基于S7-200高精度定量閥控制器的改進研究

湯 偉 黃寶柱，* 胡祥滿 王 鋒

(1.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動化研究所，陜西西安，710021；2.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，浙江瑞安，325200)

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·定量閥控制·

基于S7-200高精度定量閥控制器的改進研究

湯 偉1黃寶柱1，*胡祥滿1王 鋒2

(1.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動化研究所，陜西西安，710021；2.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，浙江瑞安，325200)

分析定量閥結(jié)構(gòu)和控制原理，將傳統(tǒng)的恒頻脈沖控制算法與梯形曲線算法、S形曲線算法進行了對比，選擇用擬合S形曲線的算法控制定量閥。同時，為了有充足加減速過程，使用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，在不增加控制器硬件成本前提下，通過擬合7段S形曲線，最終實現(xiàn)了高精度定量閥的精密定位控制。

高精度定量閥；恒頻脈沖控制算法；梯形曲線算法；S形曲線算法；細(xì)分驅(qū)動技術(shù)

工業(yè)生產(chǎn)中流體流量的控制好壞，對產(chǎn)品質(zhì)量影響非常大，高精度定量閥就是應(yīng)用于流體流量精密控制場合[1-2]。例如造紙過程中，紙張定量的穩(wěn)定性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要基準(zhǔn)，而定量的決定性因素在于上網(wǎng)絕干漿料的多少，在濃度穩(wěn)定的前提下，對于流量的調(diào)節(jié)就顯得尤為重要。就高速衛(wèi)生紙機而言，可以用變頻上漿泵來穩(wěn)定上漿的壓力，用電磁流量計和高精度定量閥來控制流量[3-5]。

目前國內(nèi)大多數(shù)高速衛(wèi)生紙機定量調(diào)節(jié)都使用高精度定量閥，其優(yōu)點在于調(diào)節(jié)精度高，能夠很好地滿足紙廠需求。由于國產(chǎn)定量閥不能夠很好滿足工業(yè)現(xiàn)場需求，這類能達(dá)到滿意效果的定量閥幾乎全是國外產(chǎn)品，而國外一個DN100定量閥價格為10萬～15萬元，高昂的設(shè)備成本讓許多紙廠望而卻步，因此研制國內(nèi)自有品牌的高精度定量閥非常必要。而現(xiàn)今國內(nèi)對于定量閥的研究還處于初級階段，閥門在工作時定位還不準(zhǔn)確[6]。本研究主要從定量閥的控制器著手，使用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，將原來由一個脈沖完成的步距角細(xì)分為成倍的脈沖完成，通過比較后，用擬合S形加減速曲線方法發(fā)射脈沖，完成準(zhǔn)確定位。

1 定量閥結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 定量閥結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點

高精度定量閥可分為控制單元、執(zhí)行器、連接在執(zhí)行器上的閥體。控制單元是專有硬件電路板，采用雙出軸步進電機和精密行星減速器為電動執(zhí)行機構(gòu)，步進電機的一端插入精密行星減速器用作閥芯驅(qū)動，另一端插入手輪。減速器輸出主軸上設(shè)有齒輪和機械限位開關(guān)，極限反饋就是通過輸出主軸上的限位開關(guān)實現(xiàn)的。閥門回訊器的連接軸與傳動軸平行布置，這樣可以減小閥門縱向體積，通過齒輪傳動指示并反饋閥位。閥體一般使用V型球閥。高精度定量閥的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 高精度定量閥結(jié)構(gòu)

圖2 定量閥控制原理

使用步進電機作執(zhí)行機構(gòu)的原因在于步進電機不存在累計誤差的優(yōu)點，一個脈沖一個步距角，同時不受電壓、電流等因素干擾。但步進電機在傳統(tǒng)恒頻脈沖工作時，起動會有丟步，低頻振蕩，還有起、停段沖擊過大等現(xiàn)象。加上現(xiàn)有機械加工技術(shù)存在不足，導(dǎo)致閥門定位精度不高[7- 8]。

