基于PLC的模拟量和高速计数器的教学实验板设计

龚爱平， 王新伟

（深圳信息职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518172）



基于PLC的模拟量和高速计数器的教学实验板设计

龚爱平， 王新伟

（深圳信息职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518172）

摘 要：由于实验器材昂贵而造成部分中、高职院校教学器材短缺。本文介绍了一种基于PLC的模拟量及高速计数器的PLC教学实验板的开发方法，即采用串联电阻的分压原理，用一固定值电阻和可调电阻串联，两电阻接点处的电压为模拟量信号；利用集成芯片555定时器的特性，使之作为高速脉冲信号发生器。实验表明，该实验板能达到基于PLC模拟量及高速计数器的教学实验要求。利用该方法开发的教学实验器材，使用灵活，性能稳定，直观性强，制作容易且价格便宜。

关键词：555定时器；高速脉冲；脉宽调制

在以可编程序控制器（Programmable Controller，简称PLC）为核心的工业自动控制系统中，经常要测量各类模拟电压/电流信号，而PLC高速计数器具有高可靠性、实用性和简单灵活的优点［1-3］。它们应用广泛，在一些实际工程中双影随行，如对速度和位置的闭环控制［4-7］。但由于PLC教学实验设备昂贵，使得大多数高校均存在实验设备不能满足教学实践环节的需要。在一些职业院校及培训机构，有些教学实验常常安排4人以上共用一台实验设备，更有甚者，有些重要的教学内容，由于缺乏相应的教学设备而不得不舍弃，基于PLC的高速计数器就是这些经常被老师忍痛放弃的教学内容。

555定时器除了作定时延时控制外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于频率变换、脉宽调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中。

本文采用串联电阻的分压原理和555定时器的脉宽调制性能及常用电子元器件，设计了一种基于PLC的模拟量和高速计数器的教学实验板。实验表明，该实验板能达到基于PLC模拟量及高速计数器的教学实验要求。该实验板使用灵活，性能稳定，直观性强，制作容易且价格便宜。

1　实验材料与方法

1.1实验材料

实验设备包括示波器（泰克科技TBS1202BEDU，200M带宽）、万用表（FLUKE 17B+）、PLC（三菱FX3U-32MT和西门子S7-200 SMART ST60）、AD模块（三菱FX2N 4AD和西门子EM AE04）、DA模块（三菱FX2N-2DA和西门子EM AQ02）以及实验电路板，电路板上焊接有555定时器、电阻、电容、三极管、按键及接线端子等。

1.2实验方法

1.2.1可调模拟电压电路设计

如图1所示，VCC、可调电阻R5及R6构成了模拟电压调节电路，调节R5的电阻值，可在AD接点获得变化的模拟电压量。AD点通过P1接口连接至AD转换模块，供PLC读取模拟电压数据，PLC读取的模拟电压数据再通过DA转换模块，连接至PLC_1端供数码管显示模块显示模拟电压值。实验时，根据需要，拨动选择开关S1，让数码管显示AD点的电压值或PLC_1的DA转换电压值。

图1　模拟电压可调电路与脉冲调制电路Fig.1 Analog voltage adjustable circuit and Pulse width modulation circuit

1.2.2基于555定时器的脉冲频率可调电路设计

如图1所示，555定时器、R1、R2、C1构成多谐振荡器。接通电源后，电源Vcc 通过可调电阻R1和R2对电容C1充电，当U

由公式（1）和（2）可知电阻R1、R2和电容C1共同决定了放电时间和充电时间，脉冲周期T≈ TH+ TL。在本设计中，通过手动调节可调电阻R1的阻值而实现555的输出脉冲频率（管脚3）变化。

利用图1所示电路原理设计的实验板，实验时，将“PLC输入端”连接到PLC的高速计数器输入端，电路工作时，“PLC输入端”便能得到1/T的脉冲频率，在电路中设计两路这样的信号并连接到PLC的高数计数器输入端，然后在PLC中写入相应的程序，本电路可以实验不同类型的基于PLC的高速计数器。

2　实验结果与讨论

为了验证该设计方法的可重复性、准确性和不同PLC型号上的可应用性，本文设计并制作了基于上述内容的PCBA实验板，采用了高职院校教学设备比较流行的三菱FX3U-32MT PLC、三菱FX2N 4AD AD模块及三菱FX2N-2DA DA模块和西门子S7-200 SMART ST60 PLC、西门子EM AE04 AD模块及西门子EM AQ02 DA模块。以三菱PLC为例的系统结构如图2所示。

图2　系统结构示意图Fig.2 The system structure diagram

图2中，PLC的COM端和实验板的COM端相连，图1所示的“PLC输入端”连接到了PLC的X0。实验板的“AD输出”端连接至FX2N-4AD的模拟电压输入端，“DA输入端”和FX2N-2DA的模拟信号输出端相连，AD和DA模块通过PLC卡槽接线和三菱PLC CPU相连。

2.1基于可调模拟电压电路的验证

本次实验选取R6的阻值为100Ω，R5为0～10 kΩ范围可调电阻，VCC为5 V直流电压，PLC已下载编写好的基于AD、DA转换的程序。实验时，用万用表分别监测AD点和PLC_1的模拟电压，调节R5的阻值，调节AD点的电压分别为0.5V、1.0V、1.5V、2.0V、2.5V、3.0V、3.5V、4.0V、4.5V共9个点（以万用表测得的电压），每个电压点分别实验10 次AD、DA转换，数码管显示稳定后，记录数码管的读数，10次实验结果的平均值如表1所示。

表1　10次PLC模拟量转换实验测量平均值结果Tab.1 The 10 times measuring average results of PLC analog conversion experiment

