基于PLC的高能電子束下板機(jī)測(cè)速系統(tǒng)的研究*

路澤永，趙亞麗，李長(zhǎng)久

（河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 承德 067000）

電子束輻照技術(shù)是一種新型輻射加工技術(shù)，由于其具有效率高、能耗低、效果好且環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，電子束輻照技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用能力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)日益提升[1]。束下傳輸系統(tǒng)是連接輻照加工高放射區(qū)和非放射區(qū)的關(guān)鍵設(shè)備，系統(tǒng)除了應(yīng)具有運(yùn)行平穩(wěn)、速度可調(diào)、可靠性高等性能外，還應(yīng)具備耐輻射的特殊性能[2-3]。束下板機(jī)處于輻射區(qū)，要求板機(jī)速度可以根據(jù)被輻照物不同而進(jìn)行速度調(diào)整。如何準(zhǔn)確測(cè)量板機(jī)速度對(duì)控制輻照質(zhì)量至關(guān)重要。本文利用干簧繼電器制成編碼器對(duì)束下板機(jī)進(jìn)行測(cè)速，并針對(duì)測(cè)速方法進(jìn)行了研究。

1 束下板機(jī)測(cè)速系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

束下板機(jī)速度控制系統(tǒng)組成原理見(jiàn)圖1。

圖1 束下板機(jī)速度控制系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)以S7-1200可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為控制核心，通過(guò)人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）在觸摸屏上設(shè)定板機(jī)運(yùn)行速度后，PLC輸出模擬量控制變頻器運(yùn)行，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。測(cè)速裝置的信號(hào)輸出端與PLC的數(shù)字量輸入端相連接，PLC通過(guò)軟件程序?qū)崟r(shí)計(jì)算可以得出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，將所得轉(zhuǎn)速與設(shè)定值比較，再通過(guò)一定的控制算法控制變頻器進(jìn)行調(diào)速，從而得到滿足系統(tǒng)控制要求的設(shè)備旋轉(zhuǎn)速度。

1.1 測(cè)速裝置工作原理

在電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量中，一般應(yīng)用傳統(tǒng)的編碼器。以增量式旋轉(zhuǎn)編碼器為例，編碼器與旋轉(zhuǎn)機(jī)械同軸連接并轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器輸出一連串與轉(zhuǎn)速有對(duì)應(yīng)關(guān)系的脈沖信號(hào)并將其傳輸?shù)絇LC輸入接口，再通過(guò)PLC程序處理轉(zhuǎn)換成直線位移或設(shè)備的轉(zhuǎn)速，這也是現(xiàn)在編碼器用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的一種主要方式[4]。實(shí)踐證明，傳統(tǒng)的編碼器、接近開(kāi)關(guān)在輻照區(qū)內(nèi)使用壽命會(huì)快速退化，因此在輻照區(qū)采用電子類(lèi)開(kāi)關(guān)不能滿足長(zhǎng)期工作的需要，可以選擇環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的干簧繼電器。

1.2 干簧繼電器概述

干簧繼電器（干簧管）配合永久磁鐵使用，具有動(dòng)作速度快、觸點(diǎn)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[5]。干簧繼電器主要由玻璃管、干簧片和骨架構(gòu)成，見(jiàn)第79頁(yè)圖2。

圖2 干簧繼電器結(jié)構(gòu)圖

干簧繼電器內(nèi)部由一對(duì)磁性材料制造的彈性磁簧組成，磁簧密封于充有惰性氣體的玻璃管中，磁簧端面互迭，但留有一條細(xì)間隙。當(dāng)干簧繼電器周?chē)鸁o(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，觸點(diǎn)部分?jǐn)嚅_(kāi)；當(dāng)磁性物質(zhì)靠近玻璃管時(shí)，在磁場(chǎng)作用下，兩個(gè)簧片觸點(diǎn)接觸，線路導(dǎo)通。實(shí)際應(yīng)用中，通常采用永磁鐵控制金屬片的接通或斷開(kāi)。

1.3 束下測(cè)速裝置構(gòu)成

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，干簧管開(kāi)關(guān)逐漸成為某些要求質(zhì)量、可靠性及安全為至上的苛刻應(yīng)用場(chǎng)合中的首選。在輻照區(qū)域中，干簧繼電器工作表現(xiàn)十分穩(wěn)定。

