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三相交流固态继电器是以单一输入端对三相负载进行直接开关切换，并可以用几毫安的微小信号来控制大功率负载的起动与关断。本文正是利用三相交流固态继电器的这个特点将其应用到PLC控制中来作为受控对象的开关器件。

0 引言

PLC为晶体管输出型，输出单元允许所带负载工作电源为DC 12～24 V，尢法直接驱动交流接触器，只能**DC 12～24 V的中问继电器，再用中间继电器来带AC 380 V的负载，这样就会使得外部接线变得繁琐，而且由于传统的交流接触器为电磁式开关，其机械触点的寿命及可靠性与PLC控制系统相差甚远，较大地阻碍了控制系统性能的发挥。因此像这类的负载，我们需要选择一种更为合适的继电器来充当其受控的开关器件。

1 固态继电器的特点及分类

1．1 固态继电器的特点

固态继电器SSR是近年来世界上新兴的控制继电器，这种继电器用几毫安的微小信号可以控制大功率负载的起动与关断，正符合了晶体管输出型PLC的特点。并且其输入信号（控制端）和输出信号（受控端）采用光电隔离电路，保了输入与输出互不干扰，输出端采用无触点大功率输出电路，整个电路用环氧树脂浇铸为一体。因此，固态继电器运行时无火花、无噪音、无污染、不产生电磁干扰，比电磁继电器具有开关速度快、体积小、寿命长、耐震、耐腐蚀、防潮、防腐、输出端在接通瞬间无震颤现象等优点，可以在严重污染和震动的环境下使用，更具有很高的灵敏度和抗干扰能力，被广泛应用于石油化工仪器设备，灯光照明设备，纺织机械、数控车床、设施等各种自动化控制领域，特别适用在腐蚀、防尘、要求防爆等恶劣环境，及频繁开关场合。

1．2 固态继电器的分类

交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通型和随机导通型；按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；另外输入端又有宽范围输入（DC 3～32 V）的恒流源型和串电阻限流型等。

单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。而三相交流固态继电器则是集三只单相交流固态继电器为一体，并以单一输入端对三相负载进行直接开关切换，可方便地控制l一相交流电机、加热器等三相负载，图1为三相交流固态继电器的基本接线图。三相交流固态继电器的相与相问，输入输出间，以及与基板之间绝缘电压大于2 000 VAC，其他基本指标与相应的单相固态继电器相同。需要指出的是对实际负载电流不大的场合，比如实验室教学，三相SSR使用起来比较方便，但电流大时发热亦大，这时使用三只单相SSR更为可靠。

2 应用实例

2．1 PLC控制的三相交流电动机正反转控制电路

PLC控制的三相交流电动机正反转控制电路，其中X1、X2、X3，分别表示PLC的输入，控制电动机的转动方向与起停；Y1、Y1表示PLC的输出。当Y1有效时，SSR1输入端得到DC24V的直流信号，则三相输出端从断态转变成通态，三相交流电动机得电，反转；同理当Y 有效时，SSR2的三相输出端接通，因A、c换向则电动机正转。

2．2 PLC控制的Y-△降压起动控制电路

PLC控制的Y-△降压起动控制电路，其中X1、X2分别表示PLC的输入，控制电动机的起停；Y1、Y2、Y3表示PLC的输出。当Y1和Y3有效时，对应的SSR1和SSR3也同时有效，此时电动机为Y型接法，延时几秒后，Y3失效，Y2有效，则对应的SSR3三相输出端断开，SSR2三相输出端合上，则电动机变为△接法，完成了Y一△降压起动。

可编程逻辑控制器（PLC）在过程控制系统中能够有效节省时间，降和能耗，简化系统设计。从制造业发展进程可以了解到如何用现代IC替代分立电路。这些IC能够简化系统设计，扩展设备监测功能并**操作人员的安全。MAX15500/MAX15501、MAX5661以及MAX5134–MAX5139是过程控制应用中的典型IC。

简介

工业控制、工厂自动化以及PLC （可编程逻辑控制器）是发展成熟的技术，能够有效地节约时间、材料、能源和金钱。但从何入手呢？ 设计一个完全自动化的工厂是一项巨大工程，有可能在还没有启动项目时就放弃了。

