汽車傳動軸防塵罩PLC控制系統的設計與實現

可編程控制器（PLC）由于其運算速度高、指令豐富、功能強大、可靠性高、抗干擾性強而廣泛應用于各種工業控制部分，在智能現場控制系統中，選用PLC作為控制器是十分有效的。本文以汽車傳動軸防塵罩的檢測為背景，著重討論一種基于PLC控制的模擬汽車傳動軸防塵罩實際運行環境的高低溫試驗箱控制系統的研制。

汽車傳動軸防塵罩的作用是防止灰塵、雜質等進入前輪傳動軸的連接處，同時也防止高溫潤滑油從中溢出。根據有關規定，本系統要求防塵罩在2500轉/分下保持其優秀的斷裂延展特性，在－60～150℃下，能通過1～6千萬次循環試驗。在此情況下，我們受委托對汽車傳動軸防塵罩高低溫試驗箱進行改造，以工控機為人機接口，采用PLC程序控制系統。

1、系統功能分析

傳動軸防塵罩溫度試驗的基本要求是：在規定的溫度下，以一定的轉速運行一定的時間。交替設定溫度、轉速及時間（最多為4組）循環一定次數構成一個測試階段。測試過程最多可設4個階段，每個測試階段的循環次數由測試員現場設定。實驗中主要控制量有試驗箱內溫度（-60～150℃）、傳動軸轉速（0～1500rpm）、固定角及滑動角角度、測試時間（1～60000分）及階段循環次數。測試過程要求調整固定角及滑動角的角度、啟動溫度控制系統使溫度逐步達到設定值、使傳動軸在設定的轉速下運行規定的時間。現場設定不同的條件交替測試，循環一定周期。

根據測試要求，系統應具有手動，自動操作功能。手動操作時，操作人員可以直接控制電機、壓縮機、加熱器等設備的啟停，進行設備維修，調試和試驗等；自動操作時，測試裝置自動完成整個測試過程。另外，控制系統還應具有完善的保護功能以保護人員及設備安全。任何時候都可以強行停止測試。若測試過程因故障原因終止，需要記錄故障原因及測試進展狀況。

2、控制系統的設計與實現

2.1 控制系統硬件結構設計

本系統人機界面部分采用***研華公司生產的奔騰機，軟件部分采用Delphi編程，在系統中協調控制，打印輸出，過程值顯示，控制核心部件為OMROM的可編程控制器，它負責各控制系統所需要的各種邏輯控制和運算。被控對象有變頻調速系統和溫度系統。變頻調速由日本安川公司生產的變頻器驅動傳動軸電機，使傳動軸保持一定的轉速。溫度控制系統是一個典型的閉環控制系統，溫度測量元件為鉑電阻，由PLC控制電加熱器及壓縮機，實現加熱或制冷。加熱系統由三個電加熱管組成，制冷系統由兩級壓縮機組成，其通斷由PLC控制。

為實現檢測控制要求，本系統采用日本立石(OMRON)公司CPM2A-40CDR-A的PLC作為主控單元。其輸入點數為24點，輸出點數為16點。該PLC具有體積小，重量輕，運行可靠，保護方便等特點。系統除了基本的開關量的輸入/輸出外，還配有模擬量的輸入/輸出擴展單元。模擬量輸入單元用于接收Pt100熱電阻溫度信號，模擬量輸出單元控制變頻器輸出頻率，實時檢測全部模擬信號，進行工程量轉換，并與設定的上下值比較，開關量單元用于控制電機的啟停，故障的報警等。 PLC的I/O分配和功能如圖1所示。

圖1 I/0分配與功能圖

2.2 變頻器控制系統

本系統的傳動軸轉速由變頻器控制。控制部分主要由PLC、變頻器、光電接近開關組成。傳動軸旋轉部分采用日本SANKEN公司IF－7.5K變頻器驅動變頻電機。采用轉速閉環矢量控制，調速范圍0～2500r/min,調速精度<0.02%。PLC通過模擬量輸出單元將0～6000的數字量信號轉換成4～20mA電流信號給變頻器作為頻率輸出設定。傳動軸實際轉速反饋信號由PG光電接近開關檢測輸出，其輸出脈沖經PLC計算作為電機的速度負反饋信號。

根據生產工藝對系統運行時穩態精度及跟隨能力的要求，變頻器內部的PID調節器設定為比例積分調節方式，由PLC的速度給定值與由脈沖編碼器檢測的現場速度反饋值比較后，得到速度偏差，經比例積分控制器處理后，輸出的二次電流信號作為頻率輸出，送矢量控制系統，控制電機運行。恒功率的分界點以及它們的頻率范圍內的P.I值，由現場負荷調試確定，已達到最佳運行效果。

