旋轉編碼器和PLC高速計數器在沖擊試驗機數據測量中的設計應用

葉園偉，鄭 勇，王金麗，鄧怡國，王 剛，張 勁

（1.海南大學 機電工程學院，儋州 571737；2.中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，湛江 524091）

0 引言

簡支梁沖擊試驗機適用于各種非金屬材料和農業物料的沖擊韌性測試，是科研機構、大專院校、相關廠礦進行質量檢驗和農業原料性能研究測試的常用設備。傳統簡支梁沖擊試驗機的測量結果數據一般采用刻度盤指針式顯示。這種刻度盤是通過機械式轉換方式進行顯示，受摩擦力和人為讀取數據等因素影響，易造成測量數據誤差和讀數誤差。

為了解決以上問題，本文根據旋轉編碼器、PLC高速計數器的工作原理和擴展功能，對沖擊試驗機的數據測量系統進行改進，以提高測量結果的準確性。旋轉編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等物理量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出，其在精密定位、速度、長度、加速度、振動等方面得到廣泛的應用，特別是在數控機床的精密定位方面使用較多[1]?？删幊绦蚩刂破鳎ê喎Q為PLC），是一種具有數字運算操作功能的電子裝置。它采用可以編程的存儲器，執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作指令，通過高速脈沖計數功能，可以連接編碼器脈沖信號并進行處理，是當代工業自動化過程中的主要控制裝置之一[2]。

1 沖擊試驗機測量原理

根據國標[3]對能量指示裝置的要求，沖擊試驗機既可以用升角標度，也可以用吸收的沖擊能量標度，二者的關系式如下：

式中：W —沖擊能量，單位為焦耳（J）；MH—擺錘的水平力矩，單位為牛頓米（Nm）；α0—起始角，單位為度（0）；αR—升角，單位為度（0）。

由公式（1）可以看出，沖擊能量與擺錘的水平力矩、起始角和升角三者有關。對于合格出廠的沖擊試驗機來說，擺錘的水平力矩，起始角出廠時都已給定，是一定值，故沖擊能量只與升角有關，如果能精確測量升角值，就能準確計算沖擊能量。

2 增量式旋轉編碼器及在沖擊測量中的應用

旋轉編碼器是一種集光、機、電為一體的數字化檢測裝置，它具有分辨率及精度高、結構簡單、使用可靠、性價比高等優點，廣泛應用于工業領域的速度或角度（位置）的檢測[4]。增量式光電編碼器是旋轉編碼器的一種，主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成。增量式光電編碼器輸出A、B兩相互差90度電度角的脈沖信號（即所謂的兩組正交輸出信號），根據正交信號的先后順序，可方便地判斷出旋轉方向。

圖1 硬件系統框圖

增量編碼器是一種將角位移轉換為一連串數字脈沖信號的旋轉式傳感器，其中角位移的轉換采用光電掃描原理，其轉換系統以由交替的透光窗口和不透光窗口構成的徑向分度盤（碼盤）的旋轉為依據，同時被一個紅外光源垂直照射，光把碼盤的圖像投射到表面覆蓋著一層衍射光柵，并具有和碼盤相同的窗口寬度接收器表面上。

利用以上特點，在沖擊試驗中，當錘轉軸帶動編碼器碼盤轉軸同軸轉動時，接收器感受碼盤轉動所產生的變化，然后將光變化轉換成相應的電變化，并通過電子電路處理后以高、低電平交替的形式輸出標準方形脈沖信號。為提高測量系統的穩定性，輸出信號傳輸采用差分方式，有效消除了干擾，可精確記錄擺錘的角度。增量編碼器輸出的正交信號可分為A、B兩通道，其中一個通道給出與轉速相關的信息，同時，通過兩個通道信號進行順序對比，得到旋轉方向的信息[5]。

3 PLC CPU 224的高速計數器及在沖擊測量中的應用

西門子公司的S7-200 系列可編程序控制器(PLC)具有模擬量處理、通訊聯網、系統診斷、中斷處理和高速計數等功能。CPU 224 是S7-200 系列PLC 中的典型產品, 其具有13KB程序和數據存儲空間; 基本單元有14 點輸入和10 點輸出, 最大擴展到168路數字量I/O點或35路模擬量I/O；6個獨立的30KHz高速計數器，支持×1 方式的正交脈沖(AB 相) 輸入，支持×4 方式的正交脈沖(AB 相) 輸入,支持具有內/外部方向控制的單相輸入及具有兩個時鐘輸入的雙相輸入等12種模式的計數功能；具有1個RS-485通信/編程口，是S7-200系列中應用最廣的產品[6]。

