基于PLC的轉速測量系統設計

文/彭芳

物體常見的運動方式有直線運動和旋轉運動兩種。直線運動用線速度v表示物體運動的快慢，v=s/t，表示在時間t內物體運動路程的變化，常用單位有m/s(米/秒)、km/h（千米/小時）兩種。對于旋轉運動物體轉動快慢用轉速n來表示，單位有rpm（轉/分），表示物體在每分鐘內轉動了多少圈。生活中常常需要把旋轉的轉速轉換為其它形式的信息，如汽車行駛時，車輪轉動，我們需要將其轉換成汽車在馬路上行駛的直線運動速度的大小。若汽車車輪圓周長按1.3m計算，且汽車勻速行駛，每秒鐘車輪轉動了12轉，則1秒內汽車行駛了15.6m，換算成千米/小時可計算出汽車在路面的行駛速度為56 km/h。

本設計以三相異步電動機的轉速測量為例，說明轉速測量系統的構成，其中三相異步電動機主要銘牌數據如表1所示。

表1中，電動機在額定狀態下工作，帶額定負載運行時的轉速為2830r/min。

1 控制系統設計方案

本系統利用PLC高速脈沖計數器功能，通過傳感器采集電動機旋轉轉換的脈沖信號實現轉速的測量。設計方案解決三個問題：

（1）三相異步電動機轉速的檢測。三相異步電動機工作時轉軸是連續旋轉狀態，對其轉速的測量首先要解決轉速信號的采集，常用方法是在電動機的轉軸上套上齒輪盤，齒輪盤間的凹凸在傳感器檢測時，可轉換成傳感器輸出的一個高、低電平脈沖信號。

（2）采用磁電式結構的傳感器接近開關，它是利用電磁感應的原理，將輸入的運動速度轉換成磁電式傳感器線圈中的感應電動勢輸出，工作時不需要外加電源，是一種有源傳感器。

（3）將傳感器的脈沖信號送至PLC的高速脈沖輸入端，通過程序設計完成轉速的測量。

2 控制系統硬件設計

系統硬件主要由西門子S7-200 CPU224XP PLC、接近開關、三相異步電動機及控制主電路、威綸通觸摸屏MT6070iH5、起動與停止按鈕、接觸器KM等組成，硬件電路如圖1所示。

2.1 系統起停控制電路

圖1中，起動按鈕、停止按鈕分別接PLC的輸入點I0.1、I0.2，電動機過載保護熱繼電器FR常閉觸點接PLC輸入點I0.3；PLC的輸出點Q0.0接接觸器KM線圈，其觸點控制三相異步電動機的主電路。

2.2 轉速采集電路

圖1中，將接近開關安裝在三相電動機齒輪盤的側面，要求傳感器的測量面與齒輪盤的齒面間隔在5~10mm之間。該接近開關三根出線，分別是電源正、負和信號線，其中棕色線接電源24V正極，藍色接電源負極，黑色線為信號線，接PLC高速脈沖輸入點I0.0端子。

磁電式傳感器測量轉速具有良好的機電轉換特性，同時因為磁電式傳感器具有造價低它輸出功率大且穩定，具有一定的工作帶寬（10-1000Hz）、測量精確度較高等特點，滿足本系統的三相異步電動機轉速測量要求。

2.3 三相異步電動機控制主電路

三相交流電經電源開關QS、熔斷器FU、接觸器KM的主觸點和熱繼電器FR熱元件接至三相異步電動機的三相定子繞組，當開關QS閉合，測速系統起動時，PLC執行程序使輸出Q0.0得電，電動機旋轉可進行測速。主電路如圖2所示。

2.4 轉速顯示電路

在電動機轉速測量系統中，我們需要將測量的轉速進行數據顯示，讓我們能直觀地對電動機轉速進行實時觀察。這里轉速顯示采用威綸通觸摸屏，型號為MT6070iH5，不僅可在觸摸屏上實現轉速的實時顯示，而且還可以通過觸摸屏上設置的起動與停止按鈕操作，實現系統工作狀態的控制，且與硬件按鈕的起動與停止操作具有同樣的效果。

3 控制系統軟件設計

程序由主程序和測速子程序兩部分組成。

3.1 主程序設計

主程序設置兩項功能：一是系統的起動與停止控制，并調用測速子程序，二是高速脈沖計數器的初始化設置，對應I0.0輸入端，具體如下：

（1）設置控制字SMB37，如寫入16#F8，表示起用高速脈沖計數器、更新初始值、更新預置值、做加計數模式等。

（2）將高速脈沖計數器初始值0寫入SMD38中，預置值寫入SMD42。

（3）執行HDEF高速脈沖計數器定義指令，定義HSC0及工作模式0。

（4）執行HSC高速脈沖計數器指令。

3.2 測速子程序設計

子程序設計中主要是三項設置：

（1）確定采樣周期，由定時器完成。

（2）在每個采樣時間到時，讀取計數存儲器HC0中的計數脈沖數據至變量存儲器中，如VD100；并為下一個采樣周期重置相關信息。

（3）轉速換算，以采樣周期1s為例，在本項目硬件條件下，在1秒內采集的脈沖數存儲在VD100中，換算成1s內電動機轉動的轉數為：VD100÷4送至VD104，再換算成每分鐘的轉數：VD104×60送至VD108，則VD108中即為電動機旋轉的轉速。

3.3 程序流程圖

程序設計流程圖見圖3。

4 系統調試

在硬件電路連接完成的基礎上，系統軟件調試主要分為以下步驟：

（1）采用西門子S7-200 STEP MicroWIN軟件建立工程項目，編寫梯形圖程序，編譯并下載至PLC中。

（2）在威綸通觸摸屏EB8000軟件中，首先完成PLC與觸摸屏的通信設置，然后進行觸摸屏界面組態，編譯并下載至觸摸屏。

（3）系統調試時，一是觀察硬件工作狀態正常與否；二是在PLC軟件界面和觸摸屏界面，觀察電動機運行時，轉速的變化規律。

轉速測量精確度說明：

（1）電動機每旋轉1周，如果接近開關只采集到一個脈沖信號，其轉速測量精確度較差。

措施：在轉軸上增加突出齒數，如圖1所示，沿轉軸的一周，間隔相同的位置安置4個突出齒，此時轉軸旋轉一周，接近開關可采集到4個脈沖信號。

（2）對于不同的旋轉轉速大小，對其脈沖的采樣周期應有不同。例如旋轉轉速較低時，n=100轉/分，應當適當地增大采樣周期；對于旋轉轉速較快的物體，采樣周期可適當減少。

在此方案中，對三相異步電動機進行轉速測量調試時，電動機銘牌上額定轉速為2830r/min，因為是空載運行，電動機實際轉速高于額定轉速。當采樣周期為0.5s時，觸摸屏顯示轉速在2890和2950之間變動，而實際電動機轉速此時應當是穩定的，這說明在測量過程中測量方法不當。造成轉速不穩定的原因，是采樣周期設置不合理，所以通過增大采樣周期為2s時，觸摸屏顯示的轉速測量值趨于穩定，數據波動大為減少，轉速值在2950r/min附近，只有個位數的誤差了。

圖1：硬件電路圖

圖2：電動機控制主電路

圖3：流程圖

5 結束語

此設計分硬件和軟件兩大部分，硬件上利用了西門子S7-200 CPU224XP PLC做為控制器，采用接近開關傳感器進行三相異步電機轉速的檢測與轉換，將產生的脈沖信號送入PLC高速脈沖計數器的輸入端；在設置的采樣周期中，讀取脈沖的個數，并進行換算，將計算結果存儲在相應的存儲器中，并將存儲器中的數據通過觸摸屏進行轉速的顯示。軟件采用西門子S7-200 STEP MicroWIN軟件建立工程項目，編寫梯形圖程序，采用威綸通觸摸屏EB8000軟件，進行觸摸屏界面組態。軟件設計中采用了結構化程序設計，具有較好的可移植性，當測量對象轉速在不同范圍變化時，在保證測量精度的前提條件下，只需做簡單的修改參數，可實現不同控制對象轉速測量的要求。

說明：此方案已在實物中運用。