基于PLC的傳感測速應用設計*

程民利

(西安鐵路職業技術學院 電子信息系，陜西 西安 710014)

基于PLC的傳感測速應用設計*

程民利

(西安鐵路職業技術學院 電子信息系，陜西 西安 710014)

結合專業教學需求，基于現有PLC型號設計了傳感測速系統，并且分析了3種測速方法，設計出測速系統的組成圖以及硬件檢測和顯示電路，依據測速方法編寫了對應于3種不同測速方法的梯形圖程序。針對不同的測速程序，定性分析了對應測速誤差產生的原因，并提出了針對性的改善措施。該系統采用軟硬件結合的方式實現測速，可通過設置程序中的參數來改變測速精度。

測速方法；傳感器；定時器；計數器；梯形圖程序

交通運輸業的飛速發展給人們的工作和生活帶來了極大的便利，列車速度的飛速提高使地球真正成為地球村的同時，也帶來了很多安全隱患，無論是航空、高鐵、公路運輸還是海運、城市地鐵，都時有事故發生。作為鐵路交通運輸人才的培養單位，安全運行是教學中反復強調的重點，但要確保安全，除了從業者嚴格遵守規章制度和操作規程外，還需要可靠的控制技術作為交通工具安全運行的技術保障。高鐵列車運行控制系統通過對列車的運行速度進行控制來保證列車安全運行，可見列車運行速度的檢測和控制可直接影響列車的運行安全。從事機車車輛維護和維修的從業人員必須熟悉列車速度檢測系統，基于此種需求，設計了教學用列車車速檢測系統。

1 傳感測速系統方案

1.1 測速方法

列車運行速度的檢測可采取多種方法。其中將輪軸轉速轉換成轉速脈沖的脈沖轉速傳感技術，因其簡單易實現，能提供高精度、數字化的速度和距離信息，近年來在高鐵，地鐵測速中得到廣泛應用。

脈沖轉速傳感技術通過將輪軸轉速轉換成速度脈沖，再對速度脈沖計數完成測速，因此，精確對速度脈沖計數是速度檢測的關鍵。常用的脈沖計數法有3種，分別為M法、T法和M/T法[1]。

1) M法是通過在規定的時間內檢測旋轉脈沖的個數來間接地測量轉速。設規定時間長度為T，在規定時間內檢測到旋轉脈沖的個數為M1，n為輪軸每轉動1周產生的速度脈沖個數，則轉速N的計算公式為：

(1)

M法適用于檢測高速旋轉的被測對象[2-4]。

2) T法是通過測量相鄰2個速度脈沖之間的時間間隔，即速度脈沖的周期T而間接檢測轉速。具體做法是在檢測到的速度脈沖的1個周期對已知的高頻時基脈沖計數，然后通過式2計算得到被測對象的旋轉速度。

(2)

式中，N為被測對象的轉速；n為輪軸每轉動1周產生的脈沖個數；f為已知高頻脈沖的頻率；M2為在1個速度脈沖周期內包含的高頻時基脈沖的個數。T法適用于低速檢測。

3) M/T法是在檢測時間T內，既檢測速度脈沖的個數M1，又檢測已知高頻時基脈沖的個數M2，然后通過式3計算出被測對象的轉速。

(3)

M/T法融合了M法和T法的優點，理論上擴展了測速范圍，但在實際操作中，檢測時間T的選擇會直接影響測速的精度。

1.2 確定測速系統方案

結合西安鐵路職業技術學院擁有的PLC型號(FX1N40MT)，分別采用3種測速法完成測速，測速傳感器將輪軸轉速轉化成一系列的速度脈沖，PLC完成對速度脈沖的計數及運算處理，檢測出列車速度。由于FX1N40MT輸出點數有限，PLC將檢測的列車速度轉換成8421BCD碼輸出，由硬件電路完成譯碼顯示，顯示速度為0～9 999 r/min。測速系統由測速傳感器、PLC和譯碼顯示電路3部分組成，系統組成如圖1所示。

圖1 測速系統組成

2 硬件電路設計

2.1 PLC地址分配

FX1N40MT共有24點輸入，16點輸出，測速系統基于該I/O資源設計。測速系統分別用M法、T法和M/T法3種方法進行測速。測速方法的選擇采用手動方式，分別用輸入點X1、X2、X3進行選擇。由于輸出點只有16點，系統要求4位顯示，故16點輸出用于4位8421BCD碼輸出[5]。基于FX1N40MT的測速系統地址分配見表1。

表1 系統地址分配

2.2 硬件電路設計

基于教學應用的設計既要考慮能否滿教學，又要考慮是否方便、經濟和耐用；因此，本設計選用DC24V三線光電傳感器將輪軸轉速轉化成速度電脈沖[6]，傳感器依靠PLC提供的直流24 V供電，不用設計電源電路，利用其電-光-電轉換功能，輪軸每轉動1周，產生6個電脈沖，將輪軸轉速轉換成速度電脈沖序列，從X4進入PLC。PLC輸出的8421BCD碼作為譯碼顯示電路的輸入，譯碼顯示電路采用學生最熟悉的74LS48顯示譯碼器，該譯碼器輸出高電平有效，所以顯示部分選用共陰型數碼管[7]。