高速計數器常用于對CPU掃描速度無法控制的高速事件進行計數。每次旋轉的指定計數脈沖，作為高速計數器的輸入，故在工程上，通常把高速計數器與增量式編碼器結合用于角度（位置）的測量[7]。

在進行沖擊試驗時，用編碼器提供標準方形脈沖信號，高速計數器對脈沖信號計數，通過相關程序計算出能量值，并顯示在TD200文本顯示器上。

4 應用設計

運用旋轉編碼器和PLC高速計數器對傳統機械刻度盤指示沖擊試驗機進行數字化改造，可分為硬件電路設計及高速計數器等相關程序的設計。

4.1 硬件電路設計

硬件系統組成方框圖，如圖1所示，編碼器使用PLC提供的24V直流電源，其輸出信號可不經脈沖信號放大直接接入PLC的高速計數器輸入端子進行處理。處理后的數據TD200文本顯示設備，直接顯示沖擊后的能量值。

4.2 程序設計

4.2.1 程序框圖（如圖2所示）

4.2.2 程序代碼及注釋

LD SM0.0 //首次掃描標志位（SM0.1=1）,僅在初次掃描時有效。

MOVB 16#F8,SM37 //裝載HSC0的控制位，激活HSC0，可更新CV和PV，可改變方向，計數與編碼器旋轉方向有關，HSC指令用這些控制位要組態HSC。

圖2 主程序和中斷服務流程圖

MOVD +0,SMD38 //HSC0當前值（CV）為0

HDEF 0,10 //HSC0定為模式10，4×正交計數

ENI //全局允許中斷

HSC0 //按初始組態特征，啟動HSC0

LD M0.0 //擺錘準備好標志位

ATCH INT2, 27 //把中斷程序2（高速計數器方向改變中斷）分配給事件27（HC0的方向改變）

LD M0.1 //能量計算標志位

MOVR VD13,LD4 //以下程序段代碼按公式（1）把轉存的最大沖擊角度值計算為能量值

*R 0.01745，LD4

COS LD4, LD4

MOVR LD4, AC0

-R -0.9397 , AC0

MOVR AC0, VD17

*R 7.733,VD17 //能量值存于變量VD17中，用于在TD200文本顯示器中顯示。

END //主程序結束

高速計數器方向改變中斷服務程序（中斷程序2）

LD M0.2 //方向改變中斷服務程序執行標志位

MOVD VD4,VD13 //沖擊后最大升角值轉存到VD13中，用于主程序中的能量值計算。

DTCH 27 //斷開中斷事件27與中斷程序2的聯系。

RETI //中斷程序2結束。

5 結論

在簡支梁沖擊試驗機上應用增量式旋轉編碼器和高速計數器，把編碼器提供的轉軸脈沖作為高速計數器的輸入信號，充分利用了編碼器的時間、角度高分辨率特性和高速計數器的時效性，避免了刻度盤指針式讀數對測量結果帶來的誤差，從而實現了沖擊試驗機沖擊能量的高精度測量。本設計進一步擴展了增量式旋轉編碼器和高速計數器的應用領域，為簡支梁沖擊試驗機沖擊測試系統設計及工程實驗方法提供了實用的參考。

[1]劉文魁,石建玲.光電旋轉編碼器在角度測量中的應用[J].現代制造工程,2006,(11):90-91.

[2]廖常初.PLC基礎及應用[M].第二版.北京：機械工業出版社.

[3]GB/T 21189-2007,塑料簡支梁、懸臂梁和拉伸沖擊實驗用擺錘沖擊試驗機的檢驗[S].

[4]蔣晶,蔣東方,高航.高可靠性增量式光電編碼器接口電路設計[J].測控技術,2009,28(2):1-4.

[5]常春,胡瑜,董彬.光電旋轉編碼器的研究與應用[J].儀表技術與傳感器,2001,(12):34-35.

[6]趙光.西門子S7-200系列PLC應用實例詳解[M].北京：化學工業出版社,2010.

[7]張立新,吳明捷,張曉燕.可編程控制器（PLC）的高速計數器的應用[J].北京石油化工學院學報,2001,9（1）:48-49.