基于PLC简单电机测速系统设计.doc

基于PLC简单电机测速系统设计陈 坤在电气时代的今天，电动机为人们所熟知，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。电机转速测量装置，是工业自动化设备的重要组成部分。各种实验环境也经常用到电机测速装置，例如在发电机、电动机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速和瞬时转速。为了能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速方法。因此转速的检测具有重要的意义。随着科学技术的快速发展，测速系统的设计应用已渗透到了武器、航天、工业等诸多领域。形形色色的测速方法也随之而来，如多普勒雷达精度高，但设备庞大，价格昂贵；照相测速方法简单直观，精度较高，但工序繁琐，周期较长；网靶可靠性好，但测试精度低，成本高且测速效率低，于是我根据现有的实验条件，提出了利用PLC的高速脉冲输入功能，结合光电传感器来实现简易电机测速的装置。这样既满足了测速装置的相对可靠性要求，也降低了系统的成本，是一种较为简单理想的方案。本文介绍利用光电传感器作为检测元件提供脉冲给PLC，由PLC计数并计算出电机转速。一、PLC简介可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。其实物结构如下图所示。 常见PLC实物图二、设计过程1、测速原理光电传感器（光电开光） 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称（如右图），它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。右图所示是反射式光电开关的工作原理框图。图中，由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，然后用数字积分光电开关或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。红外线光电开关利用光通断产生的边沿触发是距离s以及测量运动物体通过1个光电开关的时间间隔t然后做除法而得到其平均速度的测速方法。当无运动物体遮挡光电开关时，光电开关的接收端输出高电平信号，当有物体经过遮挡时，光电开关的接收端输出低电平信号。即当高速物体经过一对光电开关时会先后形成高电平到低电平的脉冲信号。通过计时周期的方式测出这个下降沿之间的计数周期个数n，利用PLC程序设置两个相差60秒的计数器得到时间t，计时原理如下图所示。根据计时原理可得到计时时间t：t = n T = n / f =T1-T2 （1）运动物体在s上的平均速度：v = s / t （2） 计时原理2、硬件结构（1）PLC输入结构。光电传感器作为电机叶片转动过程遮光的脉冲输入PLC（西门子S7-200型）高速脉冲输入，并利用RS232接口板提供数据传输（如下图），PC机并利用西门子的编程件监控功能进行数据读取。RS232接口PLC 硬件结构图（2）PLC输出显示。输出显示采用动态扫描法实现，可以外接4位8段数码显示管，也可以采用液晶显示器等，逐位输出相关进制位到各数显管。本次设计直接使用电脑程序监控功能输出速度v（程序显示为vw15）。3、软件设计本系统为准确测量光电传感器的输入脉冲，快速计算出电机转速，主要包括下面3个大流程：计数初始化，脉冲记数，数据运算存储（如下图所示）。西门子S7-200型PLC的输入端频率，由刷新时间决定，任何输入端，都可作为高速计数脉冲输入。输出采用动态扫描法逐位显示，由于PLC的运行周期为ms级，观察数码显示管无任何抖动。根据PLC编程要求，编写如下程序，由于西门子梯形图写法所占篇幅太大，本文只列出对应于PLC梯形图程序的语句表。如下图所示为计算电机转速的相关语句，数码显示程序可使用7段数码管解码指令输出到相应输出端即可，本文不再列出程序。 电机测速程序三、结果分析1、存在的误差本系统记录间隔时间t内的光电传感器输入PLC脉冲的平均值，其速度计算仅是电机运转的时间t内的平均转速，并不是瞬时转速，并随光电传感器的安装位置误差而存在计算误差。（1）、本系统的误差来源主要是在测量传感器之间距离和来自于计数器计时的误差。计数误差表现为当时间计数器清零并开始计数时，可能出现计数器刚开始计数时时标脉冲就出现一个下降沿，而停止计数正好在一个下降沿结束后，这样所计数的时间比实际时间多一个脉冲；同样，如果开始计数是在下降沿刚出现后，而结束计数是在下降沿出现前，会导致计数时间比实际时间少一个脉冲，造成计数误差。（2）、环境因素所带来的影响是多方面的，由于温度、气压和水汽的影响，空气折射率分布不均匀，折射率的梯度造成的光线发生弯曲；由于高速运动还会带来空气的气流变化和气体震动而引起对光路的干扰。加之一些不确定因素，主要反映在电信号上，环境影响带入了电平的抖动以及一些高频和低频的干扰。但这些干扰一般在电路中可以去掉或忽略