基于Siemens PLC的貯柜虛擬編碼器的設計與應用

曹宏娟，曹喜生，張亞凱

（1.甘肅機電職業技術學院，甘肅天水741001；2.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020；3.北京航天拓撲高科技有限責任公司，北京100176）

1 前言

在當前煙草行業中，貯柜是最常見的存料設備，例如：葉線的預混柜、貯葉柜、葉絲柜、混絲柜、成品絲柜等，梗線的一次貯梗柜、二次貯梗柜、梗絲柜等。在生產過程當中，我們需要實時掌握貯柜出料量、存料量等信息，方便后續的工單生產和后續工單物料所在貯柜的提前拉料。為了得到這些參數信息，一般情況下都是先計算出貯柜底帶整體長度的脈沖數，再根據實際出料時底帶運行路程的脈沖數，進行出料量、存料量的計算。當前貯柜底帶脈沖采集一般采用增量式旋轉編碼器或者接近開關檢測齒輪的凹凸來采集脈沖，這種方法在實際現場應用過程中總是會出現機械性的誤差、脈沖采集數值不準確，尤其是在貯柜底帶停止后再次啟動時誤差表現的更大。為了解決這一現象的發生，我們引入了一個新的概念：貯柜虛擬編碼器，它不是現實的硬件，而是根據科學知識進行計算出的虛擬產物，這樣它就不存在機械性的誤差，只要底帶運行，虛擬脈沖就增加，同理底帶停止，虛擬脈沖就停止，所以它所產生的虛擬脈沖要比機械式的實際脈沖更可靠、更準確。

2 現狀分析

2.1 目前貯柜的出料量和存料量的計算

2.1.1 增量式旋轉編碼器

增量式旋轉編碼器通過內部兩個光敏接受管轉化其角度碼盤的時序和相位關系，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負方向）。在接合數字電路特別是單片機后，增量式旋轉編碼器在角度測量和角速度測量較絕對式旋轉編碼器更具有廉價和簡易的優勢。

一個旋轉編碼器，可以測量從幾個微米到幾十幾百米的距離。多個工位，只要選用一個旋轉編碼器，就可以避免使用多個接近開關、光電開關，解決現場機械安裝麻煩，容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問題。

2.1.2 接近開關檢測齒輪的凹凸

一般在貯柜底帶的主軸一側安裝一套帶支架的齒輪凹凸裝置和一個接近開關（固定不動），這樣底帶在運行時，帶動齒輪凹凸裝置一起旋轉運動。由于底帶的接近開關是固定不動的，所以齒輪凹凸裝置在旋轉運動的過程中，底帶接近開關可以間隔的檢測到齒輪的凸處，根據監測到的凸處，進行底帶脈沖的采集。

2.1.3 計算貯柜出料量和存料量

目前一般采用增量式旋轉編碼器或者接近開關檢測齒輪的凹凸來采集脈沖，進而進一步計算出貯柜出料量和存料量等參數。

2.2 目前脈沖采集方法的不足之處

2.2.1 不經濟性

增量式旋轉編碼器或者接近開關需要購買額外的硬件（增量式旋轉編碼器和接近開關相比，增量式旋轉編碼器的價格更昂貴），同時還需要找人工安裝、布線、接線、調試與配置編碼器參數等等工作，此外還要使用西門子的模塊進行采集信號（西門子的模塊價格也比較昂貴）。

2.2.2 編碼器誤差

采用編碼器采集脈沖時，電路干擾、貯柜震動，都會使增量式旋轉編碼器出現誤動作信號。

2.2.3 接近開關誤差

采用接近開關采集脈沖時，由于底帶運行時處于拉緊狀態，當中途停車時，可能恢復原狀，這樣可能導致脈沖的額外誤采集。

3 虛擬編碼器（VirtualEncoder）的出現

3.1 以圖1所示普通貯柜為例，設定底帶總長度設為L。

圖1 普通貯柜

3.2 運行t時間后，設定底帶移動的距離為S，則貯柜的存料量為

3.3 底帶在運行時，受到下游設備的約束，所以底帶運行是間斷的；底帶采用的是變頻控制，變頻器本身有加速時間、減速時間，所以底帶運行時速度是變化的（即底帶的運行頻率是變化的）。

