蔡文皓，趙 旭，耿 力

(1.西安科技大學(xué)，西安710054;2.陜西省電力公司銅川供電局，銅川727000)

0 引 言

在諸多運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的測(cè)量與控制中，轉(zhuǎn)速是非常重要的狀態(tài)參數(shù)之一。根據(jù)自控原理，系統(tǒng)的控制情況與速度測(cè)量精度有直接關(guān)系。因此，轉(zhuǎn)速的精密測(cè)量有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的條件，當(dāng)前轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有兩種。其一是模擬測(cè)量法，即將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行測(cè)量與控制。該方法的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)采集方便，但是，信號(hào)的準(zhǔn)確遠(yuǎn)距離傳輸不易實(shí)現(xiàn)。其二是數(shù)字測(cè)量法，即將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，再對(duì)其頻率進(jìn)行測(cè)量與控制。該方法具有抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、易滿足工業(yè)數(shù)字化的需求［2］。

基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工況的復(fù)雜性，以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，數(shù)字測(cè)量法被廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)［3］。PLC 不僅在工業(yè)環(huán)境下可靠性高［4］，而且與力控組態(tài)軟件一起易于通信，便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)程監(jiān)控。以太網(wǎng)這種目前最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，利用Ethernet+TCP/IP，使得系統(tǒng)更具開(kāi)放性、可靠性，同時(shí)也使系統(tǒng)低成本成為可能［5］。力控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)上位監(jiān)控界面，通過(guò)TCP/IP通信方式實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的信息交互。PLC的通信擴(kuò)展端口接入以太網(wǎng)，PLC程序可以經(jīng)過(guò)傳輸介質(zhì)網(wǎng)線直接下載到PLC中，力控也可以通過(guò)PLC的IP地址直接訪問(wèn)PLC。光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)送入PLC，由PLC中的高速脈沖計(jì)數(shù)器算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。力控監(jiān)控PLC中的轉(zhuǎn)速變量既可以準(zhǔn)確地得到電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

1 測(cè)速原理

光電旋轉(zhuǎn)編碼器是幾種主要的轉(zhuǎn)速檢測(cè)器件之一。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器連接，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，隨之產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，如圖1所示。碼盤(pán)上均勻地分布著透明與不透明相間的線條，發(fā)光裝置與光敏器件被安裝在碼盤(pán)的兩側(cè)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，光敏器件按照透光量的變化，同步將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。在T時(shí)間內(nèi)輸出一組脈沖，如圖2所示。

圖1 光電編碼器原理圖

圖2 測(cè)量頻率方波圖形

設(shè)采樣時(shí)間為T(mén)，光電碼盤(pán)轉(zhuǎn)一圈輸出的脈沖數(shù)為pN，則在采樣時(shí)間內(nèi)所測(cè)到的脈沖數(shù)為個(gè)數(shù)為m，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n:

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及其原理

系統(tǒng)中的光電編碼器為增量式編碼器，型號(hào)為PKT1040－1024－C12－24F，一轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為1024個(gè)，供電電源采用直流12～24 V之間，由于系統(tǒng)采用的S7－200PLC，輸入電壓為24 V，編碼器的供電電源直接使用PLC上的24 V直流電源。轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)用PLC中的高速脈沖計(jì)數(shù)器HSC0，輸入點(diǎn)為I0.0，將編碼脈沖輸出端子A經(jīng)I0.0送入PLC，根據(jù)測(cè)速原理得到轉(zhuǎn)速。

西門(mén)子PLC編程軟件step7定義PLC的以太網(wǎng)通信擴(kuò)展模塊，IP 地址設(shè)置為 192.168.1.50，端口默認(rèn)為102。力控組態(tài)軟件則采用TCP/IP以太網(wǎng)通信方式接入局域網(wǎng)絡(luò)。力控通過(guò)PLC的網(wǎng)絡(luò)IP地址直接訪問(wèn)PLC，轉(zhuǎn)速變量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳入力控上位界面。系統(tǒng)硬件原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高可靠性的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)功能流程主要包括初始化、數(shù)據(jù)采集取樣、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、轉(zhuǎn)速變量與力控組態(tài)軟件關(guān)聯(lián)、轉(zhuǎn)速顯示。

