维普资讯 http://www.cqvip.com 机电工程２００５年第２２卷第１期 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｃｏｔｒｉｃａ１ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉ“ｇ Ｍａｇａｚｉｎｅ Ｖｏ１．２２ Ｎ。．１ ２００５ ３３－ 基于ＰＬＣ高速计数器的转速检测系统设计 王渝，时献江，邵俊鹏 （哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江哈尔滨ｌ５００８０） 摘 要：介绍了西门子Ｓ７—２００ＰＬＣ高速计数器在高速旋转设备转速检测中的应用，论述了该 转速检测系统的硬件组成和软件设计。实践表明，采用高速计数器检测高速旋转设备的转速具有 很高的精度和很好的实时性。 关键词：ＰＬＣ；转速检测；高速计数器 中图分类号：ＴＰ３９１．８；ＴＨ７２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４５５１（２００５）Ｏｌ一００３３—０３ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｓｐｅｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ＷＡＮＧ Ｙｕ，ＳＨＩ Ｘｉａｎ—ｊｉａｎｇ，ＳＨＡＯ Ｊｕｎ－ｐｅｎｇ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ．Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ）ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｈａｒｂｉｎ １ ５００８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂｙ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ—Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｕｎｔｅｒ ｏｆ ＳＩＭＡＴＩＣ Ｓ７—２００ ＰＬＣ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ：ｍｅａｓｕｒｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ：Ｈｉｇｈ—Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｕｎｔｅｒ 在工业控制领域中，经常会对发电机、电动机、 个重要参数，相应地要求转速检测系统不仅能精 汽轮机等旋转设备的主轴转速进行测量，并对这些 高速旋转设备进行监控。由于高速旋转设备要求具 有很高的可靠性和安全性，转速是该类设备运行的 收稿日期：２００４—１０—０９ 修订日期：２００４—１０—２７ 确的测量转速，而且应保证测量的实时性以及具有 在线显示和数据传输的功能。转速测量方法一般分 为机械式、模拟式和数字式三种。机械式利用转速与 作者简介：王渝（１９８０一），男，四川南充人，哈尔滨理工大学硕士研究生，研究方向为机电一体化及工业控制。 Ｑ 易解决。 （３）当管道内流速较快，液面横向波动大时，影 响测量精度，须对测量的数据加以适当处理。这对 因ｃ、Ｂ、Ｄ都是常数，所以只要测的管内液位高 度ｈ和感应电动势ｅ就能算出实际的流量Ｑ的值。 计算累积总量是有较大影响。 当这些问题解决好以后，获得较高的测量精度 也就不难了。当然，使用这种方法测量非满管液体 流量也存在局限性，当管径较小时或流量较小而使 管内水位太低时，这种测量方法不宜使用。