汽车传动轴防尘罩PLC控制系统的设计与实现 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，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，在一60~150℃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(-60150℃)、传动轴转速(0~1500rpm)固定角及滑动角角度、测试时间(160000 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
汽车传动轴防尘罩 PLC 控制系统的设计与实现 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，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-4OCDR-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/O分配和功能如图1所示。 :气行1DE R原教高C 主超烤领执急C 餐林风机 知月器电接快击纪 立及吃机划 压笔机 盒州南派快急配 左机台电杯 毛州鹿械秋态实 发质梨多 名特自电机 有州电新过原卫 原标电特 宝怎陆流2沙 压城板过找别 亮面世两 电沁中闲 工作厚打 化异始 典族3影 图1/0分配与功能图 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一7.5K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
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。 图 1 I/0 分配与功能图 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P1值，由现场负荷调试确 定，己达到最佳运行效果。 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 直一交电压源时，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1GBT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一60℃~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SS1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。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一35℃左右冷凝，在一80℃左右蒸发，以获得系统所 需要的低温
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。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
1.355R -3DR 2R- .B 6Y+ 2M 3州 COM 0CH-01 压缩机1 正缩机2 电机 电机 COM 0CH-02 2KW 0CH-03 3SS店 PLC ■ PLC LOOPDA Pt1pO CFMIA 15-102 LOOP0 CPMIA DA-041 COM] 图2温度控制系统电路图 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。 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
图 2 温度控制系统电路图 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。 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一Ti一1。其中Ti,Ti一1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+e0? 否 PVte>H? PVte 开2 类1” 开3” 图3温度控制流程图 电气系统己设计了各种保护，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
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 3 所示。 图 3 温度控制流程图 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