CN103488115B - 用于控制可编程逻辑控制器的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制可编程逻辑控制器（PLC）输出信号的装置和方法。该方法包括：接收PLC数字输出信号；以及通过对接收到的PLC数字输出信号应用非线性校正函数来对PLC数字输出信号的坡度进行插值。实施例提供了稳定输出控制装置以及稳定输出控制方法，其能够允许PLC控制的外部器件平滑地输出响应并且PLC输出逐渐地发生改变以防止待控制的外部器件发生故障或损坏。

Description

用于控制可编程逻辑控制器的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于控制可编程逻辑控制器（PLC）的输出信号的装置和方法。

背景技术

在工业领域中使用的自动化设备由包含继电器的机械设备构成。因为必须改变自动化设备的内部电路，所以改变由机械设备构成的自动化设备是非常困难的。为了克服这样的困难，使用了作为一般控制器件的PLC。

PLC将用户输入的数字信号转换成模拟信号并且将模拟信号传输至外部器件以控制外部器件。

图1为示出了一般PLC响应特性的图。

参见图1，PLC数字信号输出101的值在特定点107处突然改变。因此，通过转换PLC数字信号输出101得到的PLC模拟信号输出103的值同样在特定点107处突然改变。

与此同时，如果PLC模拟信号输出103被传送到外部器件，则外部器件的负载响应105可变成在特定点107处的瞬态响应109，在特定点107处PLC模拟信号输出103的值突然改变。由于瞬态响应109，外部器件可能发生故障或在极端情况下可能损坏。

发明内容

本发明提供用于控制PLC的装置和方法，其能够通过对待供给至外部器件的PLC输出信号进行插值来防止外部器件的瞬态响应。

依据实施例的控制PLC数字输出信号的方法包括：接收PLC数字输出信号；以及通过对接收到的PLC数字输出信号应用非线性校正函数来对PLC数字输出信号的坡度进行插值。

依据实施例的用于控制PLC数字输出信号的装置包括：计算单元，其计算实际待输出的信号的值；插值单元，其通过应用非线性校正函数来对信号进行插值；转换单元，其将数字信号转换为模拟信号；以及控制单元，其控制所述计算单元使得将PLC数字输出信号计算作为实际输出值，控制所述插值单元以将非线性校正函数应用到所述计算单元中计算出的PLC数字输出信号，并且控制所述转换单元以将在所述插值单元中插值的PLC数字输出信号转换为PLC模拟输出信号。

依据实施例，能够提供用于控制PLC的装置和方法，其能够通过对待供给至外部器件的PLC输出信号进行插值来防止外部器件的瞬态响应。

附图说明

图1为示出了一般PLC响应特性的图；

图2为示出了依据实施例的PLC控制装置的构造的框图；

图3为示出了依据实施例的PLC输出控制装置的构造的框图；

图4为示出了依据实施例的PLC输出控制方法的流程图；

图5为阐释依据实施例的输出的图形；以及

图6为示出了依据实施例的PLC响应特性的图形。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述实施例。

图2为示出了依据实施例的PLC控制装置的构造的框图。

参见图2，PLC控制装置200包括用户输入单元201、控制单元203、计算单元205、插值单元207、转换单元209以及通道单元211。

用户输入单元201接收用户的输入以选择模拟输出通道。

通道可以指将PLC输出信号传输至外部器件10的路径。用户通过使用用户输入单元201可将多个通道中的至少一个通道设定为传输路径。

控制单元203控制通过由用户选择的通道待输出到外部器件10的信号。

控制单元203可依据在用户输入单元201中接收的用户输入来选择至少一个通道。例如，控制单元203可将选择多个通道中的至少一个通道的信号传输至将在下文描述的通道单元211。

这时，如果所选择的通道具有预设值，则控制单元203可使预设值初始化。例如，控制单元203可将用于被选择信号的初始化指令信号传输至通道单元211。

此外，控制单元203可确认在所选择的通道中容许进行数模转换。例如，控制单元203可向通道单元211询问在所选择的通道中进行数模转换的容许情况。

如果在所选择的通道中禁止数模转换，则控制单元203可在初始化数据之后终止PLC输出信号控制。例如，控制单元203在从通道单元211接收到禁止在所选择的通道中进行数模转换的应答时，可终止PLC输出信号控制。这时，初始化的数据可指为PLC输出信号控制而输入的数据或预设数据，但实施例并不仅限于此。

相反，如果在所选择的通道中允许进行数模转换，则控制单元203可执行PLC输出信号控制。例如，控制单元203在从通道单元211接收到允许在所选择的通道中进行数模转换的应答时，可继续执行PLC输出信号控制。控制单元203可将PLC数字输出信号传送至将在下文中描述的计算单元205以用于PLC输出信号控制。