1.2 定量閥控制原理

控制單元接收給定的開、關(guān)閥信號，現(xiàn)場閥門極限反饋信號，4～20 mA閥位信號，閥門位置反饋是閥門內(nèi)部一個精密電位計產(chǎn)生信號，該信號被轉(zhuǎn)換成電流信號(4～20 mA)，發(fā)送到控制單元。同時控制單元也會給QCS閥位反饋信號，脈沖信號由CPU上自帶DO模塊給步進電機驅(qū)動器，然后由步進電機驅(qū)動器給定驅(qū)動脈沖與電流。整個信號的輸入輸出需要1個AO、1個AI、8個DI、2個DO。定量閥控制原理圖如圖2所示。

2 定量閥傳統(tǒng)控制策略

傳統(tǒng)定量閥的控制信號一般分為兩種模式，脈沖持續(xù)模式和電平持續(xù)模式，見圖3。當(dāng)QCS系統(tǒng)發(fā)射持續(xù)脈沖信號給控制單元，控制單元也同樣給步進電機驅(qū)動器一個脈沖，這種脈沖跟作用時間長短與電機轉(zhuǎn)角無關(guān)，控制單元只識別上升沿和下降沿。電機的動作與脈沖及方向信號有關(guān)，只有脈沖信號時，電機反轉(zhuǎn)；脈沖加方向信號時，電機正轉(zhuǎn)。當(dāng)QCS給控制單元的是電平信號，步進電機驅(qū)動器同樣發(fā)射恒頻脈沖給電機，在開閥或者關(guān)閥電平接通時，電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，直至電平消失，電機停止。因此，對于傳統(tǒng)的高精度定量閥控制策略來說，不管是恒頻脈沖信號或者正反轉(zhuǎn)電平信號，最終步進電機驅(qū)動器發(fā)射給電機的都始終是占空比為50%的恒頻脈沖[9]。

圖3 傳統(tǒng)定量閥控制信號模式

3 改進的定位控制策略

針對恒頻率控制產(chǎn)生丟步、過沖、電機速度變化太劇烈等缺點，需要減少閥門定位過程中速度變化的梯度，而常見的定位速度控制曲線有梯形加減速曲線、S型加減速曲線[10]，都能減少定位過程中的速度變化梯度，下面分析這兩種控制算法曲線的特征。

3.1 梯形加減速曲線

如圖4所示，梯形加減速曲線可以分為3段：恒加速運動、勻速運動、恒減速運動。初始速度反應(yīng)步進電機的動力性能。

圖4 梯形加減速曲線

由圖4可以看出，梯形加減速曲線在速度變化上沒有突變，在加速度的變化上存在2次突變，在速度的拐點處仍可能存在丟步的問題。

3.2 S形加減速曲線

S形加減速曲線有多種類型，7段的曲線是最復(fù)雜的，也是最完整的。分別是：加速度增大的加速運動、加速度恒定的加速運動、加速度減小的加速運動、加速度為零的勻速運動、 加速度增大的減速運動、加速度恒定的減速運動、加速度減小的減速運動。S形加減速曲線如圖5所示。