因為轉角電機的頻繁快速啟停，制動時經常會產生很高的泵升電壓，因所選變頻器為交-直－交電壓源時，泵開電壓不能回饋電網，故采用制動單元并配以電阻加以吸收。當變頻器直流電路升高到一定值（660VDC）時，制動單元中的IGBT管被觸發導通，接通制動電阻回路，將轉角電機的回饋電能消耗在制動電阻上，以滿足快速停止的要求。

2.3 溫度控制系統

試驗箱內的溫度調節范圍為－60℃～150℃，具體值由操作員現場設定。系統加熱時采用三個晶閘管控制的電加熱管，合上主回路的操作開關，整個加熱裝置開始運行，未達到設定溫度時，固態繼電器SSR1吸合，1號加管加熱，系統逐級開啟2號，3號加熱管。達到設定溫度時，進入保溫階段，采用控制3號，2號加熱器的輸出通斷來調功調溫。使用控制箱風機來保證溫度均勻變化。如果箱內溫度達到高溫界限，系統將會報警。

單級蒸汽壓縮制冷所能達到的蒸發主要取決于冷凝溫度及壓力比，對于氟利昂制冷劑，一般壓力不超過10，這樣采用單級蒸汽壓縮制冷循環，一般只能制取-20～-40℃的低溫因此采用單級蒸汽壓縮制冷循環將無法滿足本系統制取-60℃低溫的要求，在此情況下，決定采用兩臺低溫壓縮機組成的復疊式制冷系統，兩級復疊制冷系統將第一級蒸發器與第二級冷凝器復疊在一起，使第二級低溫制冷劑在－35℃左右冷凝，在－80℃左右蒸發，以獲得系統所需要的低溫。

圖2 溫度控制系統電路圖

3、PLC控制系統的軟件設計

為了方便調試和編程，整個軟件系統采用模塊化編程，主要由手動運行模塊，自動運行模塊和故障診斷和報警模塊。在軟件編制時，采用了一些抗干擾措施，增強了整個系統的抗干擾能力，在計算機上可以實現實時操作，控制并觀察現場各設備的運行情況。

當系統處于手動運行時，PLC接收各設備狀態，由此判斷各設備的運行狀態，可單獨運轉變頻電機、加熱器、制冷系統的壓縮機。便于系統的調試和維修。

系統自動運行時，只須按照計算機屏幕提示，設置操作參數，，試驗即完全自動進行下去，并在計算機屏幕上實時顯示各設備參數。試驗過程中或試驗結束后，均可按照提示選擇打印方式打印。以下重點介紹溫度控制子程序。

由于系統采用三套晶閘管控制的電加熱器。常用的控制方式有兩種：一種是分段開關控制，根據溫度的高低，逐級開啟或關閉加熱器。這種方法溫度偏差大，精度較低。另一種是PWM脈寬調制，在PLC中實現PWM程序比較復雜。回路中的電加熱器為滿足溫度恒定的需要，經常切換工作狀態，而常規的電磁繼電器開關觸電易磨損，壽命短。所以對第一種方法進行改進。

由于系統是二階系統，在系統溫度下降時，增加加熱管，溫度由于慣性的原因，溫度繼續下降一段時間后再上升，同樣減少加熱管，溫度會上升一段時間后再下降。我們將前后兩次測量值進行比較，得到溫度偏差e，系統根據e來控制加熱器的狀態轉換。當e較大時，此時通過逐級打開加熱器來調整溫度。

啟停切換順序為：啟動順序：1＃ 2＃ 3＃；停止順序：3＃ 2＃ 1＃；溫度的變化值e: e=Ti－Ti－1。其中Ti ,Ti－1分別是本次溫度采樣值與前次溫度采樣值，并記試驗箱溫度允許上限為HSP，允許下線為LSP。PV為溫度測量值。考慮到前后兩個采樣周期的變化溫度e變化不大。當當前溫度值PV＋前一個周期變化溫度值e﹥溫度設定上限HSP時，就減少加熱管。反之，當PV+e﹤LSP時，就增加電加熱管。程序框圖如圖3所示。

圖3 溫度控制流程圖

電氣系統已設計了各種保護，并直接作用至斷電，其中包括：缺相保護、過載保護、旁路保護。 其中變頻器具有短路、過載等保護功能，當變頻器所驅動的電機發生短路、過載等故障時，變頻器將自動切斷一次供電回路，進入保護狀態并輸出報警信號，系統把各故障點相應的接觸器、短路器等元件的輔助觸電接到PLC，PLC掃描輸入這些觸電的狀態，并通過PLC程序將這些狀態存放在數據存儲區，再結合控制程序和設備預置狀態進行邏輯分析，判斷設備或元件是否出了問題。

4、結束語

可編程控制器（PLC）控制的汽車傳動軸防塵罩高低溫試驗箱可以控制傳動軸轉動速度、調整其運行環境溫度、實時監測試驗箱內各種變量狀態、靈活處理數據的通信，并將數據實時顯示在計算機上，而且可以將所得的數據進行存儲打印輸出，以便后查。大大提高了系統的效率