基于PLC的模擬量和高速計(jì)數(shù)器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)

龔愛平， 王新偉

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518172）

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基于PLC的模擬量和高速計(jì)數(shù)器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)

龔愛平， 王新偉

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518172）

摘 要：由于實(shí)驗(yàn)器材昂貴而造成部分中、高職院校教學(xué)器材短缺。本文介紹了一種基于PLC的模擬量及高速計(jì)數(shù)器的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)板的開發(fā)方法，即采用串聯(lián)電阻的分壓原理，用一固定值電阻和可調(diào)電阻串聯(lián)，兩電阻接點(diǎn)處的電壓為模擬量信號(hào)；利用集成芯片555定時(shí)器的特性，使之作為高速脈沖信號(hào)發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)表明，該實(shí)驗(yàn)板能達(dá)到基于PLC模擬量及高速計(jì)數(shù)器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求。利用該方法開發(fā)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)器材，使用靈活，性能穩(wěn)定，直觀性強(qiáng)，制作容易且價(jià)格便宜。

關(guān)鍵詞：555定時(shí)器；高速脈沖；脈寬調(diào)制

在以可編程序控制器（Programmable Controller，簡(jiǎn)稱PLC）為核心的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要測(cè)量各類模擬電壓/電流信號(hào)，而PLC高速計(jì)數(shù)器具有高可靠性、實(shí)用性和簡(jiǎn)單靈活的優(yōu)點(diǎn)［1-3］。它們應(yīng)用廣泛，在一些實(shí)際工程中雙影隨行，如對(duì)速度和位置的閉環(huán)控制［4-7］。但由于PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，使得大多數(shù)高校均存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能滿足教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的需要。在一些職業(yè)院校及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，有些教學(xué)實(shí)驗(yàn)常常安排4人以上共用一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，更有甚者，有些重要的教學(xué)內(nèi)容，由于缺乏相應(yīng)的教學(xué)設(shè)備而不得不舍棄，基于PLC的高速計(jì)數(shù)器就是這些經(jīng)常被老師忍痛放棄的教學(xué)內(nèi)容。

555定時(shí)器除了作定時(shí)延時(shí)控制外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于頻率變換、脈寬調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價(jià)格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中。

本文采用串聯(lián)電阻的分壓原理和555定時(shí)器的脈寬調(diào)制性能及常用電子元器件，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的模擬量和高速計(jì)數(shù)器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)板。實(shí)驗(yàn)表明，該實(shí)驗(yàn)板能達(dá)到基于PLC模擬量及高速計(jì)數(shù)器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求。該實(shí)驗(yàn)板使用靈活，性能穩(wěn)定，直觀性強(qiáng)，制作容易且價(jià)格便宜。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括示波器（泰克科技TBS1202BEDU，200M帶寬）、萬(wàn)用表（FLUKE 17B+）、PLC（三菱FX3U-32MT和西門子S7-200 SMART ST60）、AD模塊（三菱FX2N 4AD和西門子EM AE04）、DA模塊（三菱FX2N-2DA和西門子EM AQ02）以及實(shí)驗(yàn)電路板，電路板上焊接有555定時(shí)器、電阻、電容、三極管、按鍵及接線端子等。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1可調(diào)模擬電壓電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，VCC、可調(diào)電阻R5及R6構(gòu)成了模擬電壓調(diào)節(jié)電路，調(diào)節(jié)R5的電阻值，可在AD接點(diǎn)獲得變化的模擬電壓量。AD點(diǎn)通過P1接口連接至AD轉(zhuǎn)換模塊，供PLC讀取模擬電壓數(shù)據(jù)，PLC讀取的模擬電壓數(shù)據(jù)再通過DA轉(zhuǎn)換模塊，連接至PLC_1端供數(shù)碼管顯示模塊顯示模擬電壓值。實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)需要，撥動(dòng)選擇開關(guān)S1，讓數(shù)碼管顯示AD點(diǎn)的電壓值或PLC_1的DA轉(zhuǎn)換電壓值。