圖5 S形加減速及擬合曲線

電機以初速度為0，加速度為：

在[0,t1]時間段內(nèi)，做加速度增大的加速運動，t1時刻的速度：

(t1,t2]時間段內(nèi)做加速度恒定的加速運動，t2時刻的速度：

(t2,t3]時間段內(nèi)做加速度減小的加速運動，t3時刻的速度：

(t3,t4]時間段內(nèi)，做加速度為零的勻速運動，t4時刻的速度：

v4=v3

(t4,t5]時間段內(nèi)，做加速度增大的減速運動，t5時刻的速度：

(t5,t6]時間段內(nèi)，做加速度恒定的加速運動，t6時刻的速度：

(t6,t7]時間段內(nèi)，做加速度減小的減速運動，t7時刻速度：

S形曲線是比較好的運動曲線，整個運動過程中在速度以及加速度都沒有發(fā)生突變，運動非常平穩(wěn)。同時擬合曲線也分為7段，第一段加速度適中，加速度過大易丟步，做加速運動，到第二段加速度增大，減小速度上升時間，第三段加速度比前兩段都小，防止過沖，第四段做勻速運動，剩下的減速段與加速段對稱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擬合曲線能很好地貼合S形曲線。由此得出結(jié)論：兩種曲線均能夠減少定位過程速度變化梯度，能有效降低丟步和過沖出現(xiàn)的可能性，而且S形加減速曲線的定位精度是最好的，但是通過編程發(fā)現(xiàn)S形加減速曲線在PLC執(zhí)行過程中耗時過長，脈沖發(fā)送耗時比程序運行周期段短，會造成電機停轉(zhuǎn)現(xiàn)象。反而S形加減速擬合曲線在使電機速度連續(xù)的前提下，也能達(dá)到滿意的效果。表1是各脈沖類型之間優(yōu)缺點以及與S7-200兼容性的對比[11-12]。

表1 脈沖類型對比

因此采取細(xì)分驅(qū)動技術(shù)、S形加減速擬合曲線發(fā)射脈沖為控制策略，不增加控制器硬件成本情況下，可以實現(xiàn)高精度定量閥的精準(zhǔn)定位。這是與傳統(tǒng)的恒頻脈沖控制不同之處，給步進電機一個加速、減速過程，在整個運動過程中沒有速度上的突變[13-14]。

4 S形加減速7段擬合曲線精密定位控制的工程實現(xiàn)

4.1 高速脈沖串輸出概述

PTO、PWM是S7-200 PLC高速脈沖串輸出，在PTO的作用下，通過改變脈沖的周期值和脈沖數(shù)，可以實現(xiàn)變頻脈沖，PWM是寬度可調(diào)脈沖信號，周期不可變。PTO分為單段PTO和多段PTO兩種。

單段PTO：定義一個脈沖串，輸出一個脈沖串，特殊參數(shù)通過特殊寄存器來定義。

多段PTO：集中定義多個脈沖串，按順序輸出多個脈沖串，特殊參數(shù)通過包絡(luò)表定義。

4.2 PTO的實現(xiàn)

單段PTO的實現(xiàn)方法：用指定的特殊標(biāo)志寄存器定義脈沖串特性參數(shù)，每次定義一個脈沖串。一個脈沖串輸出后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中再為下個脈沖串更新參數(shù)，輸出下一個脈沖串。單段PTO的優(yōu)點在于可以采用不同的時間基準(zhǔn)，但是在輸出多個高速脈沖串時，編程復(fù)雜，且參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會造成脈沖串之間的不平滑轉(zhuǎn)換。

多段PTO的實現(xiàn)方法：集中定義需要的脈沖段數(shù)，并把各段脈沖的特性參數(shù)按照規(guī)定的格式寫入用戶指定的變量存儲區(qū)，也就是包絡(luò)表。包絡(luò)表是包絡(luò)段數(shù)和各段參數(shù)組成，定義包絡(luò)的首地址為脈沖總段數(shù)，定義一段脈沖串需要8個字節(jié)，2個字節(jié)存放脈沖串的起始周期值，2個字節(jié)定義脈沖串的周期增量，其中周期增量等于段終止周期值減去段起始值再比上該段的脈沖數(shù)，最后4個字節(jié)存放該段的脈沖數(shù)。由于在實現(xiàn)多段高數(shù)脈沖輸出時，多段PTO編程比單段PTO編程更易實現(xiàn)，選擇用多段PTO來實現(xiàn)7段S形加減速擬合曲線。

4.3 多段PTO編程方法與步驟

首先初始化操作，將PTO的輸出點Q0.0復(fù)位。調(diào)用初始化子程序SBR-1，設(shè)置控制字節(jié)SMB67，按照控制要求按位填寫，如表2所示，將二進制轉(zhuǎn)化十六進制，得到SMB67=16#A0。將包絡(luò)表的起始地址400寫入SMW168，填寫包絡(luò)各段脈沖串的特性參數(shù)，比如周期值、周期增量、脈沖數(shù)。建立中斷連接，用ATCH指令建立脈沖輸出完成中斷事件和中斷程序的聯(lián)系。當(dāng)PLS指令輸出完指定數(shù)量的脈沖串時，產(chǎn)生中斷。用ENI開放全局中斷。