这使我们想起多年以前非洲的一位探险家，当他询问本地的一位部落男子：“如何吃掉一头大象？”，这位男子惊讶地看着探险家回答到：“我们吃大象就像吃别的任何东西一样，一次一口”。与其它大型系统开发一样，工业控制系统可以划分成许多小规模电路。下面我们就开始探讨这些细分后的电路。

过程控制流程

装配生产线是人类历史上相当新的发明创造，许多国家都在同一时期涌现出了类似的创新方案。我们将列举其中的几个示例，阐述如何演进到一个完整的自动化工厂。

Samuel Colt （美国的支制造商）在19世纪中叶展示了一种通用部件。早期的支需要独立制造每只的部件，然后进行组装。Colt先生展示了10只的通用部件，然后随机地从箱子里抓取这些部件并组装好一只。在20世纪初期，Henry Ford进一步拓展了大批量生产技术。他采用固定的装配厂，用卡车在工厂之间运输零部件。雇员只需要了解很少的装配知识，在以后的工作中也只进行这些操作。1954年，George Devol申请了美国**2，988，237，这项**标志着首台工业机器人的诞生，该机器人被命名为Unimate。20世纪60年代末期，General Motors®使用PLC （可编程逻辑控制器）组装汽车的自动变速器。被称为PLC之父的Dick Morley为GM生产了一个PLC。他的美国**3，761，893是当前许多PLC的基础。

加热器部件密封在一个容器内，简化系统通信。这个概念可以扩展到远端控制的恒温加热器，通信距离在几米左右，通常采用电压控制。

长距离传输线的阻抗、EMI以及RFI （电磁及无线电干扰）使得电压控制方案的实施非常困难，这种情况下，电流环不失为简单、有效的解决方案。由基尔霍夫定律可知，电流环中任何一点的电流等于环路中其它所有点的电流之和，由此可以抵消传输线阻抗的影响。由于环路阻抗和带宽较低（几百欧姆，《 100Hz），EMI和RFI的杂散拾取较小。

PLC基本原理

电流控制环的应用始于20世纪早期的电传打字机，较先使用的是0–60mA环路，后来改为0–20mA环路，PLC系统加入4–20mA环路。4–20mA电流环有很多优势，将4mA作为较低通信电流，传输线断开（开路）时很容易检测到这一故障，只需两条连线即可实现远端传感器供电，大约3.5mA。4–20mA环路可以采用模拟通信，也可以采用数字通信。

在传统的分立器件设计中需要仔细计算，而且电路占用较大空间。Maxim推出了几款20mA器件，能够大大简化系统设计。我们首先考虑典型的PLC功能。

PLC用于完成某项工作或任务。我们先检测一个物理参数，对其处理并进行决策，然后命令某个物理设备进行动作。根据这一模型，左下框显示了信号调理输出，可以采用MAX15500/MAX15501集成电路。

MAX15500/MAX15501允许选择近程电压控制或远程电流控制。从图4可以看出，除了传统的分立方案中所具备的基本通信功能外，器件中又加入了新的监测和保护功能。

工厂布线受运动、震动等因素的影响，可能导致与其它连接器之间的开路或短路。为了保证设备和人身安全，需要进行安全监测。电缆发生失效时，在系统彻底失效之前会有一段间隔时间。MAX15500系列能够智能化地进行监测，管理不同的失效状况。

考虑到工厂较端的EMI、RFI、电源浪涌条件，任何监控措施都必须可靠，能够不受外界环境的干扰。MAX15500系列包含了一个较小260ms的开路、短路**时周期，这个时间周期足以避免监测嘈杂环境引起的错误报警，而且也足够捕获短暂的电缆故障。此外，器件将锁存故障并触发一个独立的硬件中断引脚报警，从而使处理器快速响应电缆短路故障。处理器收到中断后可以读取MAX15500的寄存器内容，获取准确的故障信息，故障中断。除了监测电缆的状况外，器件还提供其它安全功能，例如，通过检测芯片温度监控环境是否过热。可调节的电源跌落门限对于可靠的系统设计非常关键，电源电压检测门限可以在±10V至±24V范围调节，级差为2V。

