基于西門子PLC和光電編碼器的粉碎機轉速測量

摘 要：本文主要介紹了西門子PLC和光電編碼器在氣動粉碎機自動化控制系統中轉速測量的研究與應用。測量系統以增量型旋轉編碼器為測量傳感器，以西門子S7-200 SMART PLC為控制器，對轉速的測量方法、硬件組成以及高速計數器的程序設計進行了描述。

關鍵詞：高速計數器;光電編碼器;PLC設計

1 測速系統的工作原理

有機廢棄物自動化裝置由粉碎單元、輸送單元及發酵池單元組成，其中粉碎單元需要對落葉、花草等有機廢棄物進行粉碎并將有機廢棄物粉碎到粒徑大小為10～15mm大小，現通過氣動粉碎機實現對有機廢棄物的粉碎。氣動粉碎機的刀片轉速需要進行實施的監控，對后期的調試起到了關鍵性的作用。本文主要介紹利用PLC和光電編碼器對氣動粉碎機的轉速進行測量，得到其最高轉速值。

首先將光電編碼器通過聯軸器與氣動粉碎機進行同軸安裝，此處可知，編碼器的轉速與氣動粉碎機的轉速比為1∶1，因此只要測量出編碼器的脈沖數就可通過計算得到氣動粉碎機的實時轉速與最高轉速值。通過西門子S7-200 SMART PLC高速計數器功能，程序設計與處理，計算出氣動粉碎機的實時轉速。

2 測速系統的硬件設計

2.1 氣動粉碎機測速系統硬件選型

本測速系統主要電氣元件有PLC、增量式光電編碼器以及電磁閥。其中PLC選用具有2個A/B相正交100KHz高速計數器的西門子S7-200 SMART PLC，其具體型號為CPU SR40 AC/DC/RLY，24個輸入和16個繼電器型輸出;編碼器選用歐姆龍E6B2-CWZ6C增量型旋轉編碼器，編碼器的分辨率為10P/R，該編碼器共有五引出線，采用A/B相正交高速計數方式，故將編碼器的黑色引線A相及白色引線B相連接到PLC的輸入端;電磁閥選用喜開理CKD電磁閥，工作電壓為交流220V，50Hz。

2.2 電氣原理圖

根據所選電氣元件，編碼器的輸入軸通過聯軸器與氣動粉碎機直接相連，編碼器的高速脈沖輸出A相與B相與PLC的I0.0/I0.1連接。編碼器的供電電源24V由開關電源供電。電磁閥信號端連接PLC輸出點Q0.0，PLC由交流220V電源供電。具體的電氣原理圖如圖1所示。

3 測速系統程序設計

本測速系統采用光電編碼器的“M法”測速方法對氣動粉碎機的轉速進行測試。即通過測量一段固定的時間間隔T內的編碼器脈沖數來計算轉動軸的轉速。利用“M法”測速時，假設在固定的時間間隔T（單位為s）內，PLC測得的編碼器的脈沖個數為M，其中編碼器的分辨率為P=10P/R（編碼器每旋轉一周發出了10個脈沖），則粉碎機的轉速為：S=60MPTRPM（轉每分鐘）。本測速系統中，時間間隔T取100ms，編碼器的分辨率為10P/R，將其代入公示可得：S=60M10×0.1=600M10。

本測速系統的編程思路首先是對程序進行初始化運行，同時調用高速計數器、中斷子程序。網絡2中的VD4為前100ms內脈沖數的總和，VD50為粉碎機在整個運行過程中的最高轉速，在程序執行之前對其進行清零。

網絡3為觸摸屏按下啟動按鈕后，PLCQ0.0輸出高電平，電磁閥線圈得電，粉碎機刀片在氣壓的作用下開始高速旋轉切割，與粉碎機同軸連接的編碼器旋轉，將脈沖發送給PLC的高速計數器HSC0，網絡4中的VD0為高速計數器脈沖發送的當前值。VD54為通過中斷子程序計算后得到的氣動粉碎機的當前轉速。

網絡5將氣動粉碎機的當前轉速與最高轉速進行比較，若當前轉速高于設定的最高轉速，則通過程序對最高轉速進行更新，并將最高轉速VD50顯示于觸摸屏上。

子程序HSC0_INIT為高速計數器控制子程序，可通過西門子S7-200 SMART高速計數器指令向導完成高速計數器HSC0的參數設置。首先對高速計數器的控制子SMB37進行設置，設置值為16#FC。SMB37高速計數器HCS0控制字的描述如下表所示。

另外，由于程序中無需使用當前值等于預置值時的中斷時間，因此將當前值SMD38及預置值SMD42都設置為0。同時將高速計數器HSC0的工作模式設置為模式9，A/B相正交高速計數模式。

中斷子程序為氣動粉碎機當前轉速的計算過程，根據計算公式S=60M10×0.1=600M10，程序具體設計如下：首先將PLC高速計數器HSC0采集到的當前脈沖值VD0與前100ms內脈沖數的總和VD4作差，將差值賦值給VD8，同時更新VD4內的數據，即前200ms內脈沖數的總和。將差值VD8與600相乘，再除以10，最后通過數據轉換，得到氣動粉碎機的當前轉速值VD46。通過觸摸屏實時的顯示氣動粉碎機的當前轉速值。

根據氣動粉碎機的電氣原理圖完成電路的連接，并完成程序的編寫與下載，繪制觸摸屏的組態畫面，設置通信參數值，啟動氣動粉碎機的運行，監視粉碎機的當前轉速與最高轉速。通過觸摸屏的數據顯示：氣動粉碎機的最高轉速可達到3000rpm。

4 結論

本文介紹了利用西門子S7-200 SMART高速計數器指令向導完成了氣動粉碎機的轉速測量。在轉速測量過程中，使用增量型光電編碼器的“M法”測速法，通過聯軸器聯動氣動粉碎機，PLC采集編碼器發出的高速脈沖串，通過中斷子程序完成實時轉速的計算，并通過觸摸屏將實時轉速與最高轉速顯示出來。該測量方法也可推廣到類似的旋轉設備的轉速測量中。

參考文獻：

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基金項目：麗水市科技局公益性技術應用研究項目（項目編號：2017GYX39）

作者簡介：周國良（1986— ），男，漢族，浙江麗水人，碩士，實訓指導教師，實驗師，研究方向：機電一體化技術與系統。