旋转编码器和PLC高速计数器在冲击试验机数据测量中的设计应用

叶园伟，郑 勇，王金丽，邓怡国，王 刚，张 劲

（1.海南大学 机电工程学院，儋州 571737；2.中国热带农业科学院 农业机械研究所，湛江 524091）

0 引言

简支梁冲击试验机适用于各种非金属材料和农业物料的冲击韧性测试，是科研机构、大专院校、相关厂矿进行质量检验和农业原料性能研究测试的常用设备。传统简支梁冲击试验机的测量结果数据一般采用刻度盘指针式显示。这种刻度盘是通过机械式转换方式进行显示，受摩擦力和人为读取数据等因素影响，易造成测量数据误差和读数误差。

为了解决以上问题，本文根据旋转编码器、PLC高速计数器的工作原理和扩展功能，对冲击试验机的数据测量系统进行改进，以提高测量结果的准确性。旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等物理量转换成相应的电脉冲以数字量输出，其在精密定位、速度、长度、加速度、振动等方面得到广泛的应用，特别是在数控机床的精密定位方面使用较多[1]。可编程序控制器（简称为PLC），是一种具有数字运算操作功能的电子装置。它采用可以编程的存储器，执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作指令，通过高速脉冲计数功能，可以连接编码器脉冲信号并进行处理，是当代工业自动化过程中的主要控制装置之一[2]。

1 冲击试验机测量原理

根据国标[3]对能量指示装置的要求，冲击试验机既可以用升角标度，也可以用吸收的冲击能量标度，二者的关系式如下：

式中：W —冲击能量，单位为焦耳（J）；MH—摆锤的水平力矩，单位为牛顿米（Nm）；α0—起始角，单位为度（0）；αR—升角，单位为度（0）。

由公式（1）可以看出，冲击能量与摆锤的水平力矩、起始角和升角三者有关。对于合格出厂的冲击试验机来说，摆锤的水平力矩，起始角出厂时都已给定，是一定值，故冲击能量只与升角有关，如果能精确测量升角值，就能准确计算冲击能量。

2 增量式旋转编码器及在冲击测量中的应用

旋转编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率及精度高、结构简单、使用可靠、性价比高等优点，广泛应用于工业领域的速度或角度（位置）的检测[4]。增量式光电编码器是旋转编码器的一种，主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。增量式光电编码器输出A、B两相互差90度电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），根据正交信号的先后顺序，可方便地判断出旋转方向。

图1 硬件系统框图

增量编码器是一种将角位移转换为一连串数字脉冲信号的旋转式传感器，其中角位移的转换采用光电扫描原理，其转换系统以由交替的透光窗口和不透光窗口构成的径向分度盘（码盘）的旋转为依据，同时被一个红外光源垂直照射，光把码盘的图像投射到表面覆盖着一层衍射光栅，并具有和码盘相同的窗口宽度接收器表面上。

利用以上特点，在冲击试验中，当锤转轴带动编码器码盘转轴同轴转动时，接收器感受码盘转动所产生的变化，然后将光变化转换成相应的电变化，并通过电子电路处理后以高、低电平交替的形式输出标准方形脉冲信号。为提高测量系统的稳定性，输出信号传输采用差分方式，有效消除了干扰，可精确记录摆锤的角度。增量编码器输出的正交信号可分为A、B两通道，其中一个通道给出与转速相关的信息，同时，通过两个通道信号进行顺序对比，得到旋转方向的信息[5]。

3 PLC CPU 224的高速计数器及在冲击测量中的应用

西门子公司的S7-200 系列可编程序控制器(PLC)具有模拟量处理、通讯联网、系统诊断、中断处理和高速计数等功能。CPU 224 是S7-200 系列PLC 中的典型产品, 其具有13KB程序和数据存储空间; 基本单元有14 点输入和10 点输出, 最大扩展到168路数字量I/O点或35路模拟量I/O；6个独立的30KHz高速计数器，支持×1 方式的正交脉冲(AB 相) 输入，支持×4 方式的正交脉冲(AB 相) 输入,支持具有内/外部方向控制的单相输入及具有两个时钟输入的双相输入等12种模式的计数功能；具有1个RS-485通信/编程口，是S7-200系列中应用最广的产品[6]。