为了保证系统安全，MAX15500/MAX15501输出还具有过流保护、对地短路保护以及高达±35V的过压保护。为满足客户需求，MAX15500/MAX15501提供可编程的**量程能力。某些用户采用满量程的105%，甚至120%进行测试或处理紧急操作（系统可能出于部分故障或强噪声环境）。MAX15500/MAX15501采用32引脚、5mm² TQFN封装，带有裸焊盘，改善散热。

MAX15500/MAX15501输出调理器符合HART®标准，HART （高速可寻址远端传感器）协议能够在4–20mA控制线路上承载双向数字信号，类似于1200波特率、用于固定电话呼叫的Bell 202协议。

MAX15500/MAX15501还具有独立的SPI™总线，减少了电气隔离所需要的光隔离器。器件采用的是特殊的自定时SPI接口，支持菊链协议。当多个SPI器件需要通过电气隔离控制时，这种模式有助于减少控制线和隔离光耦的需求。

在更小的PCB （PC板）上集成更多功能

设计分立、可选电压（单极性和双极性）或电流输出调节电路是一项较具挑战的任务，特别是当设计人员了解到需要控制满量程可变增益、针对单极性和双极性电压设置的多种复位电平、0mA和4mA电路需求时，会对系统的复杂度又进一步的认识。图5简化了这些功能设计，因为这些功能已经集成在MAX5661电流和电压输出DAC的内部。

MAX5661借助其编程功能解决了分立方案设计难题，可以方便地选择以下参数：

输出电压

单极性范围：0至+10.24V，±25%

双极性范围：±10.24V，±25%

电流输出

单极性低档范围：0至20.45mA

单极性高档范围：3.97mA至20.45mA

满量程输出增益

以10位分辨率或间隔调整到高达±25%的**范围

异步复位或清零，或预置到16位数字

这些功能提供了设计灵活性，作为模拟电源时，输出电压范围为±13.48V至±15.75V；电流输出时，输出电压摆幅为：+13.48V至+40V。差分电压输出可以通过电压输出放大器的加载/感应检测实现远程。故障输出中断指示开路电流输出、短路电压输出或状态。该功能由限流电压输出驱动；对于电流输出，压差器对**出规定范围的电流输出进行监测。/LDAC引脚用于控制异步DAC更新和多DAC同步系统。

上述所有功能集成在MAX5661 10mm x 10mm LQFP封装内。

利用电压和电流调理提供多PLC输出

很明显，可以利用多片MAX5661 16位器件提供其它附加功能，但是，对于需要低分辨率、的PLC系统可以考虑其它方案，Maxim提供分辨率为6位至16位的DAC，拥有**过2500种不同型号的器件。该系列产品的通道选择包括：1至4通道、8通道、16通道以及32通道。通信接口包括并行、高速SPI和I²C串行总线等。另外，还可以选择快速建立时间（《 1µs）、小尺寸（SOT23、QFN、µMAX®）以及更高精度（≤ 1 LSB INL）等器件。

Maxim近期推出的高精度DAC系列产品包括MAX5134–MAX5137和MAX5138/MAX5139，这些DAC包括六路可选的缓冲电压输出。所有器件采用+2.7V至+5.25V单电源供电，提供3线SPI/QSPI™/MICROWIRE™/DSP兼容串行接口。

MAX5134–MAX5137为引脚兼容、软件兼容的16位和12位DAC。MAX5134为四通道16位器件，INL为±8。MAX5135同样为四通道DAC，分辨率为12位，INL为±1；MAX5136为双通道16位器件，INL为±8；MAX5137为双通道12位器件，INL为±1。每款DAC都提供**小尺寸（4mm²）、24引脚TQFN封装，工作在-40°C至+105°C扩展工业级温度范围。

MAX5138/MAX5139都是单通道、引脚和软件兼容的DAC，提供小尺寸（3mm²）、16引脚TQFN封装。MAX5138为16位DAC，INL典型值为±2；MAX5139为12位DAC，INL典型值为±0.25。