圖1　模擬電壓可調(diào)電路與脈沖調(diào)制電路Fig.1 Analog voltage adjustable circuit and Pulse width modulation circuit

1.2.2基于555定時(shí)器的脈沖頻率可調(diào)電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，555定時(shí)器、R1、R2、C1構(gòu)成多諧振蕩器。接通電源后，電源Vcc 通過可調(diào)電阻R1和R2對(duì)電容C1充電，當(dāng)U

由公式（1）和（2）可知電阻R1、R2和電容C1共同決定了放電時(shí)間和充電時(shí)間，脈沖周期T≈ TH+ TL。在本設(shè)計(jì)中，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R1的阻值而實(shí)現(xiàn)555的輸出脈沖頻率（管腳3）變化。

利用圖1所示電路原理設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)板，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將“PLC輸入端”連接到PLC的高速計(jì)數(shù)器輸入端，電路工作時(shí)，“PLC輸入端”便能得到1/T的脈沖頻率，在電路中設(shè)計(jì)兩路這樣的信號(hào)并連接到PLC的高數(shù)計(jì)數(shù)器輸入端，然后在PLC中寫入相應(yīng)的程序，本電路可以實(shí)驗(yàn)不同類型的基于PLC的高速計(jì)數(shù)器。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和不同PLC型號(hào)上的可應(yīng)用性，本文設(shè)計(jì)并制作了基于上述內(nèi)容的PCBA實(shí)驗(yàn)板，采用了高職院校教學(xué)設(shè)備比較流行的三菱FX3U-32MT PLC、三菱FX2N 4AD AD模塊及三菱FX2N-2DA DA模塊和西門子S7-200 SMART ST60 PLC、西門子EM AE04 AD模塊及西門子EM AQ02 DA模塊。以三菱PLC為例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The system structure diagram

圖2中，PLC的COM端和實(shí)驗(yàn)板的COM端相連，圖1所示的“PLC輸入端”連接到了PLC的X0。實(shí)驗(yàn)板的“AD輸出”端連接至FX2N-4AD的模擬電壓輸入端，“DA輸入端”和FX2N-2DA的模擬信號(hào)輸出端相連，AD和DA模塊通過PLC卡槽接線和三菱PLC CPU相連。

2.1基于可調(diào)模擬電壓電路的驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)選取R6的阻值為100Ω，R5為0～10 kΩ范圍可調(diào)電阻，VCC為5 V直流電壓，PLC已下載編寫好的基于AD、DA轉(zhuǎn)換的程序。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用萬(wàn)用表分別監(jiān)測(cè)AD點(diǎn)和PLC_1的模擬電壓，調(diào)節(jié)R5的阻值，調(diào)節(jié)AD點(diǎn)的電壓分別為0.5V、1.0V、1.5V、2.0V、2.5V、3.0V、3.5V、4.0V、4.5V共9個(gè)點(diǎn)（以萬(wàn)用表測(cè)得的電壓），每個(gè)電壓點(diǎn)分別實(shí)驗(yàn)10 次AD、DA轉(zhuǎn)換，數(shù)碼管顯示穩(wěn)定后，記錄數(shù)碼管的讀數(shù)，10次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值如表1所示。

表1　10次PLC模擬量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值結(jié)果Tab.1 The 10 times measuring average results of PLC analog conversion experiment