圖2 底帶運行速度運行圖

圖2為底帶運行速度運行圖，可以看出底帶的運行是斷斷續續的。

我們設定底帶電機的級對數為P，運行頻率為f，運行轉速為n，運行角速度為w，電機軸的半徑為r，可以得出電機的線速度V的表達式：

積分概念：積分是微積分學與數學分析里的一個核心概念。通常分為定積分和不定積分兩種。直觀地說，對于一個給定的正實值函數，在一個實數區間上的定積分可以理解為在坐標平面上，由曲線、直線以及軸圍成的曲邊梯形的面積值（一種確定的實數值）。

根據積分的概念，如果我們在時間t上對底帶運行線速度V取積分，即可得出底帶在不同的線速度下、在不同時間段內的面積，此面積即是底帶在時間段t內走過的距離S：

綜合上述公式可以得出，底帶在時間段t內走過的距離S：

上述表達式即為將常數提出后的表達式，即總表達式。

4 虛擬編碼器（VirtualEncoder）的理論設計

4.2 由上以及積分原理可知，底帶的頻率和時間的乘積無限累加即可得出底帶在時間t內走過的距離：

這里我們將時間統一取100ms，即可知道

需要指出的是這里的100ms只是一個非常小的時間，這個時間越小越好！

4.3 針對上述的頻率累加，我們可是設定一個步長L1，當頻率累計到L1時，可以模擬一個虛擬方波的上升沿，當頻率累加到2.L1時，我們可以模擬一個虛擬方波的下降沿，以次類推，即可得出一系列的連續的虛擬方波的上升沿、下降沿，這也就有了我們需要的虛擬脈沖N：

于是我們得到：N=S／L1（注意：L1越大越好）

我們可以應用這里的脈沖N，進而去計算貯柜出料量和存料量等參數。

5 基于Siemens PLC的Step7編寫貯柜虛擬編碼器標準化程序設計

利用PLC強大的計算功能，可以很方便地在上述原理分析及理論計算方法基礎上，通過編寫程序，實現虛擬編碼器的設計。為使程序具有通用性和較強的普遍適用性，方便主程序調用執行，程序應進行標準化設計。Siemens PLC功能強大，運算速度快，易于組織子程序的有序執行和高效執行，其編程軟件Step7具有嚴謹的結構，豐富的指令，完全可以在軟件上實現虛擬編碼器的功能并做到標準化。編寫FB功能塊及其背景數據塊是實現標準化軟件的最佳方法。

程序截圖3～圖8所示。圖3創建了FB10功能塊及其背景數據塊，圖4～圖8為FB10功能塊的語句表程序，各段程序完成的功能如圖注文字說明，語句表右側注釋說明了計算過程，再此不再贅述。

圖3 創建程序

圖4 底帶實際頻率的累加

圖5 當底帶實際頻率的累加和小于設定步長時，輸出虛擬正脈沖

圖6 當底帶實際頻率的累加和大于設定步長時，輸出虛擬負脈沖

圖7 輸出虛擬脈沖相加，以及當底帶實際頻率的累加和大于2倍設定步長時，清零步長累加和

圖8 當手動復位、或者自動出料完畢時清零輸出的虛擬脈沖數量

6 虛擬編碼器（VirtualEncoder）的應用

目前此虛擬編碼器（VirtualEncoder）的標準化程序已在多個卷煙廠制絲生產線、梗生產線當中應用，根據現場的實際生產運行情況和數據采集分析情況來看，虛擬編碼器產生的虛擬脈沖比機械式的實際脈沖計算的出料量和存料量更準確、更貼合實際，同時虛擬編碼器（VirtualEncoder）的使用也得到了業主的一直好評。

7 結束語

貯柜虛擬編碼器以高等數學和自動控制學知識為基礎，以Siemens PLC為核心硬件，在Step7軟件上進行標準化程序編制與開發。程序中根據高等數學的積分知識進行虛擬脈沖的推導和計算，從而得出虛擬脈沖，以此來代替增量式旋轉編碼器或者接近開關檢測齒輪的凹凸的實際脈沖；這種配置方案一方面它所產生的虛擬脈沖要比機械式的實際脈沖更可靠、更準確；另一方面也減少了采購成本、電路干擾、貯柜震動、機械干擾等等外在因素，也大大減少了主控制柜或者分布式IO箱與現場貯柜類設備的施工和省去了大量的現場線纜，既提高了貯柜參數控制精度和可靠性，又給維護保養帶來了很大方便。