本文采用干簧繼電器配合永磁鐵制作的測(cè)速裝置對(duì)束下板機(jī)速度進(jìn)行測(cè)量。束下測(cè)速裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 束下測(cè)速裝置

由圖3可知，在不銹鋼發(fā)號(hào)盤(pán)上安裝8顆永磁鐵，并將發(fā)號(hào)盤(pán)固定于板機(jī)主驅(qū)動(dòng)輪上，與驅(qū)動(dòng)輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。干簧繼電器接近永磁鐵時(shí)，導(dǎo)通信號(hào)通過(guò)信號(hào)線傳送到PLC的數(shù)字輸入點(diǎn)（DI），經(jīng)過(guò)程序處理，計(jì)算出板機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。

2 板機(jī)測(cè)速軟件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)速要求

受機(jī)械結(jié)構(gòu)和承載物重量影響，束下板機(jī)設(shè)定速度值和實(shí)際速度值存在差別，要求準(zhǔn)確測(cè)速以便于控制變頻器調(diào)速。束下板機(jī)運(yùn)行速度要求連續(xù)可調(diào)，且運(yùn)行速度較慢，如果每旋轉(zhuǎn)一圈更新一次速度，會(huì)造成速度值滯后，影響速度調(diào)整。因此測(cè)速裝置要滿足連續(xù)測(cè)速要求，并保證速度顯示值較為平穩(wěn)，需要干簧管每檢測(cè)到一次永磁鐵都要計(jì)算一次轉(zhuǎn)速。

2.2 測(cè)速程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中將整圈定時(shí)分為8個(gè)區(qū)間段，每個(gè)區(qū)間段分別計(jì)時(shí)。將每個(gè)區(qū)間的時(shí)間值進(jìn)行入棧操作，先入先出，實(shí)時(shí)計(jì)算板機(jī)轉(zhuǎn)速，為方便數(shù)據(jù)處理，采用結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言（Structured Control Language，SCL）編程。

2.2.1 程序流程圖

圖4為程序流程圖。

圖4 程序流程圖

當(dāng)發(fā)號(hào)盤(pán)隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，8顆永磁鐵會(huì)輪流觸發(fā)脈沖信號(hào)；第一顆永磁鐵上升沿信號(hào)觸發(fā)pulse_up信號(hào)，并啟動(dòng)定時(shí)器1定時(shí)；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到第二顆永磁鐵時(shí)，將pulse_up信號(hào)取反并啟動(dòng)定時(shí)器2定時(shí)；每個(gè)定時(shí)器在完成區(qū)間定時(shí)后將定時(shí)時(shí)間數(shù)值進(jìn)行先入先出的壓棧操作；之后進(jìn)行時(shí)間求和，并在已知主驅(qū)動(dòng)輪周長(zhǎng)的情況下計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)速度，單位為m/min。公式為

2.2.2 入棧程序設(shè)計(jì)

部分入棧程序如下所示。

IF#Enable THEN//如果有使能信號(hào)，遇到上升沿則進(jìn)行新數(shù)據(jù)入棧

＃CircleTime：＝（＃T1＿time＿all＋＃T2＿time＿all）；//一整圈的時(shí)間

2.2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速程序設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速計(jì)算如下。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見(jiàn)圖5，觸摸屏上設(shè)定運(yùn)行速度，由測(cè)速裝置反饋出的速度滿足現(xiàn)場(chǎng)誤差±2%的要求，且顯示數(shù)值平穩(wěn)無(wú)大波動(dòng)。

圖5 測(cè)速裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用干簧繼電器實(shí)現(xiàn)了在輻照條件下板機(jī)速度的測(cè)量功能。結(jié)合用戶對(duì)轉(zhuǎn)速顯示平穩(wěn)要求，采用SCL編程實(shí)現(xiàn)了分段計(jì)時(shí)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓棧出棧處理，使計(jì)算數(shù)值平穩(wěn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其測(cè)量精度滿足技術(shù)要求。本裝置解決了極限條件下轉(zhuǎn)速測(cè)量的問(wèn)題，且能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，該裝置和測(cè)量方法具有較高的推廣價(jià)值和市場(chǎng)前景。