3 軟件設計

在測速系統中，PLC完成對速度脈沖計數，分別依據式1～式3計算出輪軸轉速后，將計算結果轉化成8421BCD碼輸出。

3.1 順序功能圖設計

依據PLC要完成的功能和表1的地址分配，設計得到PLC順序功能圖，如圖2所示。

圖2 順序功能圖

3.1.1 M法測速

順序功能圖采用3個分支的選擇序列編程法[8]，當X1接通，則選擇M法測速。M法測速是在規定時間內檢測速度脈沖的個數。用100 ms的可編程定時器T1設定計數時間T=1 s作為規定的計數時間，在規定時間內斷電保持型可編程計數器C103對X4口輸入的速度脈沖計數，T1定時時間到，則C103立刻停止計數，C103的當前值即式1中的M1，式1中n=6，可計算出轉速并轉化成8421BCD碼輸出。定時器T1的定時精度會影響測速誤差，為減小誤差，定時器可選用10 ms，甚至1 ms定時器。

3.1.2 T法測速

當X2接通，則選擇T法測速。T法是在速度脈沖的1個周期內對已知高頻脈沖計數，用計數器C2對X4口輸入的速度脈沖計數，設定值為100，計數器在脈沖上升沿計數，即上升沿有效，當C2的計數值到達100時，對應的時間應為100個速度脈沖的周期；同時， 斷電保持型計數器C100對已知高頻脈沖計數，C2計數至設定值100時，C100停止計數，此時C100的當前值為100個速度脈沖周期的計數結果，C100的當前值除以100就得到式2中的M2，高頻脈沖的頻率為式2中的f，式2中，n=6，可計算出轉速并轉化成8421BCD碼輸出。

設計中采用檢測100個速度脈沖周期的高頻脈沖個數，而不是直接檢測1個速度脈沖周期高頻脈沖的個數，目的是為了減小檢測誤差。因為，計數器C2被用來檢測速度脈沖的周期，由于計數器起始工作時刻的隨機性，導致檢測誤差，為減小檢測誤差，可增大C2的設定值，且此設定值越大，誤差越小。C100的計數脈沖即已知高頻脈沖由特殊輔助繼電器M8011提供，M8011提供周期為10 ms的脈沖，故f=100 Hz。已知高頻脈沖頻率太低，也會使檢測誤差增大；因此，為了提高檢測精度，可增大C2的設定值，同時，提高已知高頻脈沖的頻率f。

3.1.3 M/T法測速

當X3接通，選擇M/T法測速。M/T法測速是在規定的時間內，既對速度脈沖計數，又對已知高頻脈沖計數。100 ms定時器T2定時1 s作為規定時間，同時斷電保持型計數器C101對X4口輸入的速度脈沖計數，斷電保持型計數器C102對已知高頻脈沖計數，T2到達設定值，C101，C102停止計數。此時，C101的當前值即為式3中的轉速脈沖個數M1，C102的當前值為式3中已知高頻脈沖個數M2，C102的計數脈沖即已知高頻脈沖由特殊復制繼電器M8011提供，其頻率f=100 Hz，式3中，n=6，可計算出轉速并轉化成8421BCD碼輸出。

在檢測過程中，T2的定時精度，定時時長T，以及已知高頻脈沖的頻率f都會影響測速精度。可通過提高定時器的定時精度(如采用10或1 ms定時器)，提高已知高頻脈沖的頻率，改善測速精度。

3.2 系統程序

依據順序功能圖編寫的梯形圖程序如圖3所示。

圖3 梯形圖程序

4 結語

該測速系統通過手動方式選擇不同的測速方法，通過光電傳感器將車輪轉速轉換成速度脈沖，PLC完成對速度脈沖的計數，并依據不同的計算公式得到車輪轉速，且將轉速轉換成8421BCD碼輸出，由譯碼顯示電路顯示轉速。測速中，車輪每轉1周產生速度脈沖的個數，定時時長及精度，已知高頻脈沖的頻率選擇等都會對檢測精度產生影響，但都不會影響學生對測速方法的理解和掌握，反而有利于學生對不同測速法優缺點的理解。實踐證明，該系統完全可以達到教學目的。

[1] 程民利.基于霍爾傳感器的高精度測速電路設計[J]. 電子設計工程，2013(8)：109-111.

[2] 趙樹磊，謝吉華，劉永鋒.基于霍爾傳感器的電機測速裝置[J].江蘇電器，2008(10):53-56.

[3] 江明.新型高精度測速方法探討[J].安徽機電學院，1997，12(3):52-55.

[4] 姜慶明，楊旭，甘永梅，等.一種基于光電編碼的高精度測速和測加速度方法[J].微計算機，2004，20(6):48-49.

[5] 程民利.基于紅外檢測的產品自動分裝系統設計[J]. 電子設計工程，2011(7):165-168.

[6] 黃繼昌.電子元器件應用手冊[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[7] 康華光. 《電子技術基礎》數字部分 [M]. 4版. 北京:高等教育出版社,2000.

[8] 廖常初.《可編程控制器應用技術》 [M]. 5版.重慶：重慶大學出版社，2008.

*陜西省教育廳2013年科學研究計劃(自然科學專項)資助項目(2013JK0964)

責任編輯李思文

DesignofSystemofSensingVelocityMeasuringbasedonPLC

CHENG Minli

(Department of Electronic Information, Xi′an Railway Vocational & Technological Institute, Xi′an 710014, China)

Combining with the teaching requirements, This paper designed a sensing velocity measuring system based on existing models of PLC, analyzed the three velocimetry, and designed a composition diagram of velocity-easuring system, hardware detection and display circuit. According to velocimetry, ladder diagram program of the three different speed measuring method was woritten. Aimed at the different speed program, the reasons of the velocity error were analyzed, corresponding improvement measures were put forward. A software and hardware implementation of velocity-measuring could change the velocity-measuring precision by setting the parameters in the program.

velocimetry, sensor, timer, counter, ladder diagram program

TP 212.9

：A

程民利(1965-)，女，教授，主要從事應用電子技術、傳感技術和電路仿真等方面的研究。

2014-10-31