基于PLC高速IO口模拟信号的测量与控制.doc

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1、基于PLC高速I/O口模拟信号的测量与控制 Hongtao Ma, Xiaojun Wang, FenPing ZhouCollege of Information Science & EngineeringHebei University of Science & Technology Shijiazhuang,Chinamiracle, ma-hongtao摘 要频率信号是从外部V/F转换器的电压信号得到的，然后被发送到PLC的高速计数器。作为主机，西门子S7-200系列PLC的CPU222被使用。通过PLC编程，高速I/O通道测量出输入电压。高速数字脉冲由PLC的PWM脉冲发生器产生的脉

2、冲周期的数字转化为电压幅度可调后外部RC低通滤波电路过滤器，以实现输出模拟控制信号。该方法通过更换昂贵的模拟I/O模块来减少测量和控制系统的费用。给出外围电路的设计和PLC程序。通过分析和比较数据，发现该系统可以实现 0.1的准确度。 关键词： PLC，高速I/O口，A/D一、 介 绍可编程控制器具有可靠性高，编程简单易学，使用方便，体积小的优点。它可以实现顺序逻辑控制和模拟自动控制按照工艺要求，因此它被广泛应用于工业领域，也作出了良好的控制效果。在某些由PLC控制的系统中，通常会遇到测量模拟电压信号。在这种情况下，PLC的模拟扩展用以进行一些转换工作。但这些模块的价格接近于中小型PLC的价格

3、，而且只提供少量的输入口。此外，更多的一个模块被连接为了实际应用的需要，这样使其成本上升从而降低性价比。1-8基于西门子S7-200系列PLC的CPU222，使用PLC的高速数字I/O通道与低成本的外接V/F转换器将电压信号转换成频率信号，然后发送到PLC的高速计数器。通过PLC编程，实现输入电压测量。利用PLC的高速PWM脉冲发生器产生具有可变占空比的数字脉冲。通过外部RC低通滤波电路，可以得到变幅电压。这个方法在没有特别昂贵的模拟I/O模块完成了测量和控制，从而降低了系统的成本。二、 电路设计A模拟输入电路 CPU222主机只能接受数字输入信号，作者设计的外部V/F转换器用于把0-10V电

4、压信号转换为0-10kHz的频率信号。V/F转换器采用美国NS公司的LM331集成电路。LM331的主要特点包括：（1）宽动态范围，高达100dB；（2）良好的线性关系，最大非线性是真小于0.01%，实质具有更好的低频率0.1Hz的线性；（3）高精度转换，数字分辨率可达12位；（4）简单的外围电路，仅需少量的外部组件，轻松地确保其准确性。采用V/F转换电路如图1所示。该电路可实现对10Hz到10kHz的范围， 0.03的线性度。图 1 V/F 转换器电路该电路输出频率计算公式如下：RS=R4+RP1。根据图1中的原件参数来调节电位计RP1，因此通过改变RS的值来使Fout的值上升到10kHz。

5、LM331实现输出频率信号送入PLC的高速计数器端口。计时器也开始在开始计算时间，使输出频率f =的D / t，其中d表示计数器的值和T表示计数时间。 T可能会设定计时器了，所以价值f可以能够计算出，如果我们知道D的PLC的处理和储存的价值函数f，使一个A / D转换实施。 B输入电压的测量方法 S7-200系列PLC有HSC0-HSC5 6个高数计数器。每个计数器可以在不同的模式下执行来实现不同的功能。在本文中的V/F转换器的输出频率为0-10kHz，对应输入电压为0-10V，也就是说，比例为1mV/Hz。首先，高速计数器的控制位MB47是由16进制的FC来实现的。这就是说：升序计数，更新现

6、值，更新当前值，激活HSC1。然后计数器HSC1定为运行模式0使用HDEF指令，即复位输入，开始投入的方向和选择外部输入不存在的。复位电流值寄存器SMD48值是0，预设值寄存器SMD52与FFFFH设置。注册SMB34的时间间隔是100毫秒的中断设置。定时器中断分配给中断0，并允许中断。最后HSC1是开始数的指令。中断服务例程调用0去读每100毫秒计数器HSC1计数的值，然后清除它。输入电压可以根据转换关系，通过HSC1的值来计算。这里一个010kHz时的V / F转换器采用，因此，在100ms的时间，1000门脉冲可以累积最多。它相当于1000h10 = 10000脉冲可在一秒钟内积累，相当

7、于实际10V的输入电压。假定计算值200 100ms的大门，那么它的实际电压为2V。这样这是10V/1000 = 0.01V = 10mV的分辨率可收购。一组由PLC高速计数器来记录V/F转换器的脉冲数的实验结果数据在表1中。表1. 每100ms记录V/F脉冲实验结果从实验结果可以看到这种方法可以达到10mV的分辨率和0.1%的全误差。PLC的定时中断间隔是可变的范围内，5255ms。这样的时间间隔延长，使门的时间延长，电压测量结果会更精确，测量速度将放慢，但在同一时间下降。如果门的时间定为200ms的，然后测量分辨率可达5mV，对完全错误可以达到 0.05C模拟输出电路模拟输出电路如图2所示

8、，它是由PLC的+24 V电源供应。24Vp-p的PWM信号由主机CPU222 Q0.0端口输出，通过U1A和U1B整形后被R1和R2按比例减低。高精度PWM信号由U1B输出，由R6和C9低通滤波。最后，U2提供直流电压与PWM信号。RC时间常数直接输出电压的纹波振幅的影响。 RC值较大，较小的纹波电压。但使用过大的RC值不可取的，因为它会增加输出电压的相应时间。D输出电压的控制方法S7 - 200系列PLC的有2个发电机输出高速脉冲序列，它可以执行期间变量，宽度可调的PWM波形。二产出分别致力于Q0.0和Q0.1。 PWM周期的设置范围是在265535，PWM脉冲宽度的设置范围为065535

9、。时间是1微秒的PWM基地或1毫秒。本文Q0.0是选择输出的PWM脉宽调制signal.Period设置为5000，脉冲的PWM宽度范围为05000。时间1微秒的基础是通过的时间是5000的PWM微妙（5毫秒），从0占空比变化到100。的PWM分辨率为1 / 5000，相当于12位A / D转换器。直流输出电压表二所列的情况时，被选中的PWM周期是5毫秒，对RC滤波器时间常数25毫秒和PWM在不同的占空比。从表二中，我们可以看到，虽然理论上的分辨率可以达到1 / 5000，即是为2mV，相当于0.02满量程，其实也有大约f10mV错误，f0.1完全错误。这是只相当于10位D / A转换器的精度

10、。在实验中，改变时间常数RC滤波器，纹波电压是根据不同的工作周期示波器测量。测量结果列于表三。可以看出，从表三说明，纹波电压较大时，只有一个阶段是用RC滤波器。为了减少这种纹波电压，多级RC滤波器可以引进。表二 不同占空比的PWM输出电压表三 纹波电压和RC时间常数的关系和工作循环三、结 论在此，提出了一种简单的V / F转换电路转换成010V的电压为010kHz的频率。的频率信号，然后传送到高速PLC的数字输入。通过测量输入电压的PLC编程，能达到 0.1测量精度。可编程控制器的PWM能力与外部RC滤波器实现010V输出电压，达到 0.1accuracy.On没有要求的精度高之际，该解决方案

11、实现的测量和模拟控制无昂贵的PLC的模拟量I / O模块，这大大降低了系统成本。参 考 文 献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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