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PLC与光电编码器在转速测量中的应用

摘 要：随着社会的发展起重设备在工程机械中的地位越来越重要，对起重设备的运行情况的检测也越来越重要。其中一个重要监控点就是起重设备的转速转速的监控就必须得用到ＰＬＣ与光电编码器
关键词 ：ＰＬＣ光电编码器；增量型；高速计数器
中图分类号：TM571.1 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．06．０44
近些年来PLC与光电编码器（增量型）在起重行业上的应用已非常广泛，如在起重设备中测走行距离与卷扬机转速等。本文将详细介绍如何用西门子PLC与增量型编码器测电机的转速以及旋转方向。
１ 工作原理概述
将编码器与电动机同轴安装（电动机为三向异步电机）电动机运转时同时带动编码器转动，所以光电编码器的转速就是电动机的转速。编码器高速运转时其内部输出高速脉冲，用PLC采集其输出脉冲，编写程序故可计算出电动机的转速。为了方便的测电机的多个速度与方向，可加入变频器进入该系统，通过变频器来调节电机的转速与方向。
光电编码器的输出信号有＋５ｖ和＋２４ｖ，而多数ｓ７－２００ｃｐｕ的输入端有效信号时＋２４ｖ，只有ｃｐｕ２２４ｘｐ型的ｐｌｃ既可以接入＋５ｖ的信号也可以接入＋２４的信号，故本文中的ｐｌｃ选择ｃｐｕ２２４ｘｐ，编码器为增量型＋５ｖ电压型输出，变频器的型号为施耐德ＡＴＶ３１２。本文中将采用两个编码器测两个电机的转速。其原理见图１、图２。

为了精确地测量光电编码器的输出脉冲，需要使用ｃｐｕ２２４ｘｐ中的高速计数器。下面来简单介绍一下ｃｐｕ２２４ｘｐ的高速计数功能。ｃｐｕ２２４ｘｐ提供了多个高速计数器（ｈｓｃ０～ｈｓｃ５）以响应快速脉冲输入信号。高速计数器的计数速度比ｐｌｃ的扫描速度要快的多，因此高速计数器可独立于用户程序工作，不受扫描时间的限制。用户通过相关指令，设置相应的特殊存储器控制计数器的工作。高速计数器有１２种工作模式，每个计数器都有时钟、方向控制、复位启动等特定输入。在正交模式下，可选择１×（１倍速）或者４×（４倍速）输入脉冲频率的内部计数频率。
高速计数器的工作模式和输入点的分配可参考ｓ７－２００可编程控制器系统手册。
Ｓ７－２００ｃｐｕ２２４ｘｐ拥有全部的６个高速计数器，所以可以同时接入多个编码器来测多个电机的转速。６个高速计数器中只有ｈｓｃ０和ｈｓｃ３支持模式１２，起重ｈｓｃ０计数ｑ０．０的输出脉冲，起重ｈｓｃ３计数ｑ０．１的输出脉冲．该功能可以在没有编码器的情况下通过编写程序ｑ０．０或ｑ０．１来输出高速脉冲模拟编码器，故可以不需要外部接线。
预使用两个高速制动器测两个编码器转速，可选择ＨＳＣ０与ＨＳＣ４，所以编码器ＰＧ１与ＰＧ２分别接入输入点ｉ０．０，ｉ０．１、ｉ０．３，ｉ０．４。
高速计数器的硬件输入接口与普通数字量接口使用相同的地址，已经定义用于高速计数器的输入点不能再用于其他功能。
所有高速计数器在ｓ７－２００ｃｐｕ的特殊存储区中都有各自的控制字，控制字用来定义计数器的计数方式和其他一些设置，以及在用户程序中队计数器的运行进行控制。高速计数器的控制字的位地址分配可参考ｓ７－２００可编程控制器系统手册中的表６－２７与表６－２８。
高速计数器都有初始值和预制值，所谓初始值就是高速计数器的起始值，而预置值就是计数器运行的目标值，当前值等于预置值时，会引发一个内部中断事件，初始值预置值和当前值都是３２位有符号整数，必须先设置控制字以允许装入初始值和预置值，并且初始值和预置值存入特殊存储器中，然后执行ｈｓｃ指令使新的初始值和预置值有效．（如无需引发中断事件可任意设置或无需设置预置值和初始值）装载高速计数器的初始值＼预置值和当前值的寄存器与计数器的对应关系详见ｓ７－２００可编程控制器系统手册的中表６－３０。
指令介绍：高速计数器（ＨＳＣ）指令根据ＨＳＣ特殊内存为的状态和配置控制高速计数器。高速计数器定义（ＨＤＥＦ）指令选择特定的高速计数器（ＨＳＣＸ）的操作模式。
２ 编写程序
本例的编程思路是先对高速计数器进行初始化，启动高速计数器。在１００ｍｓ内高速计数器计数个数，转化成每分钟编码器旋转的圈数就是光电编码器的转速也就是电动机的转速光电编码器为１０２４线，也就是说，光电编码器每转动一周共向ｐｌｃ的高速计数端口发出１０２４个脉冲。故得出电动机的转速公式ｎ＝（Ｎ×１０×６０）/１０２４＝（Ｎ×７５）/１２８。
式中，ｎ为电动机的转速：Ｎ为１００ｍｓ内高速计数器的计数个数（收到的脉冲个数），程序如下：

