位移传感器plc PLC与各种传感器连接方案（含应用图）

发布时间：2024-10-06 02:10:27

PLC与各种传感器连接方案（含应用图）

在工业现场中，压力、位移、温度、流量、转速等各类模拟量传感器因设计使用的技术方法不同。传感器工作配电的方式主要分为两线制和四线制，其输出的模拟信号也各有差异，而常见的有0-20mA、4-20mA电流信号和0-75mV、0-5V、1-5V电压信号。

要把各类传感器模拟信号成功采集到PLC/DCS/FCS/MCU/FA/PC系统，就要根据传感器与数据采集系统的功能和技术特点进行匹配选型，同时也要考虑到工业现场传感器与PLC等数据采集系统的供电差异及各种EMC干扰的影响，通常把传感器输出的模拟信号隔离、放大、转换后送到PLC等数据采集系统。PLC通过信号线采集传感器的模拟或数字信号，然后进行处理，如果传感器是模拟输出，PLC就要接模拟输入接口，如果传感器是数字信号输出，PLC就要接数字输入接口.

开关量传感器 就是一个无触点的开关，开关量传感器可作为PLC的开关量输入信号。一般用于开关量控制的设备，机床，机器等。模拟量传感器是把不同的物理量(如压力、流量、温度)转换成模拟量(4-20MA的电流或1-5V的电压)。模拟量传感器作为PLC的模拟量输入模块的输入信号。一般用于过程控制。数字传感器是指将传统的模拟式传感器经过加装或改造A/D转换模块，使之输出信号为数字量(或数字编码)的传感器，主要包括：放大器、A/D转换器、微处理器（CPU）、存储器、通讯接口电路等。

常用的模拟量传感器分为两线制和四线制，两线制和四线制都只有两根信号线，它们之间的主要区别在于：两线制的两根信号线既要给传感器或者变送器供电，又要提供电流电压信号；而四线制的两根信号线只提供电流信号。通常提供两线制电流电压信号的传感器或者变送器是无源的；而提供四线制电流信号的传感器或者变送器是有源的。因此，当PLC等数据采集系统的模板输入通道设定为连接四线制传感器时，PLC只从模板通道的端子上采集模拟信号，而当PLC等数据采集系统的模板输入通道设定为连接二线制传感器时，PLC的模拟输入模板的通道上还要向外输出一个直流24V的电源，以驱动两线制传感器工作。

4-20mA和电工标准有关,4-20mA信号制是国际电工委员会(IEC)过程控制系统用模拟信号标准。我国从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始采用这一国际标准信号制，仪表传输信号采用4-20mA,联络信号采用1-5VDC,即采用电流传输、电压接收的信号系统。因为信号起点电流为4mA,为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA，不与机械零点重合，这种活零点有利于识别断电和断线等故障。

根据模拟信号传感器的性能选型搜索

1、两线制电流/电压输出传感器(无供电电源，由负载提供16—24V配电，输出4-20mA/0-5V)。

1.1 两线制无源4-20mA输入型传感器，经电流隔离配电器配电后与PLC连接。如图1所示，称重、测距传感器正端接16—24VDC,负端输出4-20mA电流。

图1 两线制4-20mA隔离配电器典型应用图

1.2 两线制无源电压信号输入型传感器，经电压配电器配电后与PLC连接。如图2、图3所示，位移、电子尺传感器正端、负端接16—24VDC电压。

图2 非隔离两线无源电压配电器

图3 隔离型电压配电器

如图4、图5所示，应力片、称重电桥传感器正端、负端接16—24VDC电压。

图4 隔离型电压信号转换放大

图5 隔离型电桥电压配电器

1.3 两线制传感器输出4-20mA电流环路经隔离器隔离后与PLC连接。如图6所示，压力、流量传感器正端接9—32VDC,负端输出4-20mA电流。

图6 两线制4-20mA电流环路隔离器典型应用图

1.4 两线制传感器输出4-20mA电流经隔离调理匹配（解决输入输出间冲突）后与PLC连接。如图7所示，温度、转速传感器正端接12—24VDC,负端输出4-20mA电流。