目前国 外已有此类产品，若我们使用感应电动势电极再配 以液位计组合使用，也能达到比较满意的效果。 参考文献： ３实际使用中要解决的问题 使用该方法测量非满管的流量，必须解决的问 题有： （１）从测量原理上讲，该测量方法可靠、简单， 但由于流量是基于测量值ｅ与ｈ然后再计算而得， 而计算方法又比较复杂。这种测量一般模拟电子电 ［１］ 厉玉呜．化工仪表及自动化（第３版）［Ｍ］．北京：化学 工业出版社，２００２． 路难以完成，借助于高性能单片机技术才能完成。 （２）ｅ与ｈ测量值的实时性和同时性必须保证， 使用目前成熟的高性能单片机技术，该问题也很容 ［２］ 侯志林．过程控制与自动化仪表，北京：机械工业出版 社．２００１． 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｇａｚｉｎｅ Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．１ ２００５ 机电工程２００５年第２２卷第１期 离心力的关系来测量转速，模拟式采用测速发电机 得到电压信号，而数字式采用旋转编码盘、接近开关 等得到脉冲信号。随着计算机技术的发展，机械式 和模拟式逐步被数字脉冲式所取代。ＰＬＣ以其可靠 性高、适应性强、通用性好等特点被广泛应用于工业 控制的各个领域，但其高速计数单元在很大程度上 被用于检测距离以及驱动凸轮控制器。 １测速系统的方案及组成 １．１ 检测原理 在实际工程中，旋转设备的工作环境可能相当 恶劣，振动剧烈。考虑使用接近开关作为传感器。 因为它具有不怕灰尘，工作温度范围宽，检测距离 大，使用方便，内置灵敏度调节电位器和补偿电极， 输出状态ＬＥＤ显示，且体积小，价格低等特点。所 以系统转速检测点采用接近开关。 如果旋转设备主轴上没有适合检测齿轮，则需 增设一个专用齿轮，只需保证测速齿轮与旋转设备 同轴同步转动。为保证测量精度建议测速齿轮齿数 为偶数（本例取１００个齿），且齿隙尽可能小．接近 开关对测速齿轮材料要求不高，只要是导磁材料，齿 厚大于２ｍｍ就可。如图ｌ所示，把接近开关固定在 距齿轮齿顶圆２ｍｍ的导引固定架上，当测速齿轮随 主轴转动，每个齿经过接近开关的正前方时，产生磁 通量的变化，通过故态磁性传感元件获得信号，经内 置放大整形电路，输出幅度稳定的方波信号。 图１ 测速传感器示意图 接近开关电路原理图如图２所示。 采用高速计数器对接近开关输出的脉冲进行 计数，设转速、输出信号频率和测速齿轮齿数分别为 ｎ（ｒ／ｍｉｎ）、７ｒ（Ｈｚ）和Ｚ，则它们的关系为：ｎ＝６０ｆ／Ｚ 一 广 ｌ 黑／ｒ—］Ｉ 、 ， ［ Ｊ 。 ｌ 蓝， 、 ——Ｙ Ｉ 图２接近开关电路原理图 如果每ｌ５ｍｓ（在ｌ～２５５ｍｓ可任取）读取一次 高速计数器的话。设ｌ５ｍｓ输出脉冲数为Ⅳ，则转速 与１５ｍｓ输出脉冲数的关系为： ｎ＝ ＝ 而 — × ４ Ⅳ 假设旋转设备额定转速为１０００ｒ／ｍｉｎ时，两次 读数值的差为： ６０ × ｌ ０００＿２５（脉冲）一。 肿 。’ 此时，测量精度为４ｒ／ｍｉｎ。 １．２硬件设计 硬件系统框图，如图３所示。 脉冲信号放大 ＰＬＣ 图３系统硬件框图 传感器采用接近开关，ＰＬＣ提供５Ｖ传感器电 源，如果不能满足接近开关电源电压要求，需配置 ２４Ｖ外加直流电源。接近开关的脉冲信号可不经脉 冲信号放大直接接入ＰＬＣ高速计数器输入端子进 行处理。处理后的数据可送转速控制器和转速显示 设备。转速控制器可根据操作员要求对旋转设备进 行转速控制，转速控制由实际工程控制需要决定，在 此不作论述。转速显示设备采用ＴＤ２００文本显示 器，它是所有西门子ｓ７—２００系列操作员界面问题 的最佳解决方法。ＴＤ２００连接很简单，不需要单独 的电源，只需把它用连接电缆接到基本单元的ＰＰＩ 接口上即可。