主程序：网络１将存储单元ＶＤ１０４与ＶＤ５０４清零，为后面的存储计数值做准备；调用各个子程序；网络２ ＨＣ０与ＨＣ４分别为编码器１与编码器２输出高速脉冲的当前值，将其分别赋值给Ｄ１００ ＶＤ５００；ＶＤ１３６ ＶＤ５３６分别为两个编码器同轴所联电机的转速，由中断程序ＩＮＴ＿０计算出。
子程序ＨＳＣ＿ＩＮＩＴ＿１：设置高速计数器ＨＳＣ４的控制字，ＳＭ１４７ 给其赋值１６＃ＦＣ。根据控制字的位地址分配表：复位有效控制为高电平有效；启动有效控制为高电平有效；正交计数器速率为１－１×计数率，计数方向控制为加计数；向ＨＳＣ４中写入计数方向为更新；向ＨＳＣ４写入预置值为更新；向ＨＳＣ４中写入初始值为更新；ＨＳＣ４使能；允许ＨＳＣ４开启。
因无需使用当前值等于预置值时的中断事件，故可将预置值与初始值设为０，设定高速计数器号码；将其工作模式设为９，即为Ａ／Ｂ正交计数器，可显示正反两个方向的脉冲数。

子程序ＳＢＲ＿１：时间中断周期为１００毫秒；时间中断事件为１０号；允许中断。
子程序ＨＳＣ＿ＩＮＩＴ：该高速计数器设置同上，请读者自行分析。

中断程序：ＶＤ１００为高速计数器０采集到的当前脉冲数值，减去之前置０的ＶＤ１０４即为第一个１００ｍｓ内所采集到的脉冲数。再将ＶＤ１００赋值给ＶＤ１０４用来记录下本次所采集的脉冲数。当下个中断到来后的ＶＤ１００的值即为２００ｍｓ内所采集到的脉冲数，减去之前第一个１００ｍｓ内的脉冲数ＶＤ１０４即为新的１００ｍｓ内的脉冲数如此循环下去，转速值得以根据实际转速不断刷新。

经过运算得出最后转速 ｖｄ１３６ 将其赋给主程序中的ＶＤ１５６高速计数器４采集的数据如上一样处理，不再阐述。
完成接线后将程序下载到ｐｌｃ中，然后运行程序，监控，分别按下按钮ＳＢ１与ＳＢ２，可以观察到电机的转速。如果想改变转速，可直接在变频器上调整输出频率使电机转速改变，然后再次观察：可发现转速发生对应变化（在变频器中设定ｓ３为速度１所以将其与２４ｖ短接，在按下ＳＢ１或ＳＢ２后，变频器会直接有方向及速度输出，调整频率时可直接手动调整变频器操作面板，设置变频器的多段速）。
３ 注意事项
包括：当选用Ａ／Ｂ项模式时，倍速应选为１×计数率，如为单方向运转时应选为４×计数率；为了提高编程速度可直接使用ＳＴＥＰ７中的指令向导进行快速设置高速计数器；接入编码器上电后两个编码器接入的ｐｌｃ输入端指示灯会闪烁；上电后，启动电机。观察ＨＣ０与ＨＣ４可发现，假设电动机正传时，计数值ＨＣ０的值如为正，那么电动机反转时计数值ＨＣ０的值为负，反之亦然，由此可判断出电动机的正反转方向。如果更改Ａ Ｂ 两线的位置，可发现当前计数值得正负号与之前值相反；编码器的ＧＮＤ必须和PLC的ｍ端短接，否则无法形成回路；本文选择的编码器为电压型输出，如果为电流型输出则接线方式于此不同，读者可自行思考。
参考文献
１ 高安邦，石磊，张晓辉．西门子ｓ７－２００、３００、４００系列ＰＬＣ自学手册［M］．北京：中国电力出版社，２００８
（责任编辑 高 平）

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