图7 两线制4-20mA信号与PLC匹配隔离调理典型应用图

2、四线制电流/电压(输入/输出)型传感器(有自己的供电电源24VDC，输入/输出:4-20mA或0-5V)。

2.1 四线制电流输出型传感器经模拟信号隔离放大后与PLC连接。如图8所示，温度、湿度传感器正端接24VDC,负端输出4-20mA电流。

图8 四线制传感器信号I/I隔离放大后与PLC连接典型应用图

如图9所示，压力、转速传感器正端接24VDC,负端输出4-20mA电流。

图9 四线制传感器信号I/V转换后与PLC连接典型应用图

2.2 四线制电压输出型传感器经模拟信号隔离放大后与PLC连接。如图10所示，压力、转速传感器正、负端接24V电源,输出端输出0-5V电压。

图10 四线制传感器信号V/I转换后与PLC连接典型应用图

如图11所示，液位、流量传感器正、负端接24V电源,输出端输出0-5V电压。

图11 四线制传感器信号V/V隔离后与PLC连接典型应用图

来源：plcfans

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PLC的稳定性组态和仿真设计在高性能大型液压锻造设备中的应用

在高性能大型锻压设备技术改造中，通过PLC的稳定性组态和仿真设计的应用，在适应设备使用特点的基础上采用双CPU软件冗余控制和仿真曲线设计取得良好的控制效果。

1 引言

随着高质量锻压产品在机械制造、军工、航空航天、核电、海上平台以及石油化工行业的广泛应用，特别是大型异形锻件，市场前景广阔。要形成批量生产和技术含量高的产品，对于设备装备的稳定性运行是一个不小的挑战，尤其是可靠的电气液压控制系统直接决定动作的转换节奏，稳定的控制精度方能在锻造中精确控制锻件形态，满足工艺要求。

2 基本工艺流程和要求

锻造车间的20MN快锻机组，有1台主压机和2台操作机组成，生产时由操作机夹持各种锭型，送入压机。完成压机的快下、慢下、加压、回程，同时要求操作机配合压机的动作完成旋转，前进、后退、上倾、下倾。所有动作因考虑平稳，由液压控制完成。

根据生产锻造工艺压机在自动常锻时，要求压机加压力达到20MN级，锻造压下量≥100mm,每分钟20~40次，同时要满足自动快锻时，压机加压力达到16MN级，锻造压下量为5mm,每分钟75~85次的精确控制，还需要兼顾加热退火工序工艺，因此在时间和动作的衔接，上述配合首先必须满足频次控制。并在运行中通过上位机的压下尺寸控制，不断修改、刷新尺寸并产生反馈值给上位机。

为了使每个动作精确衔接，除了在PLC控制中要求稳定性和响应速度外，还要处理大量的外部压力、温度、位移传感器、编码器、等开关量、模拟量信号，主要锻造阀还引入了伺服阀去控制大流量液压阀频繁换向。

3 PLC电控系统组成

3.1 硬件组态中出现的问题

理想状态下采用高性能西门子S7-400可编程控制器，搭载ET200M系列产品作为分布站，以S7-400 PLC处理器为中心，与远程I/O构成PROFIBUS-DP总线网络系统，对机组进行顺序控制、逻辑控制和精度控制，根据预设工艺参数和要求，实现各部动作，应能满足要求。

然而，在进行各动作分析后发现大量的I/0点和远程站点的通讯对CPU运行产生了影响，可靠性不足，往往中断连续的动作。在控制中既要扫描连接各操作机及辅助远程ET-200，运行I/O的状态，又要处理即时数据通讯，常常出现动作响应慢和逻辑判断错误，或发生某一故障点CPU中断，从而影响系统的稳定性。

