西门子S7 200PLC直接控制电动执行机构

何军林

摘 要：对计算机控制系统中电动执行器控制展开优化探究，分析传统D/A转换器结合伺服放大器存在的问题，提出了消除中间环节，直接通过PLC控制电动执行器的方法，通过应用发现控制精度显著提升。

关键词：电动执行器；PLC开关量；自动控制

当今的工业生产中，电动执行机构是驱动和控制水、气、油等各种流体阀门的重要设备，广泛应用于石油、化工、冶金和电力等领域中，随着现代化工业对电动执行机构要求的提高，传统的控制方式为模拟信号与伺服放大器配套控制电动执行器，在功能和使用上的缺点暴露得越来越明显。

本文主要介绍使用西门子S7200系列可编程控制器对电动执行机构进行改造，PLC可根据上位机传来的数字信号或者4～20mA的模拟控制信号，直接操作改变执行机构的开度，利用微机技术和现场通信技术扩大功能，实现在线自动标定、手自动切换、实时监控等多种控制技术要求的功能，有效提高控制水平。

1 问题提出

以往计算机控制系统输出主要经过D/A转换器，将输出数字信号转换为模拟信号，再配合放大器对电动执行器进行控制，实际运用过程中，如果执行器反馈断路，执行机构一直正转或反转，直到全开或全关，容易将执行机构烧坏，或拉坏执行器相连的阀门与风门。此外，如果伺服放大器调整出现问题，就会导致放大器输出发生震荡，造成执行器反复开关动作，最终导致设备损坏。

对此，探究问题：是否可以满足信号传输过程中，不经过伺服放大器，而是直接经由PLC控制器输出开关量信号，进而控制电动执行器，且确保执行器的正常动作，即节省投资，又能满足控制和工艺要求。

2 执行机构

执行机构主要由控制器和执行器组成，执行机构的控制器采用西门子S7200可编程控制器为核心，配以相应的外围电路。明显简化了系统的结构，提高了控制精度。执行器由电机和位置传感器构成，执行机构的正反转向是通过改变电机的正反转动来实现的。控制器接收来自控制中心的DC20mA的电信号，该模拟信号接入PLC的模拟量模块，给定信号与反馈信号比较，由PLC判断处理，以确定执行机构的开关状态：正转、反转或者停止，再将执行机构实际开度传回控制中心。阀门实际开度和主轴旋转方向由接近开关通过安全栅传回PLC，以便监视阀门运行状态。

直接去掉伺服放大器，采用PLC控制系统，控制电动执行器。以开关量输出和反馈信号，结合编程，利用成本较低的开关代量输出代替昂贵的模拟量输出，能够提高系统的稳定性与可靠性，还能够节省成本。

3 控制器硬件

考虑开关量输入输出的数量，模拟量输入精度及连锁等各方面情况，选用酉门子S7200系列可编程控制器，CPU型号为CPU222。这种PLC小型、紧凑，可以直接装在电气常用的35mm标准导轨上，本机带有8个输入点和6个输出点，还可扩展2个模块，包括模拟量模块；机内有256个内部继电器，256个定时器/计数器，足够编程人员使用；内置24V直流电源；指令执行速度快，每条指令执行时间为0.378us，编程可用手持编程器，方便现场调试，也可以用个人PC，方便在研制场所编制程序及归档义件和打印输出。

模拟量单元采用E M 235组合模块，此模块有4路模拟量输入，2路模拟量输出。主要技术数据为：输入类型为差分输入；输入电流为0～20mA；数模转换时间小于250us ；量程范围为0～32000；A/D转换精度为12位；电流输出稳定时间为2ms。

PLC配置为：主机：6ES72121AB20OXB0；模拟量组合模块：6ES7235OKD20OXAO。

4 软件编程

执行机构的控制分为手动控制和自动控制两种方式，用户可根据实际操作的需要选择相应的工作方式。手动方式下，分别有正传、反转停止三个按钮，用户可以让阀执行机构正、反转并停止在任意位置；自动方式下，由上位机给出4～20mA的模拟量信号，PLC根据模拟信号和反馈信号，确定执行机构开度。

输入与输出：执行器位置反馈信号采用原始的相关反馈模块。通过PLC控制器的应用，对输入通道进行模拟，结合信号类型对模板跳线做出调整。由于位置反馈信号是执行器动作的主要依据，因此输入通道初始化的过程中，应当剪短采样时间，减少平均次数，提高反应灵敏度，缩小控制死区的范围，进而提高控制精度。开关量输出通道最大允许电流为2A，根据实际情况，鉴于风门故障状况比较常见，经常卡死导致执行器堵转，应当加设两个接触器，开关量输出驱动接触器，电流就会很小，不易出现损坏，能够起到放大隔离效果。

程序：执行器控制程序主要有三个部分：信号的采样与处理，以及特殊情况判定。其中对信号的采样，主要结合反馈信号进行通道设置，對采样方式与时间，以及信号存放地址等进行初始化。信号的处理则主要根据位置偏差值，来控制执行器的转动，在停电情况下，电机会发生惯性滞后，应当根据实际情况设置死区，控制偏差值。对于特殊情况的处理，设置手动与自动两种方式，可以自动判断位置反馈信号的正确性，执行器停止，通过人工控制及时处理故障。

5 应用成效

通过对控制系统的优化，将PLC开关量输出直接控制执行器的方案投入到企业某监控系统开发项目中。该控制系统中有5台电动执行器，用来调节风门开度，风门开度直接控制熟料引风量大小，对于熟料燃烧具有影响，即对烧成品质量有很大影响。所以该项目通过创建PLC开关量输出直接控制执行器的控制系统，来保证风门动作的灵敏可靠与准确，避免出现故障问题造成风门过开或者闭死。具体应用于一台执行器需要占用1个模拟量输入通道，来采集执行器位置反馈信号，以及两个开关量输出通道，用于控制执行器电机反转信号。

6 结语

综合全文，通过对传统D/A转换器、放大器控制系统的优化，直接通过PLC控制执行器，有效降低故障率，提高设备运转稳定性，节省模拟量输出成本费用，且PLC程序控制具有灵活特性，能够提高调节系统的控制质量。

参考文献：

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[2]薛惠芳，吴洪兵，王忠厚.西门子PLC在液力偶合器控制系统中的应用[J].微计算机信息，2006，22（25）：132134.

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