工業(yè)控制系統(tǒng)中，PLc常因可靠性高實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制，但其人機(jī)交互能力較弱；而工業(yè)Pc機(jī)的人機(jī)交互能力優(yōu)秀。因此，采用Pc和PLC以上、下位機(jī)方式的聯(lián)合控制可使得兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下控制系統(tǒng)功能性能優(yōu)化的有力手段。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)功能

    本系統(tǒng)將Pc和PLc上、下位機(jī)聯(lián)合控制的現(xiàn)實(shí)工業(yè)系統(tǒng)完整引入教學(xué)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程與現(xiàn)場的多功能控制。PLC通過變頻器驅(qū)動三相異步電動機(jī)，運(yùn)用直流發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械加載，軸編碼器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的檢測反饋。閉環(huán)PID調(diào)節(jié)在PLC完成，PID參數(shù)整定及系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控等過程在Pc完成。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)功能如圖l所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)、上位機(jī)與通信．

    下位機(jī)PLC選用西門子s7．200的cPu224xP，含模擬輸入、模擬輸出、RS485通信及高速計(jì)數(shù)等，完成系統(tǒng)的現(xiàn)場控制’；上位機(jī)PC基于化工過程控制系統(tǒng)中常用的工業(yè)組態(tài)軟件組態(tài)王Kingview6.5與PLc采用西門子PPI通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。

2.2 電機(jī)機(jī)組

    系統(tǒng)控制對象為鼠籠三相異步電動機(jī)，為了便于實(shí)現(xiàn)定量機(jī)械加載和測速反饋，將三相異步電動機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、軸編碼器同軸安裝構(gòu)成專用機(jī)組。通過在直流發(fā)電機(jī)電樞回路接入斷開大功率電阻可對電動機(jī)進(jìn)行定量機(jī)械加／卸載，這對于開／閉環(huán)下轉(zhuǎn)速機(jī)械特性的定量測試比較來說是必須的；軸編碼器用作轉(zhuǎn)速的數(shù)字化檢測反饋。

2.3 調(diào)速控制與變頻器

    PLC輸出電壓控制西門子G110變頻器完成變頻調(diào)速，控制電壓及對應(yīng)輸出頻率由變頻器參數(shù)P057、P0758、P0759、P0760及P2000等確定，系統(tǒng)對應(yīng)頻率為0—50Hz的控制電壓為0—10V。

3 下位機(jī)PLC軟件設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)鍵問題

3.1.1 數(shù)字測速方案及優(yōu)化編程技巧

    系統(tǒng)采用M法測速，在一個(gè)閘門時(shí)間T內(nèi)累計(jì)軸編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)m，轉(zhuǎn)速n(單位：r／min)，若編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P，則挖=60m／(Pr)。傳統(tǒng)編程思路需要依此關(guān)系計(jì)算求得轉(zhuǎn)速。

本系統(tǒng)對傳統(tǒng)編程思路進(jìn)行了優(yōu)化，由每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)JP直接確定一個(gè)固定的閘門時(shí)間r，程序初始化時(shí)，依此閘門時(shí)間一次性設(shè)定定時(shí)中斷，在中斷服務(wù)程序中將測得的m直接作為轉(zhuǎn)速n輸出，徹底免去傳統(tǒng)編程的運(yùn)算，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。在n=60m／(Pr)中，令n=m，得r=60／尸。由于本系統(tǒng)中軸編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)P=1 200，因此可直接得出程序初始化設(shè)定定時(shí)中斷間隔r=9．05s。該項(xiàng)編程技巧優(yōu)化效果顯著，可以推廣到其他M法測速編程場合。

3.1.2 M法測速的高速計(jì)數(shù)與定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)

    計(jì)數(shù)必須采用高速計(jì)數(shù)方式。設(shè)計(jì)數(shù)字測速須考慮最大轉(zhuǎn)速時(shí)編碼器脈沖的頻率。系統(tǒng)機(jī)組電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速近1 500r／min，即25r／s，軸編碼器每轉(zhuǎn)脈沖P=l 200，故最大頻率近30kHz。PLC。的CTU、cTD等計(jì)數(shù)器存在缺陷：其計(jì)數(shù)脈沖周期不能小于主程序掃描周期，故可承受的頻率上限很低。對于近30kHz脈沖計(jì)數(shù)只有采用與程序掃描無關(guān)的高速計(jì)數(shù)方式，否則會大量丟失脈沖。系統(tǒng)采用CPu 224xP的HSC0高速計(jì)數(shù)器完成軸編碼器脈沖的計(jì)數(shù)。

