基于西門子PLC和光電編碼器的粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量

摘 要：本文主要介紹了西門子PLC和光電編碼器在氣動(dòng)粉碎機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速測(cè)量的研究與應(yīng)用。測(cè)量系統(tǒng)以增量型旋轉(zhuǎn)編碼器為測(cè)量傳感器，以西門子S7-200 SMART PLC為控制器，對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法、硬件組成以及高速計(jì)數(shù)器的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。

關(guān)鍵詞：高速計(jì)數(shù)器;光電編碼器;PLC設(shè)計(jì)

1 測(cè)速系統(tǒng)的工作原理

有機(jī)廢棄物自動(dòng)化裝置由粉碎單元、輸送單元及發(fā)酵池單元組成，其中粉碎單元需要對(duì)落葉、花草等有機(jī)廢棄物進(jìn)行粉碎并將有機(jī)廢棄物粉碎到粒徑大小為10～15mm大小，現(xiàn)通過氣動(dòng)粉碎機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)廢棄物的粉碎。氣動(dòng)粉碎機(jī)的刀片轉(zhuǎn)速需要進(jìn)行實(shí)施的監(jiān)控，對(duì)后期的調(diào)試起到了關(guān)鍵性的作用。本文主要介紹利用PLC和光電編碼器對(duì)氣動(dòng)粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，得到其最高轉(zhuǎn)速值。

首先將光電編碼器通過聯(lián)軸器與氣動(dòng)粉碎機(jī)進(jìn)行同軸安裝，此處可知，編碼器的轉(zhuǎn)速與氣動(dòng)粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)速比為1∶1，因此只要測(cè)量出編碼器的脈沖數(shù)就可通過計(jì)算得到氣動(dòng)粉碎機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速值。通過西門子S7-200 SMART PLC高速計(jì)數(shù)器功能，程序設(shè)計(jì)與處理，計(jì)算出氣動(dòng)粉碎機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

2 測(cè)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)粉碎機(jī)測(cè)速系統(tǒng)硬件選型

本測(cè)速系統(tǒng)主要電氣元件有PLC、增量式光電編碼器以及電磁閥。其中PLC選用具有2個(gè)A/B相正交100KHz高速計(jì)數(shù)器的西門子S7-200 SMART PLC，其具體型號(hào)為CPU SR40 AC/DC/RLY，24個(gè)輸入和16個(gè)繼電器型輸出;編碼器選用歐姆龍E6B2-CWZ6C增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器的分辨率為10P/R，該編碼器共有五引出線，采用A/B相正交高速計(jì)數(shù)方式，故將編碼器的黑色引線A相及白色引線B相連接到PLC的輸入端;電磁閥選用喜開理CKD電磁閥，工作電壓為交流220V，50Hz。

2.2 電氣原理圖

根據(jù)所選電氣元件，編碼器的輸入軸通過聯(lián)軸器與氣動(dòng)粉碎機(jī)直接相連，編碼器的高速脈沖輸出A相與B相與PLC的I0.0/I0.1連接。編碼器的供電電源24V由開關(guān)電源供電。電磁閥信號(hào)端連接PLC輸出點(diǎn)Q0.0，PLC由交流220V電源供電。具體的電氣原理圖如圖1所示。

3 測(cè)速系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本測(cè)速系統(tǒng)采用光電編碼器的“M法”測(cè)速方法對(duì)氣動(dòng)粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試。即通過測(cè)量一段固定的時(shí)間間隔T內(nèi)的編碼器脈沖數(shù)來計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。利用“M法”測(cè)速時(shí)，假設(shè)在固定的時(shí)間間隔T（單位為s）內(nèi)，PLC測(cè)得的編碼器的脈沖個(gè)數(shù)為M，其中編碼器的分辨率為P=10P/R（編碼器每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出了10個(gè)脈沖），則粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)速為：S=60MPTRPM（轉(zhuǎn)每分鐘）。本測(cè)速系統(tǒng)中，時(shí)間間隔T取100ms，編碼器的分辨率為10P/R，將其代入公示可得：S=60M10×0.1=600M10。