从表1可以看出，数码管显示模块显示的电压值皆高于测量值，最大电压平均值为0.11 V；经过AD模块、PLC及DA模块处理后的电压值和处理前的电压值最大平均误差为0.10 V。实验数据表明该数码管显示相对稳定，该电路能满足实验教学要求。该电路具有性能稳定，直观性强的特点。

2.2基于高速计数器电路的验证

本次实验通过R1和C的值，限定“PLC输入”端的最高频率为2 kHz。实验时，示波器的探针负极端接至实验板的COM端，探针正极接至PLC的X0端。调节变阻器R112的阻值，用示波器观测“PLC输入”端的频率变化并扑捉记录下来，然后计算“PLC输入”端的频率；同时，基于高速计数指令编写的PLC程序分别读取X0端1秒、5秒和10秒三个时间长度的脉冲数量各10次。PLC高速计数寄存器读出的结果和示波器观测结果比较发现：（1）当频率低于1 kHz时，PLC在三个时间长度读取的脉冲数和示波器观测计算脉冲数一致；（2）当频率大于1 kHz时，PLC在三个时间长度读取的脉冲数和示波器观测计算脉冲数有偏差，10次测试结果的偏差显示并无规律，最大偏差为±2%，频率越高，偏差越大。

分析发现，造成上述两结果的原因主要是由于示波器扑捉的频率是人工计算的，在示波器中，手动调节测量“PLC输入”端的脉冲周期，客观存在一定的误差。频率低时，误差不明显；频率越高误差越明显，导致测试PLC读取的脉冲数量与示波器观测的脉冲数量存在偏差。但最大偏差为±2%，属于可接受的范围内，证明本文设计的基于高速计数的电路可作为PLC的高速计数指令的教学实验。

3　结束语

基于PLC的模拟量和高速计数器的教学实验板具有简便性和经济性等特点，既能满足机电类专业学生对可编程序控制器教学的需要，也能用于对企业工程技术人员培训；既能给学生实训，又能给学生考核，更适合于广大电工操作人员自学，化枯燥而生动。促进了教学实验基地的建设，解决书本教学不能与实验同步的问题，教学内容更充实，提高了教学品质。学生利用这些装置进行设计性实验，开拓了思路，锻炼了分析问题、解决问题的能力。真正意义上实现了理论与实践环节的有机结合，更好地发挥教学的效果。

参考文献（References）:

［1］ 韩克镇， 孙全颖， 王洪运. 基于PLC的光栅位移测量技术的研究［J］. 哈尔滨理工大学学报. 2005， 10（5）: 43-45.

HAN kezhen， SUN Quanying， WANG Hongyun. The research of measurement with grating displacement sensor based on PLC［J］. Journal Harbin University of Science & Technology. 2005， 10（5）: 43-45. （in Chinese）

［2］ 黄超， 孙东明， 胡永鹏. 电阻焊机自动测厚装置［J］. 焊接学报. 2008， 1: 97-100.

HUANG Chao， SUN Dongming， HU Yongpeng. The automatic thickness measurement device of resistance welding machine［J］. Transactions of the China welding institution. 2008， 1: 97-100. （in Chinese）

［3］ 刘亚东， 李从心， 汪德才， 等. 用PLC实现位置控制的方法［J］. 上海交通大学学报. 2002， 36（4）: 491-493.

LIU Yadong， LI Congxin， WANG Decai， etc. Position controlwith programmable logic controller［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University. 2002， 36（4）: 491-493. （in Chinese）

［4］ 侯惠淇， 韩志刚， Jordi Cosp-Vilella. 线性辅助的DC-DC电压转换器的设计［J］. 微电子技术. 2015， 41（7）: 47-49.

HOU Huiqi， HAN Zhigang， Jordi Cosp-Vilella. Design of linear-assisted DC-DC voltage converter［J］. Microelectronic Technology. 2015， 41（7）: 47-49. （in Chinese）

［5］ 侯树文， 王永梅， 肖慧文， 等. 基于PLC的火力发电机组主汽温微分先行控制器［J］. 电力自动化设备. 2009， 2: 140-144.

HOU Shuwen， WANG Yongmei， XIAO Huiwen， etc. Differential preceding PID controller based on PLC for main-steam temperature control［J］. Electric Power Automation Equipment. 2009， 2: 140-144. （in Chinese）

［6］ 田立国， 朴松鹤， 裴哲， 等. 西门子PLC与ABB变频器之间模拟量控制的应用［J］. 工程与试验. 2014， 54（4）: 73-76.

TIAN Liguo， PIAO Songhe， PEI Zhe， etc. Application of analog control between Siemens PLC and ABB Frequency converter［J］. Engineering and Test. 2014， 54（4）: 73-76. （in Chinese）

［7］ 李满天， 张晓光， 贾光政. 液压防喷系统研制［J］. 机床与液压. 2012， 40（2）: 42-43.

LI Mantian， ZHANG Xiaoguang， JIA guangzheng. Development of Hydraulic BOP System［J］. Machine Tool & Hydraulic. 2012， 40（2）: 42-43. （in Chinese）

【责任编辑：杨立衡】

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

中图分类号：TP273.4

文献标识码：A

文章编号：1672-6332（2016）01-0087-04

［收稿日期］2016-1-16

［基金项目］深圳市战略新兴产业发展专项资金（JCYJ20150417094158023）；深圳市教育科研规划2015年重大课题（ybzz15082）

［作者简介］龚爱平（1977-），男（汉），广东深圳人，博士，讲师，主要研究方向：计算机控制。E-mail:gongap@sziit.edu.cn