張 潔，馬鳳銘，張毅寧

(鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 鞍山 114007)

轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要狀態(tài)參數(shù).轉(zhuǎn)速測(cè)量在自動(dòng)化儀器儀表、自動(dòng)化設(shè)備以及工業(yè)控制中，常常是一項(xiàng)重要的檢測(cè)內(nèi)容[1].應(yīng)用場(chǎng)合的不同對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求也不同.

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25213-2010《煤的塑性測(cè)定 恒力矩吉氏塑性儀法》[2]中，要求用恒力矩吉氏塑性儀法測(cè)定煤的流動(dòng)度.其檢測(cè)原理是：在一裝有煤樣的坩堝中插入一攪拌槳，坩堝浸入一浴槽，以均勻的速度升溫，同時(shí)對(duì)攪拌槳施加一恒定旋轉(zhuǎn)力矩，煤樣受熱形成膠質(zhì)體，隨著溫度的升高，膠質(zhì)體的流動(dòng)性發(fā)生變化，攪拌槳因此受到不同的阻力，轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨著發(fā)生變化，從測(cè)得的轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化曲線，得到煤樣的流動(dòng)度[3].檢測(cè)過(guò)程表明：攪拌槳的轉(zhuǎn)速值在0.01～600 r/min之間連續(xù)變化，可見(jiàn)恒力矩吉氏塑性儀法中的轉(zhuǎn)速測(cè)量要求分辨率高、范圍寬，并要求在線連續(xù)進(jìn)行.

可編程控制器(PLC)是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)[4]，在現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛和便捷.本文利用增量光電編碼器作為檢測(cè)器件，通過(guò)PLC的高速計(jì)數(shù)器和定時(shí)中斷功能，采用變化閘門時(shí)間的頻率法,實(shí)現(xiàn)高分辨率、寬范圍轉(zhuǎn)速在線連續(xù)測(cè)量.

1 寬范圍轉(zhuǎn)速測(cè)量

1.1 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

轉(zhuǎn)速測(cè)量的最基本方法有頻率法、周期法、頻率/周期法[5].

頻率法是通過(guò)記錄規(guī)定閘門時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)量數(shù)量而得到轉(zhuǎn)速.在低轉(zhuǎn)速測(cè)量過(guò)程中，由于在確定的時(shí)間內(nèi)記錄轉(zhuǎn)動(dòng)量數(shù)量少，首尾半個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)量對(duì)測(cè)量誤差影響較大，所以頻率法往往用于高轉(zhuǎn)速的測(cè)量.

周期法是利用頻率與周期互為倒數(shù)的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量相鄰轉(zhuǎn)動(dòng)量間的時(shí)間差而計(jì)算轉(zhuǎn)速.在高轉(zhuǎn)速測(cè)量過(guò)程中，由于相鄰轉(zhuǎn)動(dòng)量間的時(shí)間差很短，測(cè)量響應(yīng)速度要求很快，從而造成測(cè)量誤差較大，因此周期法往往適于低轉(zhuǎn)速測(cè)量.

頻率/周期法是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)量數(shù)量和高頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖量來(lái)確定被測(cè)轉(zhuǎn)速的方法.頻率/周期法可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行高精度測(cè)量，但增加了軟硬件的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難.

1.2 變化閘門時(shí)間的頻率法

簡(jiǎn)單采用上述傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法是無(wú)法滿足高分辨率、寬范圍轉(zhuǎn)速在線測(cè)量需要的.而利用PLC的高速計(jì)數(shù)器和定時(shí)功能又能很方便采用頻率法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量，但在低轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，存在記錄轉(zhuǎn)動(dòng)量數(shù)量少、測(cè)量誤差大的問(wèn)題.對(duì)此，我們只要采用足夠長(zhǎng)的閘門時(shí)間，并在閘門時(shí)間內(nèi)記錄足夠多的數(shù)量，即可滿足測(cè)量精度的需要.對(duì)于轉(zhuǎn)速寬范圍變化的測(cè)量過(guò)程，特別在高轉(zhuǎn)速段，如仍采用長(zhǎng)的閘門時(shí)間，則不能及時(shí)真實(shí)地反映實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速狀況.所以在高轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，還應(yīng)采取短閘門時(shí)間進(jìn)行.

變化閘門時(shí)間的頻率法就是在測(cè)量高轉(zhuǎn)速時(shí)，采取短閘門時(shí)間；測(cè)量低轉(zhuǎn)速時(shí)，閘門時(shí)間加長(zhǎng)，使得在閘門時(shí)間內(nèi)記錄的轉(zhuǎn)動(dòng)量數(shù)量滿足轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求.這樣，轉(zhuǎn)速在很寬的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的在線測(cè)量，同時(shí)響應(yīng)速度與轉(zhuǎn)速保持一定程度的同步.