本測(cè)速系統(tǒng)的編程思路首先是對(duì)程序進(jìn)行初始化運(yùn)行，同時(shí)調(diào)用高速計(jì)數(shù)器、中斷子程序。網(wǎng)絡(luò)2中的VD4為前100ms內(nèi)脈沖數(shù)的總和，VD50為粉碎機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中的最高轉(zhuǎn)速，在程序執(zhí)行之前對(duì)其進(jìn)行清零。

網(wǎng)絡(luò)3為觸摸屏按下啟動(dòng)按鈕后，PLCQ0.0輸出高電平，電磁閥線圈得電，粉碎機(jī)刀片在氣壓的作用下開始高速旋轉(zhuǎn)切割，與粉碎機(jī)同軸連接的編碼器旋轉(zhuǎn)，將脈沖發(fā)送給PLC的高速計(jì)數(shù)器HSC0，網(wǎng)絡(luò)4中的VD0為高速計(jì)數(shù)器脈沖發(fā)送的當(dāng)前值。VD54為通過中斷子程序計(jì)算后得到的氣動(dòng)粉碎機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

網(wǎng)絡(luò)5將氣動(dòng)粉碎機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，若當(dāng)前轉(zhuǎn)速高于設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速，則通過程序?qū)ψ罡咿D(zhuǎn)速進(jìn)行更新，并將最高轉(zhuǎn)速VD50顯示于觸摸屏上。

子程序HSC0_INIT為高速計(jì)數(shù)器控制子程序，可通過西門子S7-200 SMART高速計(jì)數(shù)器指令向?qū)瓿筛咚儆?jì)數(shù)器HSC0的參數(shù)設(shè)置。首先對(duì)高速計(jì)數(shù)器的控制子SMB37進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置值為16#FC。SMB37高速計(jì)數(shù)器HCS0控制字的描述如下表所示。

另外，由于程序中無需使用當(dāng)前值等于預(yù)置值時(shí)的中斷時(shí)間，因此將當(dāng)前值SMD38及預(yù)置值SMD42都設(shè)置為0。同時(shí)將高速計(jì)數(shù)器HSC0的工作模式設(shè)置為模式9，A/B相正交高速計(jì)數(shù)模式。

中斷子程序?yàn)闅鈩?dòng)粉碎機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速的計(jì)算過程，根據(jù)計(jì)算公式S=60M10×0.1=600M10，程序具體設(shè)計(jì)如下：首先將PLC高速計(jì)數(shù)器HSC0采集到的當(dāng)前脈沖值VD0與前100ms內(nèi)脈沖數(shù)的總和VD4作差，將差值賦值給VD8，同時(shí)更新VD4內(nèi)的數(shù)據(jù)，即前200ms內(nèi)脈沖數(shù)的總和。將差值VD8與600相乘，再除以10，最后通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到氣動(dòng)粉碎機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速值VD46。通過觸摸屏實(shí)時(shí)的顯示氣動(dòng)粉碎機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速值。

根據(jù)氣動(dòng)粉碎機(jī)的電氣原理圖完成電路的連接，并完成程序的編寫與下載，繪制觸摸屏的組態(tài)畫面，設(shè)置通信參數(shù)值，啟動(dòng)氣動(dòng)粉碎機(jī)的運(yùn)行，監(jiān)視粉碎機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速。通過觸摸屏的數(shù)據(jù)顯示：氣動(dòng)粉碎機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到3000rpm。

4 結(jié)論

本文介紹了利用西門子S7-200 SMART高速計(jì)數(shù)器指令向?qū)瓿闪藲鈩?dòng)粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。在轉(zhuǎn)速測(cè)量過程中，使用增量型光電編碼器的“M法”測(cè)速法，通過聯(lián)軸器聯(lián)動(dòng)氣動(dòng)粉碎機(jī)，PLC采集編碼器發(fā)出的高速脈沖串，通過中斷子程序完成實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，并通過觸摸屏將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速顯示出來。該測(cè)量方法也可推廣到類似的旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速測(cè)量中。

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基金項(xiàng)目：麗水市科技局公益性技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2017GYX39）

作者簡(jiǎn)介：周國(guó)良（1986— ），男，漢族，浙江麗水人，碩士，實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)。