蔡文皓，趙 旭，耿 力

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

0 引 言

在諸多運動控制系統(tǒng)的測量與控制中，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量精度有直接關(guān)系。因此，轉(zhuǎn)速的精密測量有十分重要的現(xiàn)實意義［1］。

考慮工業(yè)現(xiàn)場測量的條件，當前轉(zhuǎn)速測量的方法主要有兩種。其一是模擬測量法，即將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再對其進行測量與控制。該方法的優(yōu)點是信號采集方便，但是，信號的準確遠距離傳輸不易實現(xiàn)。其二是數(shù)字測量法，即將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，再對其頻率進行測量與控制。該方法具有抗干擾性強、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)場工況的復雜性，以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，數(shù)字測量法被廣泛應用于各種監(jiān)測控制系統(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，便于實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速遠程監(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)更具開放性、可靠性，同時也使系統(tǒng)低成本成為可能［5］。力控組態(tài)軟件開發(fā)上位監(jiān)控界面，通過TCP/IP通信方式實現(xiàn)與以太網(wǎng)的信息交互。PLC的通信擴展端口接入以太網(wǎng)，PLC程序可以經(jīng)過傳輸介質(zhì)網(wǎng)線直接下載到PLC中，力控也可以通過PLC的IP地址直接訪問PLC。光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號送入PLC，由PLC中的高速脈沖計數(shù)器算出電機轉(zhuǎn)速。力控監(jiān)控PLC中的轉(zhuǎn)速變量既可以準確地得到電機的實時轉(zhuǎn)速。

1 測速原理

光電旋轉(zhuǎn)編碼器是幾種主要的轉(zhuǎn)速檢測器件之一。在工業(yè)現(xiàn)場電動機與旋轉(zhuǎn)編碼器連接，電動機旋轉(zhuǎn)帶動其旋轉(zhuǎn)，隨之產(chǎn)生相應的轉(zhuǎn)速信號，如圖1所示。碼盤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的兩側(cè)。電動機轉(zhuǎn)動帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，光敏器件按照透光量的變化，同步將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號。在T時間內(nèi)輸出一組脈沖，如圖2所示。

圖1 光電編碼器原理圖

圖2 測量頻率方波圖形

設采樣時間為T，光電碼盤轉(zhuǎn)一圈輸出的脈沖數(shù)為pN，則在采樣時間內(nèi)所測到的脈沖數(shù)為個數(shù)為m，則電機轉(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，型號為PKT1040－1024－C12－24F，一轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為1024個，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)速脈沖計數(shù)用PLC中的高速脈沖計數(shù)器HSC0，輸入點為I0.0，將編碼脈沖輸出端子A經(jīng)I0.0送入PLC，根據(jù)測速原理得到轉(zhuǎn)速。

西門子PLC編程軟件step7定義PLC的以太網(wǎng)通信擴展模塊，IP 地址設置為 192.168.1.50，端口默認為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。力控通過PLC的網(wǎng)絡IP地址直接訪問PLC，轉(zhuǎn)速變量實時數(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)拓撲結(jié)構(gòu)

3 軟件設計

為了實現(xiàn)高可靠性的實時轉(zhuǎn)速監(jiān)測，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)速脈沖檢測與測速程序

如圖1所示，首次掃描時的特殊存儲器字節(jié)狀態(tài)位SM0.1調(diào)用子程序SBR_0。用SBR_0定義一個定時中斷，中斷事件號設為10，并將此中斷與中斷程序INT_0相連。特殊寄存器SMB34定義定時中斷0的時間間隔。綜合考慮編碼器的分辨率和電機的額定轉(zhuǎn)速，將中斷0的時間間隔設置為50 ms，這樣既能保證測速精度，也能保證轉(zhuǎn)速測量的實時性。配置SMD37控制字來選擇HSC0的操作方式，將HSC0的有效位置1，可以更新HSC0的當前值，不更新計數(shù)方向，增計數(shù)方式，無復位電平信號。而SMD38設置HSC0的當前值初始化為0。綜上所述，定義特殊寄存器SMB37=16#C8，SMD38=0。

發(fā)生定時中斷時，進入中斷0計算電機轉(zhuǎn)速，如圖5所示。中斷服務程序讀取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)測速原理，PLC計算出電機轉(zhuǎn)速存入VW10。此時VW10的值為轉(zhuǎn)速n。最后，將HSC0的當前值清零，即 SMD38=0，然后重啟HSC0。

圖4 主程序流程圖

圖5 中斷服務程序流程圖

根據(jù)工程經(jīng)驗編寫如下測速程序。

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)軟件開發(fā)。首先，定義一個S7－200PLC設備組態(tài)，采用TCP/IP網(wǎng)絡通信方式，設備 IP地址設置為192.168.1.50。端口默認102。然后，將變量VW10與力控關(guān)聯(lián)，即可實現(xiàn)信息交互。

力控組態(tài)軟件開發(fā)的上位系統(tǒng)，不僅可以實時監(jiān)控轉(zhuǎn)速，也可以對實時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，方便故障診斷。同時上位系統(tǒng)還可以高限和低限報警，并將報警信息存入數(shù)據(jù)庫。

上位界面測試完成后，對界面進行網(wǎng)絡發(fā)布。在服務器上運行測速系統(tǒng)程序，以太網(wǎng)絡里的其他客戶機在瀏覽器中直接輸入服務器IP地址，即可同步監(jiān)控測速系統(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Web瀏覽器就可以快速、準確地操作、監(jiān)控系統(tǒng)。

4 實 驗

實驗使用富士變頻器驅(qū)動三相異步電動機，改變輸出頻率使電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。三相異步電動機額定功率1.1 kW，額定電壓380 V，額定電流2.7 A，額定頻率50 Hz。力控實時監(jiān)控不同頻率下的轉(zhuǎn)速值。如表1所示。實際值比理論值小是因為電機工作時鐵損、銅損等各種損耗存在。

表1 電機轉(zhuǎn)速實時監(jiān)測值

5 結(jié) 語

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

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［3］王鵬，閆健.基于 PLC的電機轉(zhuǎn)速測量［J］.PLC＆FA，2008(3):60－61.

［4］周秀君，鄧榆林.基于PLC的高可靠性電機測速系統(tǒng)設計［J］.微電機，2008，41(6):62－63.

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