基于PLC的转速测量系统设计

文/彭芳

物体常见的运动方式有直线运动和旋转运动两种。直线运动用线速度v表示物体运动的快慢，v=s/t，表示在时间t内物体运动路程的变化，常用单位有m/s(米/秒)、km/h（千米/小时）两种。对于旋转运动物体转动快慢用转速n来表示，单位有rpm（转/分），表示物体在每分钟内转动了多少圈。生活中常常需要把旋转的转速转换为其它形式的信息，如汽车行驶时，车轮转动，我们需要将其转换成汽车在马路上行驶的直线运动速度的大小。若汽车车轮圆周长按1.3m计算，且汽车匀速行驶，每秒钟车轮转动了12转，则1秒内汽车行驶了15.6m，换算成千米/小时可计算出汽车在路面的行驶速度为56 km/h。

本设计以三相异步电动机的转速测量为例，说明转速测量系统的构成，其中三相异步电动机主要铭牌数据如表1所示。

表1中，电动机在额定状态下工作，带额定负载运行时的转速为2830r/min。

1 控制系统设计方案

本系统利用PLC高速脉冲计数器功能，通过传感器采集电动机旋转转换的脉冲信号实现转速的测量。设计方案解决三个问题：

（1）三相异步电动机转速的检测。三相异步电动机工作时转轴是连续旋转状态，对其转速的测量首先要解决转速信号的采集，常用方法是在电动机的转轴上套上齿轮盘，齿轮盘间的凹凸在传感器检测时，可转换成传感器输出的一个高、低电平脉冲信号。

（2）采用磁电式结构的传感器接近开关，它是利用电磁感应的原理，将输入的运动速度转换成磁电式传感器线圈中的感应电动势输出，工作时不需要外加电源，是一种有源传感器。

（3）将传感器的脉冲信号送至PLC的高速脉冲输入端，通过程序设计完成转速的测量。

2 控制系统硬件设计

系统硬件主要由西门子S7-200 CPU224XP PLC、接近开关、三相异步电动机及控制主电路、威纶通触摸屏MT6070iH5、起动与停止按钮、接触器KM等组成，硬件电路如图1所示。

2.1 系统起停控制电路

图1中，起动按钮、停止按钮分别接PLC的输入点I0.1、I0.2，电动机过载保护热继电器FR常闭触点接PLC输入点I0.3；PLC的输出点Q0.0接接触器KM线圈，其触点控制三相异步电动机的主电路。

2.2 转速采集电路

图1中，将接近开关安装在三相电动机齿轮盘的侧面，要求传感器的测量面与齿轮盘的齿面间隔在5~10mm之间。该接近开关三根出线，分别是电源正、负和信号线，其中棕色线接电源24V正极，蓝色接电源负极，黑色线为信号线，接PLC高速脉冲输入点I0.0端子。

磁电式传感器测量转速具有良好的机电转换特性，同时因为磁电式传感器具有造价低它输出功率大且稳定，具有一定的工作带宽（10-1000Hz）、测量精确度较高等特点，满足本系统的三相异步电动机转速测量要求。

2.3 三相异步电动机控制主电路

三相交流电经电源开关QS、熔断器FU、接触器KM的主触点和热继电器FR热元件接至三相异步电动机的三相定子绕组，当开关QS闭合，测速系统起动时，PLC执行程序使输出Q0.0得电，电动机旋转可进行测速。主电路如图2所示。

2.4 转速显示电路

在电动机转速测量系统中，我们需要将测量的转速进行数据显示，让我们能直观地对电动机转速进行实时观察。这里转速显示采用威纶通触摸屏，型号为MT6070iH5，不仅可在触摸屏上实现转速的实时显示，而且还可以通过触摸屏上设置的起动与停止按钮操作，实现系统工作状态的控制，且与硬件按钮的起动与停止操作具有同样的效果。

3 控制系统软件设计

程序由主程序和测速子程序两部分组成。

3.1 主程序设计

主程序设置两项功能：一是系统的起动与停止控制，并调用测速子程序，二是高速脉冲计数器的初始化设置，对应I0.0输入端，具体如下：

（1）设置控制字SMB37，如写入16#F8，表示起用高速脉冲计数器、更新初始值、更新预置值、做加计数模式等。

（2）将高速脉冲计数器初始值0写入SMD38中，预置值写入SMD42。

（3）执行HDEF高速脉冲计数器定义指令，定义HSC0及工作模式0。

（4）执行HSC高速脉冲计数器指令。

3.2 测速子程序设计

子程序设计中主要是三项设置：

（1）确定采样周期，由定时器完成。

（2）在每个采样时间到时，读取计数存储器HC0中的计数脉冲数据至变量存储器中，如VD100；并为下一个采样周期重置相关信息。

（3）转速换算，以采样周期1s为例，在本项目硬件条件下，在1秒内采集的脉冲数存储在VD100中，换算成1s内电动机转动的转数为：VD100÷4送至VD104，再换算成每分钟的转数：VD104×60送至VD108，则VD108中即为电动机旋转的转速。

3.3 程序流程图

程序设计流程图见图3。

4 系统调试

在硬件电路连接完成的基础上，系统软件调试主要分为以下步骤：

（1）采用西门子S7-200 STEP MicroWIN软件建立工程项目，编写梯形图程序，编译并下载至PLC中。

（2）在威纶通触摸屏EB8000软件中，首先完成PLC与触摸屏的通信设置，然后进行触摸屏界面组态，编译并下载至触摸屏。

（3）系统调试时，一是观察硬件工作状态正常与否；二是在PLC软件界面和触摸屏界面，观察电动机运行时，转速的变化规律。

转速测量精确度说明：

（1）电动机每旋转1周，如果接近开关只采集到一个脉冲信号，其转速测量精确度较差。

措施：在转轴上增加突出齿数，如图1所示，沿转轴的一周，间隔相同的位置安置4个突出齿，此时转轴旋转一周，接近开关可采集到4个脉冲信号。

（2）对于不同的旋转转速大小，对其脉冲的采样周期应有不同。例如旋转转速较低时，n=100转/分，应当适当地增大采样周期；对于旋转转速较快的物体，采样周期可适当减少。

在此方案中，对三相异步电动机进行转速测量调试时，电动机铭牌上额定转速为2830r/min，因为是空载运行，电动机实际转速高于额定转速。当采样周期为0.5s时，触摸屏显示转速在2890和2950之间变动，而实际电动机转速此时应当是稳定的，这说明在测量过程中测量方法不当。造成转速不稳定的原因，是采样周期设置不合理，所以通过增大采样周期为2s时，触摸屏显示的转速测量值趋于稳定，数据波动大为减少，转速值在2950r/min附近，只有个位数的误差了。

图1：硬件电路图

图2：电动机控制主电路

图3：流程图

5 结束语

此设计分硬件和软件两大部分，硬件上利用了西门子S7-200 CPU224XP PLC做为控制器，采用接近开关传感器进行三相异步电机转速的检测与转换，将产生的脉冲信号送入PLC高速脉冲计数器的输入端；在设置的采样周期中，读取脉冲的个数，并进行换算，将计算结果存储在相应的存储器中，并将存储器中的数据通过触摸屏进行转速的显示。软件采用西门子S7-200 STEP MicroWIN软件建立工程项目，编写梯形图程序，采用威纶通触摸屏EB8000软件，进行触摸屏界面组态。软件设计中采用了结构化程序设计，具有较好的可移植性，当测量对象转速在不同范围变化时，在保证测量精度的前提条件下，只需做简单的修改参数，可实现不同控制对象转速测量的要求。

说明：此方案已在实物中运用。