最后有起動信號時，執(zhí)行高速脈沖輸出指令PLS，按順序輸出多段脈沖串，有停止信號時，SM67.7會復(fù)位，禁止脈沖輸出。

表2 SMB67二進制位

4.4 程序與試驗結(jié)果

主程序流程圖如圖6所示。

主程序代碼如下： LD M0.1

R Q0.0, 1

CALL SBR_1:SBR1 //將輸出映像寄存器Q0.0清零；初始化子程序SBR_1。

表3 閥門電機實驗數(shù)據(jù)

LD M0.0

MOVB 16#A0，SMB67

MOVW 400，SMW168

CALL SBR_0:SBR0

ATCH INT_0:INT0，19

ENI

PLS 0 //裝載時間基準(zhǔn)16#A0，并賦包絡(luò)表首地址400，調(diào)用子程序SBR0，建立中斷與中斷服務(wù)程序聯(lián)系，全局開放中斷，執(zhí)行脈沖輸出指令。

LD M0.0

EU

R M0.0，1 //復(fù)位使能開關(guān)

LD M0.2

R SM67.7, 1

PLS 0

S SM67.7, 1

R M0.2, 1 //禁止脈沖串輸出，并復(fù)位停止按鈕。

步進電機一個脈沖1.8°，恒頻脈沖多次實驗發(fā)現(xiàn)存在丟步和過沖現(xiàn)象。通過256細(xì)分，擬合S形加減速整個過程，用分辨率為0.045°旋轉(zhuǎn)編碼器測量步進電機轉(zhuǎn)角，結(jié)果如表3所示，誤差明顯減小。

脈沖波形通過示波器顯示，如圖7所示，脈沖頻率是個逐漸增加到穩(wěn)定再逐漸減小的過程，與實際加減速過程吻合。

圖6 主程序流程圖

圖7 擬合曲線脈沖波形

5 結(jié) 語

高精度定量閥作為流體流量精準(zhǔn)控制不可或缺的設(shè)備，其定位準(zhǔn)確與否直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。為滿足生產(chǎn)需求，很多工廠只好購買國外定量閥，大大增加了設(shè)備投入成本。目前國內(nèi)研制的定量閥由于機械加工精度以及步進電機丟步、過沖等原因，致使定量閥定位不準(zhǔn)確。選擇使用S形加減速擬合曲線控制算法，在不增加硬件成本的前提下，有效地提高了閥門的定位能力。

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(責(zé)任編輯：劉振華)

Improvement of High-precision Quantitative Valve Controller Based on S7-200

TANG Wei1HUANG Bao-zhu1,*HU Xiang-man1WANG Feng2

(1.InstituteofAutomation,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021; 2.ZhejiangLinuoFluidControlTechnologyCo.,Ltd.,Rui’an,ZhejiangProvince, 325200)(*E-mail: 760596306@qq.com )

This paper analyzed the structure and control principle of quantitative valve. After comparing the traditional constant frequency pulse control algorithm, with the trapezoidal curve algorithm, and S curve algorithm, fitting S curve algorithm was close to control the quantitative valve. At the same time, in order to have enough acceleration and deceleration process, the subdivided driving technology was applied, by fitting 7 segments S curve and without increasing hardware cost was realiged, the precision positioning control of high-precision quantitative valve was realized．

high-precision quantitative valve; constant frequency pulse control algorithm； trapezoidal curve algorithm; S curve algorithm; subdivided driving technology

2016- 06-14(修改稿)

高精度定量控制執(zhí)行器的研制(201311)；陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目(2014KCT-15)。

湯 偉先生，博士，教授；研究方向：工業(yè)智能控制及工業(yè)高級過程控制。

TS737+.3;TP212

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.12.009

*通信作者：黃寶柱先生，E-mail:760596306@qq.com。