高性能MAX5134–MAX5139内置10ppm/°C的高精度基准，也可以使用外部基准，以支持满摆幅输出。利用一个硬件输入引脚控制DAC的输出设置，可以在上电或复位时将DAC输出置于0或中间值。该特性为阀门驱动或其它需要在上电时处于关闭状态变送器应用提供了附加保护。硬件加载DAC （/LDAC）引脚支持多片DAC的同步更新。串行接口提供/READY输出，简化多片MAX5134–MAX5139、MAX15500/MAX15501以及MAX5661器件链接时的控制。

对于高性价比的4路输出PLC应用，可以选择MAX5135四通道12位DAC和四通道MAX15500输出调理器

引言

在生产过程中，凡是将两种或两种以上的物料量自动地保持一定比例关系的控制系统，就称为比值控制系统。在化工行业中，流量控制是非常重要的。本文主要介绍了一种流量比值控制系统，经实验和实践运行，证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。

2工作原理

比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制和双闭环比值控制三种类型。开环比值控制是较简单的控制方案。单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的缺点而设计的，这种方案的不足之处是主流量没有构成闭环控制。本系统采样双闭环比值控制方案。

**个闭环控制系统是主流量本身构成的流量闭环控制系统，当设置确定后，通过闭环调节作用，扰动的影响，使的流量稳定在设定值上，主流量闭环控制系统属于恒值控制系统。*二个闭环控制系统是副流量闭环控制系统，其输入量是经过检测与变送后的流量信号q1与比值系数k1的乘积。副流量闭环控制系统由副控制器1、泵变频器、泵以及检测点2/变送器2等组成。副流量闭环控制系统属于跟随系统。

3流量比值控制系统设计

3.1 流量比值控制系统构成

与流量比值控制系统是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蚀泵、西门子mm440变频器、计量螺旋、电磁流量计等组成。

（1）三菱fx2nc系列plc。fx2nc系列plc具有很高的性能体积比和通信功能，可以安装到比标准的plc小很多的空间内。i/o型连接器可以降低接线成本，节约接线时间。i/o点数可以扩展到256点，较多可以连接4个特殊功能模块。

（2）耐腐蚀泵。属于腐蚀性介质，输送泵必须采用耐腐蚀泵。本系统采用ihf 6550-160型氟塑料离心泵，泵进口直径65mm；出口直径50mm；叶轮名义直径160mm；转速2900r/nin，流量25m3/h；扬程32m；电机功率5.5kw。泵采用变频调速。对于泵类设备，应选用水泵类**变频器。ihf6550-160型氟塑料离心泵的驱动电机功率为5.5kw,选用西门子公司mm430型水泵**变频器，该变频器带内置a级滤波器。

（3）西门子mm440变频器。粉体在螺旋内的流动速度是由电机编码器输出脉冲来间接计算的,如果电机转速稳定性不好,将影响计量螺旋的正常工作。为此,采用德国西门子公司mm440型矢量控制变频器，电源电压380vac，额定输出功率5.5kw，额定输出电流13.2a。为了稳定螺旋轴的转速并计算粉体流速，采用带速度编码器的矢量控制方式。变频器需要增加脉冲编码器脉冲处理模板(简称编码器模板)和编码器。

（4）计量螺旋。是粉粒状物料(简称粉体)。计量螺旋是对粉体进行输送、动态计量和流量控制的设备。本设计采用万息得公司的lsc型计量螺旋(螺旋电子称)。

粉体进入料仓后，在振动器的作用下进入螺旋输送机，粉体沿螺旋槽向出料口方向前进。在出料口下方的称量装置传感器将检测到的重量信号传送到plc的模拟量输入单元。同时，安装在电机非负载轴端的编码器螺旋轴旋转的周数和速度，编码器输出脉冲传送到plc的高速计数单元。经cpu单元运算处理后，得到粉体的流量值和累积重量值，由模拟量输出单元输出控制信号，控制变频器和变频电机，从而控制粉体的流量。流量是流量比值控制系统的主动量。粉体流量(给料量)表达式为：