计算单元205计算PLC数字输出信号的值。PLC数字输出信号可以指实际上从PLC控制装置200传递到外部器件10的数字输出信号。

计算单元205可依据模拟分辨率计算PLC数字输出信号的值。

例如，当模拟分辨率为12位时，计算单元205可计算在0至4000范围内的PLC数字输出信号的值，以及在模拟分辨率为14位时，计算单元205可计算在0至16000范围内的PLC数字输出信号的值。

这时，PLC数字输出信号的范围可指在数字输出信号与模拟输出信号之间的相似性。例如，数字输出信号与模拟输出信号之间的相似性可随着PLC数字输出信号值的范围变宽而变高。

插值单元207将在计算单元205中计算出的PLC数字输出信号进行插值。在通过插值单元207已经执行了插值之后，PLC数字输出信号的边沿可在图形中具有S形曲线。

插值单元207可确认在所选择的通道中容许进行插值。例如，插值单元207可向通道单元211询问在所选择的通道中进行插值的容许情况。

如果在所选择的通道中允许插值，则插值单元207可对计算出的PLC数字输出信号进行插值。例如，插值单元207在从通道单元211接收到允许在所选择的通道中插值的应答时，可对PLC数字输出信号进行插值。

插值单元207可通过使用S形函数对数字输出信号插值。此外，插值单元207可通过使用线性校正函数单独地调整已经通过S形函数被插值的PLC数字输出信号的偏移增益。

此外，插值单元207可依据预先确定的插值频率、目标值以及扫描时间中的至少一个来对PLC数字输出信号插值。例如，所述插值频率可依据用户的输入来设定，并且PLC数字输出信号可随着插值频率的增加而被更加平滑的插值。

转换单元209将插值的PLC数字输出信号转换成PLC模拟输出信号。

因为转换单元209将已经在插值单元207中被插值的PLC数字输出信号转换成PLC模拟输出信号，所以能够输出具有S形曲线的边沿的PLC模拟输出信号。通过转换单元209转换的PLC模拟输出信号可被放大并在之后被传送至通道单元211。

通道单元211将从转换单元209传输的PLC模拟输出信号传送至外部器件10。

因此，PLC控制装置200能够将已经完成S形插值的PLC模拟输出信号传输至外部器件10。

图3为示出了依据实施例的PLC输出控制装置的构造的框图。

参见图3，PLC输出控制装置可包括微处理器单元（MPU）301以及模拟输出电路303。在图3中示出的PLC输出控制装置可为参照图2在上文中描述的PLC输出控制装置的一个实施例。此外，在图3中示出的PLC输出控制装置可为PLC的一部分或可与PLC分开，并且实施例不限于此。

MPU301可生成数字信号以将数字信号传送至模拟输出电路303。

模拟输出电路303包括插值单元305、光电耦合器307、DA转换器309、放大单元311和313以及通道319。模拟输出电路303将从MPU301接收的数字信号转换为模拟信号并且在电压放大和电流放大之后通过通道319输出模拟电压和模拟电流。PLC将模拟电压和模拟电流传输至外部器件以控制外部器件的运行。

插值单元305可对数字信号插值。数字信号为具有陡坡的阶跃函数形式的输出。也就是说，一般的，数字信号具有如下的波形：该波形在特定点具有从0突然变为目标值的值或者从目标值突然变为0的值。插值单元305对数字信号插值使得在预先确定的时间范围内，数字信号输出能够从0逐渐地变为目标值或从目标值逐渐地变为0，从而平滑数字信号的坡度。

光电耦合器307能够使MPU301与模拟输出电路303电绝缘。因此，由MPU301生成的数字信号能够在通过光电耦合器307绝缘之后被传送至DA转换器309。

DA转换器309能够将已经被插值而具有平滑坡度的数字信号转换为模拟信号。

放大单元311和313将从DA转换器309输出的模拟信号的强度放大至能够驱动外部器件的程度。放大单元311和313可包括电压放大器和电流放大器。电压放大器311可包括用于放大模拟电压信号的OP-AMP。电流放大器313可包括用于放大模拟电流信号的OP-AMP。

用于驱动外部器件的模拟电压信号315和模拟电流信号317通过一个通道319被输出。用户能够依据外部器件设定模拟输出通道319。如果用户设定第一通道CH1，则仅当第一通道CH1允许模拟信号转换时模拟输出电路303才可将数字信号转换为模拟信号。