1)轉(zhuǎn)速脈沖檢測(cè)與測(cè)速程序

如圖1所示，首次掃描時(shí)的特殊存儲(chǔ)器字節(jié)狀態(tài)位SM0.1調(diào)用子程序SBR_0。用SBR_0定義一個(gè)定時(shí)中斷，中斷事件號(hào)設(shè)為10，并將此中斷與中斷程序INT_0相連。特殊寄存器SMB34定義定時(shí)中斷0的時(shí)間間隔。綜合考慮編碼器的分辨率和電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，將中斷0的時(shí)間間隔設(shè)置為50 ms，這樣既能保證測(cè)速精度，也能保證轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)時(shí)性。配置SMD37控制字來(lái)選擇HSC0的操作方式，將HSC0的有效位置1，可以更新HSC0的當(dāng)前值，不更新計(jì)數(shù)方向，增計(jì)數(shù)方式，無(wú)復(fù)位電平信號(hào)。而SMD38設(shè)置HSC0的當(dāng)前值初始化為0。綜上所述，定義特殊寄存器SMB37=16#C8，SMD38=0。

發(fā)生定時(shí)中斷時(shí)，進(jìn)入中斷0計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖5所示。中斷服務(wù)程序讀取HSC0的值，即是50 ms內(nèi)編碼器輸出脈沖數(shù)。HSC0中的數(shù)值累加32次后存入VD0。再根據(jù)測(cè)速原理，PLC計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速存入VW10。此時(shí)VW10的值為轉(zhuǎn)速n。最后，將HSC0的當(dāng)前值清零，即 SMD38=0，然后重啟HSC0。

圖4 主程序流程圖

圖5 中斷服務(wù)程序流程圖

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)編寫(xiě)如下測(cè)速程序。

2)上位監(jiān)控

系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)用力控6.1組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)。首先，定義一個(gè)S7－200PLC設(shè)備組態(tài)，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信方式，設(shè)備 IP地址設(shè)置為192.168.1.50。端口默認(rèn)102。然后，將變量VW10與力控關(guān)聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)信息交互。

力控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的上位系統(tǒng)，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)速，也可以對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便故障診斷。同時(shí)上位系統(tǒng)還可以高限和低限報(bào)警，并將報(bào)警信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

上位界面測(cè)試完成后，對(duì)界面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。在服務(wù)器上運(yùn)行測(cè)速系統(tǒng)程序，以太網(wǎng)絡(luò)里的其他客戶機(jī)在瀏覽器中直接輸入服務(wù)器IP地址，即可同步監(jiān)控測(cè)速系統(tǒng)。這種基于Web的B/S模式的上位監(jiān)控系統(tǒng)比C/S模式操作方便，用戶只需通過(guò)Web瀏覽器就可以快速、準(zhǔn)確地操作、監(jiān)控系統(tǒng)。

4 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用富士變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，改變輸出頻率使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率1.1 kW，額定電壓380 V，額定電流2.7 A，額定頻率50 Hz。力控實(shí)時(shí)監(jiān)控不同頻率下的轉(zhuǎn)速值。如表1所示。實(shí)際值比理論值小是因?yàn)殡姍C(jī)工作時(shí)鐵損、銅損等各種損耗存在。

表1 電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值

5 結(jié) 語(yǔ)

以太網(wǎng)引入工業(yè)控制領(lǐng)域有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，它的開(kāi)放性將系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)緊密有效地連接起來(lái)，其開(kāi)放性和互操作性也體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的本質(zhì)要求。力控組態(tài)軟件將上位界面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，B/S模式的用戶界面使遠(yuǎn)程智能監(jiān)控變得更加方便?；谝蕴W(wǎng)的PLC測(cè)速法，使得工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度提高、運(yùn)行可靠、成本降低，可以推廣到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、自來(lái)水廠等工業(yè)控制系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)量。

［1］于炳亮.電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法研究［J］.山東科學(xué)，2005，18(5):41－42.

［2］呼秀山，錢(qián)利民，李迎春.一種基于PLC開(kāi)關(guān)量輸入單元的轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)量方法［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(5－1):4－6.

［3］王鵬，閆健.基于 PLC的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量［J］.PLC＆FA，2008(3):60－61.

［4］周秀君，鄧榆林.基于PLC的高可靠性電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微電機(jī)，2008，41(6):62－63.

［5］陳建群.基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2007.