從表1可以看出，數(shù)碼管顯示模塊顯示的電壓值皆高于測(cè)量值，最大電壓平均值為0.11 V；經(jīng)過AD模塊、PLC及DA模塊處理后的電壓值和處理前的電壓值最大平均誤差為0.10 V。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該數(shù)碼管顯示相對(duì)穩(wěn)定，該電路能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。該電路具有性能穩(wěn)定，直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.2基于高速計(jì)數(shù)器電路的驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)通過R1和C的值，限定“PLC輸入”端的最高頻率為2 kHz。實(shí)驗(yàn)時(shí)，示波器的探針負(fù)極端接至實(shí)驗(yàn)板的COM端，探針正極接至PLC的X0端。調(diào)節(jié)變阻器R112的阻值，用示波器觀測(cè)“PLC輸入”端的頻率變化并撲捉記錄下來(lái)，然后計(jì)算“PLC輸入”端的頻率；同時(shí)，基于高速計(jì)數(shù)指令編寫的PLC程序分別讀取X0端1秒、5秒和10秒三個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度的脈沖數(shù)量各10次。PLC高速計(jì)數(shù)寄存器讀出的結(jié)果和示波器觀測(cè)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)：（1）當(dāng)頻率低于1 kHz時(shí)，PLC在三個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度讀取的脈沖數(shù)和示波器觀測(cè)計(jì)算脈沖數(shù)一致；（2）當(dāng)頻率大于1 kHz時(shí)，PLC在三個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度讀取的脈沖數(shù)和示波器觀測(cè)計(jì)算脈沖數(shù)有偏差，10次測(cè)試結(jié)果的偏差顯示并無(wú)規(guī)律，最大偏差為±2%，頻率越高，偏差越大。

分析發(fā)現(xiàn)，造成上述兩結(jié)果的原因主要是由于示波器撲捉的頻率是人工計(jì)算的，在示波器中，手動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量“PLC輸入”端的脈沖周期，客觀存在一定的誤差。頻率低時(shí)，誤差不明顯；頻率越高誤差越明顯，導(dǎo)致測(cè)試PLC讀取的脈沖數(shù)量與示波器觀測(cè)的脈沖數(shù)量存在偏差。但最大偏差為±2%，屬于可接受的范圍內(nèi)，證明本文設(shè)計(jì)的基于高速計(jì)數(shù)的電路可作為PLC的高速計(jì)數(shù)指令的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

3　結(jié)束語(yǔ)

基于PLC的模擬量和高速計(jì)數(shù)器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)板具有簡(jiǎn)便性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，既能滿足機(jī)電類專業(yè)學(xué)生對(duì)可編程序控制器教學(xué)的需要，也能用于對(duì)企業(yè)工程技術(shù)人員培訓(xùn)；既能給學(xué)生實(shí)訓(xùn)，又能給學(xué)生考核，更適合于廣大電工操作人員自學(xué)，化枯燥而生動(dòng)。促進(jìn)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)，解決書本教學(xué)不能與實(shí)驗(yàn)同步的問題，教學(xué)內(nèi)容更充實(shí)，提高了教學(xué)品質(zhì)。學(xué)生利用這些裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，開拓了思路，鍛煉了分析問題、解決問題的能力。真正意義上實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，更好地發(fā)揮教學(xué)的效果。

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【責(zé)任編輯：楊立衡】

Development of the analog conversion and high-speed counter experimental board for the PLC teaching

GONG Aiping， WANG Xinwei
（School of Electronechonical Engineering， Shenzhen Institue of Information Technology，ShenZhen 518172， China）

Abstract:Nowadays， some vocational colleges are shortage of teaching equipment because the high cost of experimental equipments being. This article presents the development of an Analog conversion and High-speed counter experimental board applied to teach PLC. The partial pressure principle of series resistance was applied to generate the analog signal. The 555 timer worked in asynchronous mode combined with AD/DA conversion module to perform High-speed counter signal generator. The results indicate that the developed analog conversion and High-speed experimental board was flexible and stable performance. This experimental board enables the students conveniently and reliably to acquire the analog conversion and High-speed counter knowledge through PLC experiment. It provided a feasible alternative to teach analog conversion and High-speed counter on PLC teaching.

Key words:555 timer； high-speed pulse； pulse-width modulation

中圖分類號(hào)：TP273.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-6332（2016）01-0087-04

［收稿日期］2016-1-16

［基金項(xiàng)目］深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金（JCYJ20150417094158023）；深圳市教育科研規(guī)劃2015年重大課題（ybzz15082）

［作者簡(jiǎn)介］龔愛平（1977-），男（漢），廣東深圳人，博士，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)控制。E-mail:gongap@sziit.edu.cn