(1)

式(1)是由傳統(tǒng)頻率法轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的變化閘門時(shí)間的頻率法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式.其中，ω為轉(zhuǎn)動(dòng)速度；T為閘門時(shí)間；Y為閘門時(shí)間內(nèi)記錄的轉(zhuǎn)動(dòng)量數(shù)量；T0為單位閘門時(shí)間；i是變化因子，其隨著轉(zhuǎn)速的降低自動(dòng)增加；T0×i為變化閘門時(shí)間頻率法的實(shí)際工作閘門時(shí)間；NMAX為變化因子允許的最大整數(shù)，以限定允許的最長(zhǎng)閘門時(shí)間.

2 轉(zhuǎn)速測(cè)量硬件配置

2.1 恒力矩吉氏塑性儀頭的構(gòu)成

圖1 轉(zhuǎn)速測(cè)量硬件結(jié)構(gòu)示意圖

恒力矩吉氏塑性儀頭主要由電動(dòng)機(jī)、磁滯離合器、光電編碼器、S7-200PLC、攪拌槳組件組成.其中，電動(dòng)機(jī)、磁滯離合器、光電編碼器和攪拌槳組件同軸連接，參見(jiàn)圖1.電動(dòng)機(jī)輸出一定轉(zhuǎn)速；磁滯離合器保證對(duì)攪拌槳施加一恒定旋轉(zhuǎn)力矩；光電編碼器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將攪拌槳旋轉(zhuǎn)的幾何位移量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，送至S7-200PLC輸入端，經(jīng)S7-200PLC處理后，得出攪拌槳的轉(zhuǎn)動(dòng)速度.

2.2 光電編碼器與PLC的連接

光電編碼器由光柵碼盤及光電探測(cè)器組成[6].增量型光電編碼器的光柵碼盤位置的變化由A、B、Z三相輸出，即碼盤每一個(gè)增量位移，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)，并由互補(bǔ)的A相和B相同時(shí)輸出，而Z相提供基準(zhǔn)點(diǎn)定位脈沖信號(hào).本文光電編碼器分辨率選用3 600 P/R,則攪拌槳每旋轉(zhuǎn)360 °，A相和B相就能分別輸出3 600個(gè)脈沖信號(hào).

S7-200PLC模塊CPU 224 XP的高速計(jì)數(shù)器可累計(jì)比PLC掃描頻率高得多的脈沖輸入，而CPU 224 XP兩相輸入時(shí)允許的最大輸入速率可達(dá)100 kHZ.

將增量光電編碼器的A相和B相脈沖輸出分別接至CPU 224 XP高速計(jì)數(shù)器的A時(shí)鐘和B時(shí)鐘輸入端I0.0和I0.1[7].同時(shí)采用PLC高速計(jì)數(shù)器A/B正交4倍速率計(jì)數(shù)模式，將計(jì)數(shù)分辨率提高4倍.

3 轉(zhuǎn)速測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)處理方案

PLC轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)處理以變化閘門時(shí)間的頻率法(見(jiàn)式(1))為原則.

S7-200PLC的定時(shí)中斷支持時(shí)間為1～255 ms的周期性動(dòng)作，將PLC定時(shí)中斷作為單位閘門時(shí)間T0，操作簡(jiǎn)捷[8].

PLC根據(jù)高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前計(jì)數(shù)值(M)和轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)閾值(MMIN)遞增變化因子i，從而隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化自動(dòng)更新實(shí)際工作閘門時(shí)間T(T0×i).

PLC高速計(jì)數(shù)器對(duì)光電編碼器采用A/B正交4倍速率計(jì)數(shù)模式計(jì)數(shù),則當(dāng)攪拌槳每旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，高速計(jì)數(shù)器將記錄4×3 600個(gè)計(jì)數(shù)值.以圈數(shù)為單位，轉(zhuǎn)動(dòng)量數(shù)量Y和高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值M關(guān)系如式(2)所示.

(2)

3.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量程序設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速測(cè)量程序部分主要包括初始化子程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序和轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序.其中,初始化子程序和轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序由主程序負(fù)責(zé)調(diào)用.

(1)初始化子程序:主要完成高速計(jì)數(shù)器A/B正交4倍速率模式和定時(shí)中斷的設(shè)置與啟動(dòng).

(2)定時(shí)中斷服務(wù)程序:每當(dāng)PLC定時(shí)中斷產(chǎn)生時(shí)，也就是每隔單位閘門時(shí)間(T0)，將被自動(dòng)執(zhí)行.它主要完成讀取高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值M、遞增變化因子i、重新啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器等一系列工作.工作流程見(jiàn)圖2.