图4为示出了依据实施例的PLC输出控制方法的流程图。

参见图4，通道319能够依据用户的选择而被设定以将PLC数字输出转换为用于驱动外部器件的PLC模拟输出。MPU301选择包括由用户设定的通道319的模拟输出电路303（S401）。MPU301能够对预设值初始化以将新的值输入至所选择的模拟输出电路303。

MPU301可判定在包括通道319的模拟输出电路303中是否允许数模转换（S403）。如果在模拟输出电路303中不允许数模转换，则MPU301可对模拟输出电路303的预设数据初始化并且终止数模转换过程（S405）。

如果在模拟输出电路303中允许数模转换，则模拟输出电路303可计算DA转换器309的数模转换所需的寄存器设定值（S407）。

此外，模拟输出电路303可计算实际上待输出的数字输出值（S409）。当模拟分辨率为12位时，模拟输出电路303可计算在0至4000范围内的数字输出值，以及在模拟分辨率为14位时，模拟输出电路303可计算在0至16000范围内的数字输出值。

之后，模拟输出电路303可判定在所选择的通道319中是否允许数字输出插值（S411）。如果在通道319中不允许插值，则数字输出通过光电耦合器307被传送到DA转换器309（S415）。

如果在通道319中允许插值，则数字输出被传送到插值单元305并且插值单元305对数字输出进行插值（S413）。插值单元305能够通过执行非线性插值算法和线性插值算法来对呈S形形式的PLC数字输出插值。S形插值是指这样一种插值：其将具有阶跃函数形式的陡坡的输出插值成具有平滑坡度的输出。可利用S形函数来执行非线性插值算法，并且可利用线性校正函数来执行线性插值算法。线性校正函数被用于调整不能由S形函数实现的偏移增益。

例如，S形应用函数以等式1表示如下。

等式1：

$P_1\left(t\right)=\frac{1}{1+e^{(-0.7\×(\frac{10\×t}{\mathrm{\α}}-5))}}\×\mathrm{\β}$

α:插值频率

β:目标值

t:扫描时间（ms）

等式1为通过S形函数的系数的变换所得到的S形应用函数。

插值频率（α）指的是当在图形中表示S形应用函数时，通过使用直线来绘制近似于曲线的图形的绘制直线的次数。随着插值频率（α）的增加，能够得到近似于曲线的数字输出。

目标值（β）指的是最终数字输出值。插值频率（α）以及目标值（β）可取决于用户的目的来设定。

扫描时间（t）指的是从0到达目标值的时间。

在等式1中，P₁(t)指的是对其已经执行了非线性插值算法的数字输出。参见等式1，P₁(t)没有输出目标值（β），但即使在扫描时间（t）无限增大时，其也是收敛的。因此，插值单元305必须使用线性校正函数来输出目标值（β）。

例如，线性校正函数以等式2表示如下。

等式2

$P_2\left(t\right)=1.0623\×(P_1\left(t\right)-\frac{\mathrm{\β}}{2})+\frac{\mathrm{\β}}{2}$

在等式2中，P₂(t)指的是相对于对其已经执行了非线性插值算法的数字输出P₁(t)通过执行线性插值算法而得到的数字输出。因为等式2用于偏移增益调整，所以其被表示为简化等式并且用户可预设阈值。如果P₁(t)被应用至等式2，偏移值能在阈值或小于阈值处被输出，并且目标值（β）能够在阈值以上的值处被输出。作为线性插值算法的结果，当经过扫描时间（t）时P₂(t)能够输出目标值（β）。

之后，对其已经执行了插值算法的最终数字输出或对其未执行插值算法的数字输出通过光电耦合器307被传送至DA转换器309（S415）。

DA转换器309将数字输出信号转换为模拟输出信号（S417）。

电压放大单元311放大转换后的模拟输出电压，使得模拟输出电压具有足以驱动外部器件的强度，并且电流放大单元313放大转换后的模拟输出电流，使得模拟输出电流具有足以驱动外部器件的强度（S419）。

之后，模拟输出电路303通过通道319输出模拟输出电压或电流，从而使得PLC能够控制连接到通道的外部器件（S421）。

图5为阐释依据实施例的输出的图形。

参见图5，模拟输出P(t)是通过将对其已经执行了插值算法的数字输出信号转换成模拟信号而得到的。在图5中，直线指的是对其已经执行了插值算法的数字输出信号，而曲线指的是模拟输出信号。模拟输出信号的目标值为β并且t为模拟输出信号的输出值从0达到目标值所需的扫描时间。例如，如果插值频率α为4，则模拟输出P(t)在t/4点处为β/8，在t/2点处为β/2，在3t/4点处为7β/8以及在t点处为β。也就是说，如果扫描时间被分成4部分，则模拟输出P(t)的图形具有S形，其中扫描时间的第一部分和第四部分具有最平缓的坡而扫描时间的第二部分及第三部分具有最陡的坡。如果对其已经完成了S形插值的模拟输出信号被应用至外部器件，则可以表现出图6中示出的效果。