閘門必須采用定時(shí)中斷。PLC的TON、TOF等定時(shí)器存在缺陷：其實(shí)際定時(shí)時(shí)間隨機(jī)變化不定，最短可比設(shè)定少一個(gè)時(shí)基，最長可比設(shè)定多一個(gè)主程序掃描周期，且這樣的不確定性無法消除。故測速閘門的精確定時(shí)必須拋棄TON、TOF等，而運(yùn)用中斷方式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用CPU 224xP的定時(shí)中斷0實(shí)現(xiàn)閘門定時(shí)。

3.1.3 PID控制

    過程控制系統(tǒng)中常用的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)應(yīng)用廣泛，本系統(tǒng)即采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID調(diào)節(jié)且PID調(diào)節(jié)器以軟件方式在PLC中實(shí)現(xiàn)。如圖2所示s7—200 PLC提供浮點(diǎn)位置算法的工業(yè)PID運(yùn)算指令，同時(shí)需要一個(gè)回路表存儲PID運(yùn)算接口量及參數(shù)等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)回路表為自PLc數(shù)據(jù)存儲器VD800單元開始的9個(gè)實(shí)數(shù)共36個(gè)字節(jié)，其中接口量和參數(shù)分配如下：

S7-200 PLC技術(shù)資料中推薦其軟件PID用于如過程控制系統(tǒng)常見的溫度、壓力、流量及液位等低速對象。而電機(jī)轉(zhuǎn)速對象的變化速率顯然比上述過程參量快許多，本系統(tǒng)構(gòu)建編程調(diào)試成功，是s7．200 PLC軟件PID對電機(jī)轉(zhuǎn)速快速對象控制的直觀、具體的成功實(shí)例。

3.2 程序設(shè)計(jì)

PLC程序主要包括；定時(shí)中斷與高速計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)速采集、變頻調(diào)速控制、給定與反饋處理、PID調(diào)節(jié)和現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制功能與切換、開／閉環(huán)控制功能與切換以及上下位機(jī)接口數(shù)據(jù)變換處理等。主程序與中斷服務(wù)程序基本流程如圖3所示。

4 上位機(jī)PC軟件設(shè)計(jì)

Pc軟件基于組態(tài)王Kingview6．5平臺設(shè)計(jì)。系統(tǒng)在PC實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場遠(yuǎn)程與開／閉環(huán)、轉(zhuǎn)速給定、PID參數(shù)整定、PID算法各類變量、運(yùn)行狀態(tài)以及設(shè)備信號、數(shù)據(jù)與曲線等遠(yuǎn)程控制功能：組態(tài)王運(yùn)用設(shè)備驅(qū)動和“數(shù)據(jù)詞典”數(shù)據(jù)庫分別實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的通信和數(shù)據(jù)聯(lián)系。經(jīng)過變量定義、設(shè)備定義、通信建立、界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)詞典定義、動畫連接定義以及命令腳本程序設(shè)計(jì)等步驟完成上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，主要有主控、整定、設(shè)備信號數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)及歷史曲線等遠(yuǎn)程監(jiān)控界面。其中，增益系數(shù)，K。積分時(shí)間t、微分時(shí)間L、采樣周期Z等PID’參數(shù)可在如圖4所示的整定界面輸入整定，一經(jīng)整定，即可通過實(shí)時(shí)曲線界面即時(shí)測試評價(jià)運(yùn)行控制效果。

5 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

5.1 PID參數(shù)整定與試驗(yàn)

由表1可見閉環(huán)的轉(zhuǎn)速機(jī)械特性的硬度明顯優(yōu)于開環(huán)的。機(jī)械加載后閉環(huán)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速不跌落而變頻器輸出頻率有所上升，可見轉(zhuǎn)速不跌落的原因是系統(tǒng)通過閉環(huán)調(diào)節(jié)最終提高了變頻器輸出頻率(即電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速)對轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償。試驗(yàn)結(jié)果揭示了閉環(huán)改善轉(zhuǎn)速硬度的物理本質(zhì)，也完全反映了所有閉環(huán)系統(tǒng)的被控參量在擾動下能夠始終跟蹤給定的物理本質(zhì)。

6 結(jié)束語

    本系統(tǒng)綜合運(yùn)用工業(yè)PLC、變頻器及軸編碼器等實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、開／閉環(huán)、現(xiàn)場遠(yuǎn)程及機(jī)械加／卸載等運(yùn)行控制功能，采用PC和PLc上、下位機(jī)聯(lián)合方式實(shí)現(xiàn)了可靠性與人機(jī)交互性能協(xié)調(diào)優(yōu)化的分布式控制。系統(tǒng)完全移植采用現(xiàn)實(shí)工業(yè)設(shè)備與工業(yè)控制方案，通過其系統(tǒng)構(gòu)建、軟件編程、組態(tài)設(shè)計(jì)、控制整定以及調(diào)試運(yùn)行等可成效顯著地經(jīng)歷典型工業(yè)分布式控制系統(tǒng)的完整開發(fā)過程。