圖2 定時(shí)中斷服務(wù)程序流程圖

首先，讀取高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值M，同時(shí)進(jìn)行變化因子i加1的操作.然后，進(jìn)行變化因子i的判斷.如果變化因子i達(dá)到允許的最大值NMAX時(shí)，將保存當(dāng)前計(jì)數(shù)值M和變化因子i，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，同時(shí)重新啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器，開(kāi)啟新一輪的閘門時(shí)間計(jì)數(shù)過(guò)程；如果變化因子i小于最大值NMAX，則進(jìn)行計(jì)數(shù)值M的判斷.而計(jì)數(shù)值M的判斷，就是在當(dāng)前計(jì)數(shù)值M小于轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)閾值MMIN時(shí)，直接返回，從而使高數(shù)計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)，閘門時(shí)間依次延長(zhǎng)一個(gè)單位閘門時(shí)間T0.

完成標(biāo)志(G)是一轉(zhuǎn)速閘門時(shí)間完成標(biāo)志，用以表征當(dāng)前高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值(M)和閘門時(shí)間(T0×i)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算的有效性.

(3)轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序 當(dāng)完成標(biāo)志(G)有效時(shí)，按照式(1)和式(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算和轉(zhuǎn)速變量更新，結(jié)束時(shí)清完成標(biāo)志(G).

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證變化閘門時(shí)間的頻率法在測(cè)量寬范圍轉(zhuǎn)速中的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，參考圖1進(jìn)行了設(shè)備連接.其中，攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)在空載環(huán)境下進(jìn)行；采用伺服電機(jī)ACSM80-G01330LZ替代恒力矩吉氏塑性儀頭中的電動(dòng)機(jī)和離合器,模擬恒力矩吉氏塑性儀法中的轉(zhuǎn)速變化，并保證其運(yùn)行的穩(wěn)定；光電編碼器采用OMRON增量光電編碼器E6H-CWZ6C.

中、低段轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)，利用通用計(jì)數(shù)器EE3386監(jiān)測(cè)光電編碼器的A相輸出脈沖信號(hào)，采用測(cè)周法完成；高段轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)采用勝利VC6234P激光型轉(zhuǎn)速表進(jìn)行標(biāo)定.

表1給出轉(zhuǎn)速基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)中單位閘門時(shí)間T0取250 ms，轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)閾值MMIN取2 000,變化因子i最大整數(shù)值NMAX取60，則變化因子i取值范圍為1～60，從而閘門時(shí)間T隨著轉(zhuǎn)速的不同而不同，參見(jiàn)表2.

表1 轉(zhuǎn)速基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 轉(zhuǎn)速基本實(shí)驗(yàn)中變化因子i變動(dòng)表

由表1可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)速低端測(cè)量時(shí)，閘門時(shí)間為15 s，絕對(duì)誤差為0.000 r/min，相對(duì)誤差為0.000%；隨著轉(zhuǎn)動(dòng)速度的加大，閘門時(shí)間逐漸減小，誤差逐漸增大；在轉(zhuǎn)速高端測(cè)量時(shí)，閘門時(shí)間為0.25 s，絕對(duì)誤差最大為0.425 r/min，相對(duì)誤差達(dá)0.043%.造成這種誤差主要原因是：響應(yīng)定時(shí)中斷服務(wù)程序時(shí)，如當(dāng)時(shí)滿足高速計(jì)數(shù)器重新啟動(dòng)條件，由圖2流程圖中可見(jiàn)，從進(jìn)入中斷開(kāi)始，需執(zhí)行多條指令后，才能重新啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器，使高速計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù).在此期間將有計(jì)數(shù)遺漏，轉(zhuǎn)速越大，閘門時(shí)間越小，遺漏數(shù)值就越多，誤差也就越大.這種誤差是系統(tǒng)誤差，可通過(guò)再補(bǔ)償和加大最小閘門時(shí)間的方法降低.

表3是在轉(zhuǎn)速基本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，加大最小閘門時(shí)間，即對(duì)變化因子i最小值(NMIN)進(jìn)行限制，從而測(cè)得的高轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).由表1和表3可見(jiàn)，高轉(zhuǎn)速端(例:1 000.000 r/min)的測(cè)量，隨著閘門時(shí)間的加大，誤差相應(yīng)降低.

表3 高轉(zhuǎn)速在變化因子最小值不同條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

采用變化閘門時(shí)間的頻率法測(cè)轉(zhuǎn)速，已在全自動(dòng)雙爐基氏流動(dòng)度測(cè)定儀中得以成功應(yīng)用.

寬范圍在線轉(zhuǎn)速測(cè)量，完全可以發(fā)揮PLC具有高速計(jì)數(shù)器和周期性的定時(shí)中斷等優(yōu)勢(shì)，采用變化閘門時(shí)間的頻率法方便實(shí)現(xiàn).這樣，從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速，或從高轉(zhuǎn)速到低轉(zhuǎn)速，在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)不間斷的在線測(cè)量：轉(zhuǎn)速低，響應(yīng)慢；轉(zhuǎn)速高，響應(yīng)快，符合實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要.

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