图6为示出了依据实施例的PLC响应特性的图形。

参见图6，从MPU301传送的数字输出601为阶跃函数的形式并且数字输出601的值在输出变化点609处由0变成16000。然而，通过插值单元305插值的数字输出603为S形形式并且数字输出603的坡度从输出变化点609逐渐地变化，从而使得数字输出603的值达到初始值（0）或目标值（16000）。此外，通过转换被插值的数字输出603得到的模拟电流输出605同样为S形形式并且坡度从输出变化点609逐渐地变化，从而使得模拟电流输出605的值达到初始值（0）或目标值（20mA）。

因此，接收模拟输出605的负载能够输出S形式的响应。依据实施例的模拟输出电路303能够控制外部器件以输出由附图标记611表示的平滑响应而不是瞬态响应，从而使得能够提供具有高级稳定性的控制器件。此外，依据实施例的模拟输出电路303能够逐渐地改变输入到外部器件的电压或电流的强度，从而能够防止外部器件发生故障或损坏。

尽管已经参照其多个图示的实施例描述了实施例，但是应理解的是，本领域技术人员可以设计出落入本公开原理的精神和范围内的多种其他修改和实施例。

因此，这些实施例并非旨在限制本公开的技术特征，而是旨在阐释本公开的技术特征并且本公开的技术特征可以不受上述实施例限制。

Claims (10)

1.一种用于控制可编程逻辑控制器数字输出信号的方法，所述方法包括：

接收可编程逻辑控制器数字输出信号；以及

通过对接收到的所述可编程逻辑控制器数字输出信号应用非线性校正函数来对所述可编程逻辑控制器数字输出信号的坡度进行插值，

其中非线性校正函数的输出与目标值成正比，

其中非线性校正函数的输出与插值频率成反比，

其中所述可编程逻辑控制器数字输出信号随着所述插值频率的增加而具有平滑的坡度。

2.如权利要求1所述的方法，其中非线性校正函数的输出与所述可编程逻辑控制器数字输出信号从零到达所述目标值的扫描时间成比例。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述非线性校正函数包括S形函数。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

依据用户输入来选择至少一个通道，其中仅当在所选择的通道中允许数模转换和插值时才实施所述坡度的插值。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

通过应用线性校正函数来实施插值以调整对其已经应用了非线性校正函数的可编程逻辑控制器数字输出信号的偏移增益。

6.一种用于控制可编程逻辑控制器数字输出信号的装置，所述装置包括：

计算单元，其计算实际待输出的信号的值；

插值单元，其通过应用非线性校正函数来对信号进行插值；

转换单元，其将数字信号转换为模拟信号；以及

控制单元，其控制所述计算单元使得将可编程逻辑控制器数字输出信号计算作为实际输出值，控制所述插值单元以将非线性校正函数应用到在所述计算单元中计算出的可编程逻辑控制器数字输出信号，并且控制所述转换单元以将在所述插值单元中插值的所述可编程逻辑控制器数字输出信号转换为可编程逻辑控制器模拟输出信号，

其中非线性校正函数的输出与目标值成正比，

其中非线性校正函数的输出与插值频率成反比，

其中所述可编程逻辑控制器数字输出信号随着所述插值频率的增加而具有平滑的坡度。

7.如权利要求6所述的装置，其中非线性校正函数的输出与所述可编程逻辑控制器数字输出信号从零到达所述目标值的扫描时间成比例。

8.如权利要求6所述的装置，其中在所述插值单元中使用的非线性校正函数包括S形函数。

9.如权利要求6所述的装置，进一步包括：

通道单元，其将所述可编程逻辑控制器数字输出信号传输至外部器件；以及

用户输入单元，其接收用户输入以选择至少一个通道，

其中所述控制单元依据用户输入来选择至少一个通道，判定在所选择的通道中是否允许数模转换和插值，并且仅当在所选择的通道中允许数模转换和插值时才控制所述计算单元、所述插值单元和所述转换单元。

10.如权利要求6所述的装置，其中所述插值单元通过应用线性校正函数实施插值以调整对其已经应用了非线性校正函数的可编程逻辑控制器数字输出信号的偏移增益。