基于以太網的PLC電機轉速遠程監控

蔡文皓，趙 旭，耿 力

(1.西安科技大學，西安710054;2.陜西省電力公司銅川供電局，銅川727000)

0 引 言

在諸多運動控制系統的測量與控制中，轉速是非常重要的狀態參數之一。根據自控原理，系統的控制情況與速度測量精度有直接關系。因此，轉速的精密測量有十分重要的現實意義［1］。

考慮工業現場測量的條件，當前轉速測量的方法主要有兩種。其一是模擬測量法，即將轉速信號轉換為模擬信號，再對其進行測量與控制。該方法的優點是信號采集方便，但是，信號的準確遠距離傳輸不易實現。其二是數字測量法，即將轉速信號轉化為脈沖信號，再對其頻率進行測量與控制。該方法具有抗干擾性強、穩定性好、易滿足工業數字化的需求［2］。

基于工業現場工況的復雜性，以及系統穩定性的考慮，數字測量法被廣泛應用于各種監測控制系統［3］。PLC 不僅在工業環境下可靠性高［4］，而且與力控組態軟件一起易于通信，便于實現電機轉速遠程監控。以太網這種目前最廣泛的局域網技術，利用Ethernet+TCP/IP，使得系統更具開放性、可靠性，同時也使系統低成本成為可能［5］。力控組態軟件開發上位監控界面，通過TCP/IP通信方式實現與以太網的信息交互。PLC的通信擴展端口接入以太網，PLC程序可以經過傳輸介質網線直接下載到PLC中，力控也可以通過PLC的IP地址直接訪問PLC。光電編碼器產生的脈沖信號送入PLC，由PLC中的高速脈沖計數器算出電機轉速。力控監控PLC中的轉速變量既可以準確地得到電機的實時轉速。

1 測速原理

光電旋轉編碼器是幾種主要的轉速檢測器件之一。在工業現場電動機與旋轉編碼器連接，電動機旋轉帶動其旋轉，隨之產生相應的轉速信號，如圖1所示。碼盤上均勻地分布著透明與不透明相間的線條，發光裝置與光敏器件被安裝在碼盤的兩側。電動機轉動帶動碼盤旋轉，光敏器件按照透光量的變化，同步將轉速信號轉化為脈沖信號。在T時間內輸出一組脈沖，如圖2所示。

圖1 光電編碼器原理圖

圖2 測量頻率方波圖形

設采樣時間為T，光電碼盤轉一圈輸出的脈沖數為pN，則在采樣時間內所測到的脈沖數為個數為m，則電機轉速n:

2 系統硬件構成及其原理

系統中的光電編碼器為增量式編碼器，型號為PKT1040－1024－C12－24F，一轉的脈沖數為1024個，供電電源采用直流12～24 V之間，由于系統采用的S7－200PLC，輸入電壓為24 V，編碼器的供電電源直接使用PLC上的24 V直流電源。轉速脈沖計數用PLC中的高速脈沖計數器HSC0，輸入點為I0.0，將編碼脈沖輸出端子A經I0.0送入PLC，根據測速原理得到轉速。

西門子PLC編程軟件step7定義PLC的以太網通信擴展模塊，IP 地址設置為 192.168.1.50，端口默認為102。力控組態軟件則采用TCP/IP以太網通信方式接入局域網絡。力控通過PLC的網絡IP地址直接訪問PLC，轉速變量實時數據傳入力控上位界面。系統硬件原理如圖3所示。

圖3 系統拓撲結構

3 軟件設計

為了實現高可靠性的實時轉速監測，系統功能流程主要包括初始化、數據采集取樣、數據運算處理、轉速變量與力控組態軟件關聯、轉速顯示。

1)轉速脈沖檢測與測速程序

如圖1所示，首次掃描時的特殊存儲器字節狀態位SM0.1調用子程序SBR_0。用SBR_0定義一個定時中斷，中斷事件號設為10，并將此中斷與中斷程序INT_0相連。特殊寄存器SMB34定義定時中斷0的時間間隔。綜合考慮編碼器的分辨率和電機的額定轉速，將中斷0的時間間隔設置為50 ms，這樣既能保證測速精度，也能保證轉速測量的實時性。配置SMD37控制字來選擇HSC0的操作方式，將HSC0的有效位置1，可以更新HSC0的當前值，不更新計數方向，增計數方式，無復位電平信號。而SMD38設置HSC0的當前值初始化為0。綜上所述，定義特殊寄存器SMB37=16#C8，SMD38=0。

發生定時中斷時，進入中斷0計算電機轉速，如圖5所示。中斷服務程序讀取HSC0的值，即是50 ms內編碼器輸出脈沖數。HSC0中的數值累加32次后存入VD0。再根據測速原理，PLC計算出電機轉速存入VW10。此時VW10的值為轉速n。最后，將HSC0的當前值清零，即 SMD38=0，然后重啟HSC0。

圖4 主程序流程圖

圖5 中斷服務程序流程圖

根據工程經驗編寫如下測速程序。

2)上位監控

系統上位監控系統用力控6.1組態軟件開發。首先，定義一個S7－200PLC設備組態，采用TCP/IP網絡通信方式，設備 IP地址設置為192.168.1.50。端口默認102。然后，將變量VW10與力控關聯，即可實現信息交互。

力控組態軟件開發的上位系統，不僅可以實時監控轉速，也可以對實時轉速數據存入數據庫，方便故障診斷。同時上位系統還可以高限和低限報警，并將報警信息存入數據庫。

上位界面測試完成后，對界面進行網絡發布。在服務器上運行測速系統程序，以太網絡里的其他客戶機在瀏覽器中直接輸入服務器IP地址，即可同步監控測速系統。這種基于Web的B/S模式的上位監控系統比C/S模式操作方便，用戶只需通過Web瀏覽器就可以快速、準確地操作、監控系統。

4 實 驗

實驗使用富士變頻器驅動三相異步電動機，改變輸出頻率使電機轉速發生變化。三相異步電動機額定功率1.1 kW，額定電壓380 V，額定電流2.7 A，額定頻率50 Hz。力控實時監控不同頻率下的轉速值。如表1所示。實際值比理論值小是因為電機工作時鐵損、銅損等各種損耗存在。

表1 電機轉速實時監測值

5 結 語

以太網引入工業控制領域有非常明顯的技術優勢，它的開放性將系統的信息網絡與監控網絡緊密有效地連接起來，其開放性和互操作性也體現了網絡控制系統的本質要求。力控組態軟件將上位界面進行網絡發布，B/S模式的用戶界面使遠程智能監控變得更加方便。基于以太網的PLC測速法，使得工業控制系統結構簡單、精度提高、運行可靠、成本降低，可以推廣到工業現場、自來水廠等工業控制系統中進行轉速信號測量。

［1］于炳亮.電機轉速測量方法研究［J］.山東科學，2005，18(5):41－42.

［2］呼秀山，錢利民，李迎春.一種基于PLC開關量輸入單元的轉速信號測量方法［J］.微計算機信息，2006，22(5－1):4－6.

［3］王鵬，閆健.基于 PLC的電機轉速測量［J］.PLC＆FA，2008(3):60－61.

［4］周秀君，鄧榆林.基于PLC的高可靠性電機測速系統設計［J］.微電機，2008，41(6):62－63.

［5］陳建群.基于以太網的遠程監控系統的研究與應用［D］.秦皇島:燕山大學，2007.