对ＴＤ２００文本显示器的组态可在 ＳＴＥＰ７一ＭＩＣＲＯ／ＷＩＮ编程软件提供的ＴＤ２００ Ｗｉｚ． ａｒｄ指引下进行，按其指定的格式填入需要显示的信 息及需要监测的变量。该显示器最多显示８０条信 息，每条信息最多可包括４个变量。全部组态完成 确认后Ｗｉｚａｒｄ自动生成一个包括ＴＤ２００参数和信 息的数据块。 维普资讯 http://www.cqvip.com 机电工程 ２００５年第２２卷第１期 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｇａｚｉｎｅ Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．１ ２００５ ·３５‘ ２ ＰＬＣ控制接线与程序设计 ２．１ ＰＬＣ控制接线 ＰＬＣ控制接线图，如图４所示。 图４ ＰＬＣ控制接线图 ２．２ 程序设计 ２．２．１ 程序框图，如图５所示。 ＶＤＯ ＨＣ０ ＶＷ２Ｏ０＋ＶＷ２ ＶＷ２００４－ＶＷ２ ＶＷ４●ＶＷ２００ Ｎ ＶＷ２０２＂￣－－２ 启动高速计数器 ＼／ ●Ｙ ｌ ＶＷ６＂￣－－ＶＷ２００ 启动定时中断器 ＶＷ８·●一ＶＷ６一ＶＷ４ 转速＝４０＊ＶＷ８ （ａ） 主程序 （ｂ） 中断服务程序 图５主程序和中断程序框图 ２．２．２程序代码及注释 ＬＤ ＳＭ０．１ ／／首次扫描标志（ＳＭ０．１：１）。 ＭＯＶＢ ｌ６＃Ｆ８．ＳＭＢ３７ ／／装载ＨＳＣ０的控制位 ／／激活ＨＳＣ０，可更新ＣＶ和ＰＶ ／／可改变方向，正向计数。 ／／ＨＳＣ指令用这些控制位来组态ＨＳＣ。 ＭＯＶＤ＋０，ＳＭＤ３８／／ＨＳＣ０当前值（ＣＶ）为０。 ＨＤＥＦ ０，０／／ＨＳＣ０定为模式０。 ＨＳＣ ０／／按初始组态特征，启动ＨＳＣ０。 ＭＯＶＢ １５，ＳＭＢ３４／／装载定时中断０的周期时间 １５ｍｓ。 ＡＴＣＨ ０，１０／／把中断程序０分配给定时中断０。 ＥＮＩ／／允许中断。 ＭＥＮＤ／／主程序结束。 ／／术术术术术术术术术术术木术术术 ／／中断程序０ ＩＮＴ ０／／中断程序０ ＬＤ ＳＭ０．０／／运行标志（ＳＭ０．０：１）。 ＭＯＶＤ ＨＣ０，ＶＤＯ／／读高速计数器当前值。 ＭＯＶＷ＋３，ＶＷ２００／／设置表的最大长度（ＴＬ）为３。 ＡＴＴ ＶＷ２，ＶＷ２００／／建表，把高速计数器当前值 （ＣＶ）存人表中。 ＡＴＴ ＶＷ２，ＶＷ２００／／把高速计数器当前值（ＣＶ）再 次存人表中。 ＦＩＦＯ ＶＷ２００，ＶＷ４／／把先存入表中的数据取出。 ＡＷ：ＶＷ２０２，＋２／／￣１］断表中数据的个数是否为２。 ＦＩＦＯ ＶＷ２００，ＶＷ６／／把本次中断读数从表中取出。 ＭＯＶＷ ＶＷ６，ＶＷ８／／传送本次中断读数。 Ｉ ＶＷ４，ＶＷ８／／本次中断读数减去上次中断读数。 ＭＯＶＷ ＶＷ８，Ｖｗ１２／／传送实测脉冲次数。 ＭＵＬ＋４０，ＶＤＩＯ／／转换成旋转设备的转速。 ＲＥＴＩ／／中断程序０结束。 ３ 结束语 该转速检测系统的测量精度可达０．４％，甚至 更高，实时性好，且中断时间（１～２５５ｍｓ）和测速齿 轮齿数可任意设置，系统灵活，能满足大部分旋转设 备转速的测量。另外，ＰＬＣ作为广泛使用的工业控 制器可对旋转设备进行多方面的控制与监测，因此， 转速监测可和其它控制作为一体，降低了整套控制 系统的成本。 参考文献： ［１］ 程明山，李大平，贾群力．自动化热喷突击控制系统 ［Ｊ］．电子技术应用，１９９９，（１１）． ［２］ 吴霞．利用８９Ｃ５１单片机实现的一种低转速测量方 法［Ｊ］．机电工程，２０００，（６）． ［３］ ＳＩＭＡＴＩＣ ｓ７—２００ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｍａｎ— ｕａｌ［ｚ］．ＳＩＥＭＮＳ，２０００． ［４］ 殷洪义．可编程序控制器选择、设计与维护［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２００２．