高速计数器常用于对CPU扫描速度无法控制的高速事件进行计数。每次旋转的指定计数脉冲，作为高速计数器的输入，故在工程上，通常把高速计数器与增量式编码器结合用于角度（位置）的测量[7]。

在进行冲击试验时，用编码器提供标准方形脉冲信号，高速计数器对脉冲信号计数，通过相关程序计算出能量值，并显示在TD200文本显示器上。

4 应用设计

运用旋转编码器和PLC高速计数器对传统机械刻度盘指示冲击试验机进行数字化改造，可分为硬件电路设计及高速计数器等相关程序的设计。

4.1 硬件电路设计

硬件系统组成方框图，如图1所示，编码器使用PLC提供的24V直流电源，其输出信号可不经脉冲信号放大直接接入PLC的高速计数器输入端子进行处理。处理后的数据TD200文本显示设备，直接显示冲击后的能量值。

4.2 程序设计

4.2.1 程序框图（如图2所示）

4.2.2 程序代码及注释

LD SM0.0 //首次扫描标志位（SM0.1=1）,仅在初次扫描时有效。

MOVB 16#F8,SM37 //装载HSC0的控制位，激活HSC0，可更新CV和PV，可改变方向，计数与编码器旋转方向有关，HSC指令用这些控制位要组态HSC。

图2 主程序和中断服务流程图

MOVD +0,SMD38 //HSC0当前值（CV）为0

HDEF 0,10 //HSC0定为模式10，4×正交计数

ENI //全局允许中断

HSC0 //按初始组态特征，启动HSC0

LD M0.0 //摆锤准备好标志位

ATCH INT2, 27 //把中断程序2（高速计数器方向改变中断）分配给事件27（HC0的方向改变）

LD M0.1 //能量计算标志位

MOVR VD13,LD4 //以下程序段代码按公式（1）把转存的最大冲击角度值计算为能量值

*R 0.01745，LD4

COS LD4, LD4

MOVR LD4, AC0

-R -0.9397 , AC0

MOVR AC0, VD17

*R 7.733,VD17 //能量值存于变量VD17中，用于在TD200文本显示器中显示。

END //主程序结束

高速计数器方向改变中断服务程序（中断程序2）

LD M0.2 //方向改变中断服务程序执行标志位

MOVD VD4,VD13 //冲击后最大升角值转存到VD13中，用于主程序中的能量值计算。

DTCH 27 //断开中断事件27与中断程序2的联系。

RETI //中断程序2结束。

5 结论

在简支梁冲击试验机上应用增量式旋转编码器和高速计数器，把编码器提供的转轴脉冲作为高速计数器的输入信号，充分利用了编码器的时间、角度高分辨率特性和高速计数器的时效性，避免了刻度盘指针式读数对测量结果带来的误差，从而实现了冲击试验机冲击能量的高精度测量。本设计进一步扩展了增量式旋转编码器和高速计数器的应用领域，为简支梁冲击试验机冲击测试系统设计及工程实验方法提供了实用的参考。

[1]刘文魁,石建玲.光电旋转编码器在角度测量中的应用[J].现代制造工程,2006,(11):90-91.

[2]廖常初.PLC基础及应用[M].第二版.北京：机械工业出版社.

[3]GB/T 21189-2007,塑料简支梁、悬臂梁和拉伸冲击实验用摆锤冲击试验机的检验[S].

[4]蒋晶,蒋东方,高航.高可靠性增量式光电编码器接口电路设计[J].测控技术,2009,28(2):1-4.

[5]常春,胡瑜,董彬.光电旋转编码器的研究与应用[J].仪表技术与传感器,2001,(12):34-35.

[6]赵光.西门子S7-200系列PLC应用实例详解[M].北京：化学工业出版社,2010.

[7]张立新,吴明捷,张晓燕.可编程控制器（PLC）的高速计数器的应用[J].北京石油化工学院学报,2001,9（1）:48-49.