块，因此为K0，如由于工艺要求控制系统还要再增加一块模块，则新增模块在编程时只要将K0改为K1即可。
（5）变频器主要参数的设置
根据控制要求，设置变频器的运行模式为外部运行模式，运行频率为外部运行频率设定方式，Pr.79=2;模拟频率输入电压信号为0~5V，所以，Pr.73=0;其余参数根据电机功率、额定电压、负载等情况进行设定。
3.2 注意事项
(1) FX2N-2DA采用电压输出时，应将IOUT与COM短路;
(2) 速度控制信号应选用屏蔽线，配线安装时应与动力线分开。
4、结束语
上述控制在实际使用过程中运行良好，很好的将PLC易于编程与变频器结合起来，当然不同的可编程序控制器的编程和硬件配置方法也不同，比如罗克韦尔PLC在增加D/A模块时，只要在编程环境下的硬件配置中添加该模块即可。总之，充分利用PLC模拟量输出功能可以控制变频器从而控制设备的速度，满足生产的需要。
随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。
1 系统构成
基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展热电阻或热电偶温度模块构成；另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成。
1.1 扩展热电阻/热电偶模块
在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的智能温度模块——热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。
图1 扩展温度模块的温控系统
1.2 扩展通用A/D模块
在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有——2路差分输入/2路电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。
图2 通用A/D转换模块温控系统
2 输入输出控制
比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。
在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：
输出＝Kc[（E）＋1/Ti∫（E）dt＋Td•D（PV）/Dt] ＋bias
程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500 PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。
图3 数值整定原理
整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的小和大的工程单位。过程变量，偏差，设和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。
图4 PID模块在线参数设定与标志位
表1 PID模块参数说明
一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设的上升段过程中，大致采用三段控制。置电源为满开度，以大的功输出克服热惯性；接下来转入PID控制；接近设时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。
表2 PID模块参数设定
温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0～4124，SCP指令把它整定为0～16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7∶38中，把控制输出值放入N7∶39当中。后用MOV指令把N7∶39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。控制效果如下：（1）SP－PV≥50时，输出值为大值32767，使电压调节器开度大，即给加热器大电压供电，使被测对象温度快速上升。（2）SP－PV＞－30和SP－PV＜50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。（3）SP－PV＜－30时，输出值为小值0，电压调节器开度为零，即停止加热。
3 显示扩展
PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。
采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。
图5 ZLG7289A与SLC500及显示器的接口
图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令；CLK是时钟输入端；DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0～DIG7分别接显示器的共阴公共地。
SLC500有RS232通信口，可以通过电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。
4 PLC与PC通信设计
4.1 PLC数据包的信息格式
SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H；响应读命令，代码：41H；写命令，代码：08H；响应写命令，代码：48H。故PLC数据包的信息格式如图6所示：
图6 PLC数据包的信息格式
DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号；
SRC：一个字节，信息发出方的节点号；
CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H；
STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误；
TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号；
Addata：地址/字节数/数据，具体内容由不同的命令类型决定。
PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600 bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：
1）set the module for full duplex BSC（DF1 full duplex）
2）set the module for bbbbbded response
3）set detect for automatic
4）disable duplicate packet detect
5）set the baud rate for 9600.
4.2 PC机程序
PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：
With MSComm 1 // 通信参数设置
CommPort＝1 // 通信口COM1
Settings＝“9600，年n，8，1”// 波特率9600 bps，无奇偶校验，8位数据，1位停止
bbbbbLen＝2 //一次读取2个字节
bbbbbMode＝comLnputModeBinary // 二进制数据格式
PortOpen＝Ture // 打开通信端口
End With
PC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串口收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好相反，因此，VB程序要对接收的数据进行处理，并按照SLC500温度采集的精度（1/8度）转换成温度值用于显示。
5 结束语
本系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块，在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。本文作者的点是，采用了罗克韦尔的SLC500控制器来实现整个系统的设计，并编程实现了SLC500控制器与计算机串口的实时通信。由于PLC可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛。