利用PLC檢測多臺電機轉速的研究

陳文武 杜彬 朱柳忠 顧曉偉

摘要：通過利用西門子S7-300系列PLC的CPU模塊、數字量輸入模塊、SICK電感式接近開關、西門子TP170觸摸屏等電氣元件，對軋鋼線130臺輸入輥道電機進行轉速檢測，同時把電機轉速實時顯示在觸摸屏上。通過PLC程序邏輯運算實現報警輸出，解決了多臺電機轉速實時檢測的難題，減少了軋鋼生產過程中因電機轉速失靈造成的軋鋼質量缺陷。

關鍵詞：S7-300 PLC;TP170;接近開關;轉速檢測

0? ? 引言

我廠軋鋼線有130臺輸入輥道電機，采用變頻器進行無極調速，電機轉速范圍120～1 500 r/min，轉速調整范圍較大。此輸入輥道采用3 kW輥道變頻電機，額定電機電流8 A，每個輸入輥道電機安裝7～10 A可調斷路器，每個斷路器常開觸點并聯控制1個報警器。當電機轉速在200 r/min以下時，電機容易卡死并堵轉，而此時電機電流只有6 A，達不到電機斷路器最小電流跳閘值，因此電機一直堵轉導致斷路器無動作、報警器不報警，從而對軋材造成質量缺陷。但當電機轉速在750 r/min以上時，電機運行電流達到7 A，當棒材在輸入輥道經過時，電機運行電流就很容易超過8 A，導致電機斷路器跳閘，造成誤動作報警。因為輸入輥道電機數量多，生產過程中轉速調節頻繁，可調斷路器不能可靠運行，這就造成報警器誤報現象時有發生。因此，根據現場情況分析設計了一種能自動檢測電機轉速的裝置，以提高現場電機轉速檢測的可靠性。

1? ? 理論分析

1.1? ? 西門子S7-300簡介

SIMATIC S7-300是一種通用型PLC，適合自動化工程中的各種應用場合，尤其是生產制造工程。采用模塊化和無風扇的結構，易于實現分布式配置以及易于掌握等特點，使得S7-300 PLC在生產制造工程、通用機械制造、專用機械制造等工業領域，成為一種實施各種控制任務時既經濟又切合實際的解決方案。

西門子CPU 315-2DP技術參數如表1所示。

1.2? ? SICK電感式接近開關簡介

SICK電感式接近開關實用性及可靠性較高，廣泛使用在所有工業領域，它能檢測金屬物體，并且由于外形和尺寸的多樣性，適合廣泛應用，主要應用場合有：定位檢測、輸送動作監測、產生計算脈沖信號、速度監測。電感式接近開關由LC振蕩電路、信號觸發器和開關放大器組成（圖1）。

電感式接近開關的工作原理是振蕩電路的線圈產生高頻交變磁場，從傳感器的感應面上釋放，當金屬材料靠近感應面時，發生磁滯和渦流損失現象，損失的渦流從振蕩電路吸收能量從而減少振蕩。信號觸發器可以檢測振蕩減少，最終通過開關放大器把開關信號轉化為PLC能夠接收的信號。

電感式接近開關IM08技術參數如表2所示。

1.3? ? 接近開關檢測能力分析

電機最大轉速1 500 r/min，換算成以秒為單位是25 r/s，當轉盤上只有1個脈沖信號時，接近開關的檢測頻率是25 Hz，該頻率小于接近開關最大開關頻率3 000 Hz。因此，接近開關的檢測能力是能夠滿足現場工況要求的。

1.4? ? PLC檢測能力分析

同理，電機最大轉速1 500 r/min，換算成檢測周期是40 ms，由于PLC指令使用浮點數計算的運算速度是6.0 μs，位操作的運算速度是0.1 μs，因此在程序中要盡量減少使用浮點數運算，使整個PLC的掃描周期小于40 ms，否則將出現信號檢測缺失，導致程序邏輯運算的轉速偏差擴大。在本程序運行過程中最大掃描時間是15 ms，短于接近開關40 ms檢測周期，因此能夠在PLC中可靠穩定運行。

2? ? 實施方案

（1）現場電機前軸安裝機械連接軸，電機后軸安裝電機降溫風葉，電機前后軸部分不適合安裝轉盤。因此設計了一個可以安裝在電機機械連接軸上的轉盤，轉盤上有測量板，用于產生接近開關脈沖信號，測量板a的寬度與接近開關直徑相同，都是8 mm。為了提高接近開關檢測的可靠性，把Sn/2的距離調整得靠近一些，現場安裝的實際距離只有1 mm（圖2）。

（2）PLC輸入模塊主要完成接近開關信號采集，通過CPU指令集對檢測信號進行邏輯運算，最后輸出顯示電機實際轉速，其中輸出輥道報警可以提醒現場作業人員對該電機轉速情況進行檢查，圖3中只編寫了1臺電機的程序段，130臺電機都需要編寫程序。

1）“常閉”觸點用于程序段是否投入使用;“CMP”比較指令用于在觸摸屏設置“參數設置”.SZDJ_ZTJC，與整數1比較后是否投入使用;“1#輥道檢測信號”用于現場接近開關輸入信號采集;“檢測上升沿脈沖”.DB_VAR1指令用于每次取1個上升沿信號;“ADD_I”指令用于“輥道脈沖計數”.DB_VAR1累加運算。

2）“參數設置”.XHJSD_SSY常開觸點用于循環計時（60 s），通過“MOVE”指令把“輥道脈沖計數”DB-VAR1輸出到“輥道轉速顯示”DB_VAR1中，用于在觸摸屏上顯示實際轉速。

3）通過“CMP”比較指令把“輥道轉速顯示”.DB_VAR1與觸摸屏上的“參數設置”.GDZDZS_SZ的輥道最低轉速進行運算，把“輥道運行正常”.DB_VAR1輸出到中繼線圈。

4）“參數設置”.XHJSD_XJY循環計數下降沿常開觸點，通過“MOVE”指令把“輥道脈沖計數”.DB_VAR1清零。

（3）西門子TP170觸摸屏可顯示多臺電機的轉速，為了方便設置參數及觀察電機轉速情況，把觸摸屏安裝在現場PLC電控柜中，在觸摸屏上設計了輥道報警系統主畫面、轉速顯示畫面、報警選擇畫面，使現場作業人員經過簡單培訓就能夠比較容易地判斷電機故障。

1）主畫面設置“電機最低轉速”參數，當實際轉速低于該參數時，“輥道運行正常”指示燈亮。“轉速更新時間”顯示PLC程序內部轉速更新時間，在該項目程序中設置了每60 s更新一次。同時設置了“轉速顯示”和“報警選擇”兩個輔助界面。

2）“轉速顯示”畫面可以同時顯示130臺電機的實際轉速，當電機轉速低于主畫面“電機最低轉速”設置參數時，觸摸屏對應該電機的表格開始閃爍，同時集中輸出報警器開始工作。頂部第一行數字與左邊第一列數字相加即對應電機序號，對應電機的轉速顯示在表格中。

3）“報警選擇”畫面用于電機報警輸出設置，頂部第一行數字與左邊第一列數字相加即對應電機序號，需要相應電機接近開關投入檢測轉速時，在畫面中按下電機序號的按鈕，此時按鈕將從“0”轉變成“1”，代表電機報警投入使用;選擇“0”代表電機報警未投入使用。

3? ? 效果評估

西門子PLC功能強大，但在實施過程中也遇到了許多問題，比如在剛開始設計接近開關轉盤時測試板較小，檢測的電機轉速不準確，最后把接近開關檢測塊加大到1/2連接軸，才解決了轉速檢測不準確的問題。現場工況惡劣，溫度高，油污重，也給電機轉速檢測帶來了一些問題，這還需要在檢測元件這一塊提高可靠性。但是，通過近半年的攻關，該系統已經能夠可靠使用，為我廠減少產品質量缺陷提供了可靠保障。

[參考文獻]

[1] 西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

收稿日期：2020-04-27

作者簡介：陳文武（1981—），男，江蘇江陰人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。