图1. 双CPU稳定的组态

3.2 解决的办法

如图1所示：针对这一问题，基于快速锻造工艺近似苛刻的要求，如果能在控制系统中增加备用关键设备,一旦工作中系统发生故障,控制系统便以最快速度启动,从而维持系统的正常工作。

工业控制领域中,一些大型的工业生产线往往要求连续运行不能停顿, 利用双CPU的冗余控制是一种满足连续生产要求、提高系统可用性的有效手段。若采用双CPU的PLC控制器，并考虑硬件成本，以软件方式实现CPU冗余控制。如下通讯编程（设置）：

在地址和中断分配中利用双CPU可以访问在使用STEP 7组态期间分配给它们的模块地址。分别设定CPU不同的MPI地址通过总线从一个CPU对另一个CPU编程。通过K总线通讯（Communciation，德文则是Kommunciation）不但可拆开处理一个复杂的任务，在增加系统资源的情况下，而且又不会增加I/O点数。实践证明，这种设计给PLC后续的稳定运行打下了坚实的基础。

3.3 液压控制系统中软件设计出现的问题

由于系统压力高，流量大，换向频繁，阀的动作次数多给管路和阀体直接带来了振动，对管道的冲击也大，在生产运行中尤其是精锻期间，可在液压站听到强大的冲击声，产生了大量热量，热量的传递使各管接头密封开始老化。此外对整个液压系统阀体的稳定性带来影响。

如在生产伊始，就曾出现压机频次和压下量达不到要求，同时油温的超高导致密封件的损坏而产生漏点，进而导致高压胶管破裂。

3.4 解决的办法

目前国内普遍采用高性能比例阀，变量泵控制相结合，经软件仿真分析，工作过程通过S7-400系列工业可编程近似于压机运行的正弦曲线，以满足稳定驱动执行元件，系统控制精度好、响应频率高。

其最显著特点是先导控制用油与系统工作油液完全隔离，只需单独处理小流量的控制油，从而避免了因比例控制对系统大流量油液的苛刻要求而大幅度增加设备负荷和维护问题。选用力士乐VT-VSPA1-1型比例流量阀，如图2双电磁铁时特性曲线。

图2. 双电磁铁时特性曲线

在编程过程中，除对比例阀输出“位移”采用闭环控制的方式外，还要考虑比例阀电流信号输入线性的影响，为了保证锻压过程中油压响应的快速性，在编程中用软件对比例阀的特性进行修正。如图2比例阀的特性曲线在斜率逐渐变化，避免震荡。因此，在编程时对模拟量输入采用正旋曲线按比例阀的电流电位计，以满足稳定驱动执行元件近似计算出的油压值进行补偿修正。

图3. 用程序控制比例阀的正弦曲线

在程序控制中通过不断修正MD370的值按照0-π/2的取值范围，再将MD370（自定义）的值赋给MW128配合模拟量输出在OB1模块里的PQW516（自定义）和PQW518（自定义），去控制2WRC（双电磁铁）的输入电流，根据反馈位移值，不断调整放大器的斜坡和差动偏流，近似的达到如下图所示的模拟曲线。

图4. 仿真模拟曲线

需要注意的是在快速锻造液压机的实际生产应用中，尤其是上线以来运行一段时间，控制往往会发生一定的偏移，因此并在日常维护中，根据现场流量的控制，需要检测比例阀的电流输入信号，在外加电源DC24时，当给定电压值（电流值）变化时，通过反馈电压的变化，调整上位机流量给定值和放大板的比例积分、微分设置来适应生产的需要。

4 结束语

在大流量锻压设备双CPU软件冗余控制和仿真曲线程序设计的应用下，大大减少了本身系统油压的冲击，减少了大量的维护量，而且平稳的液压控制使人机能直接对话，实时根据生产需要调整，可靠性极强，为产品的质和量带来强有力的保障，值得在液压锻造或冲击力比较大的设备技术改造中借鉴使用。