q=kqv

式中，q―计量螺旋输出流量(给料量)，kg/s；k―称重系数；q―螺旋内粉体的线负荷，kg/m；v―螺旋内粉体流动速度，m/s 。

粉体在计量螺旋内沿螺旋形轨迹运动，不便于直接流动速度v，通常是使用编码器电机的转速，再换算出流速v。

（5）电磁流量计。电磁流量计广泛用于测量导电的液体和液固两相流体的体积流量，测量结果与流体的温度、粘度、密度、压力及液固成分比无关，电导率在较大范围内变化时也不会影响测量结果。因此，只需经普通水标定后，就可以用来测量其他导电性液体或液固二相流体介质的流量，而不需附加任何修正，所以电磁流量计是一种真正的体积流量计。本设计采用的是广东万山自动化仪表有限公司wsdq型电磁流量计。

3.2 plc控制系统设计

称重装置、电磁流量计的输出均为4～20ma信号，分别送到模拟量输入单元fx2n-4ad的电流输入1、电流输入2。模拟量输入单元fx2n-4ad有4个12位模拟量输入通道，输入量程可以是电流信号（4～20ma）或电压信号（-10～10v）。转换速率为15ms/通道或者6ms/通道（高速）。

计量罗旋和泵都采用变频调速系统，两台变频器的控制信号来自plc系统的模拟量输出单元fx2n-4da。fx2n-4da有12位4通道，输出量程可以是电流信号（4～20ma）或这电压信号（-10～+10v）。转换速度为4通道2.1ms在程序中占用8个i/o点。

（1）设定参数数据存储器地址

计量螺旋给料量即流量设定值：d1 d0，2个字，8位bcd码。

/流量比值系数：d3 d2/d9 d8。

实际流量值存储器地址：m500，16位二进制码。

实际流量值存储器地址：m501，16位二进制码。

16级增益数据存储器地址：*1级～*10级：d100～d109,d130～d139。

16级积分时间常数数据存储器地址：*1级～*10级：d110～d119,d140～d149。

（2）变频器调节

使用mm430变频器控制泵类负载时，需要注意起始频率，防止闭环控制系统在突加给定时，流量出现过大的**调和震荡。在管道和泵的规格确定之后，相应的流量起始频率也就确定了。在本系统中，频率大于19hz之后才有流量输出。针对变频调速泵的这种特性，在系统调试时应首先进行开环试验，测出泵的频率-流量特性曲线。根据测出的起始频率来制定控制算法。在起始频率以下，采用开环控制模式，变频器的输入信号为斜坡函数，即线形渐增电压信号。待达到起始频率建立起流量之后，再转入闭环控制模式。对于闭环控制模式，又分为比例（p）控制和比例积分（pi）控制两种模式。首先运行比例控制，当实际流量接近设定流量时，再转入比例积分控制模式。采用多模态控制后，了流量的大幅度波动，改善了流量的跟随性能并了稳态误差。

（3）pid控制

fx2nc系列plc具有pid控制指令，

pidd200设定值sv，参数起始字，二进制数据

d201输入字，流量反馈数据，二进制数据

d500控制参数

d500 采样周期t1～32767ms

d501动作方向（act）

d502 输入滤波常数a0～99%

d503 比例增益kp1～32767%

d504 积分时间ti（0～32767-

ms）*100d505 微分增益kd0～**

d506 微分时间td（0～32767）*10ms

d503（比例增益kp）：8000（bcd码）左右，p小则**调大，震荡次数多。

d504（积分时间ti）：根据‘误差数据’（d50），将积分ti分为10级，在运行过程中自动地调用相应的积分ti，达到既响应快又抑制**调的目的。在突加给定的情况下，较大**调量小于5%。

d506(微分时间td)：4000（bcd码）左右。

4结束语

在本系统中，根据流量闭环控制系统的误差大小，将比例系数和积分时间常数各分为10级，在运行过程中能够自动地调用合适的比例系数和积分时间常数，这种控制能够兼顾跟随性和抗扰性，实现了既响应快又抑制**调的目标，达到了很好的效果