基于PLC的传感测速应用设计*

程民利

(西安铁路职业技术学院 电子信息系，陕西 西安 710014)

基于PLC的传感测速应用设计*

程民利

(西安铁路职业技术学院 电子信息系，陕西 西安 710014)

结合专业教学需求，基于现有PLC型号设计了传感测速系统，并且分析了3种测速方法，设计出测速系统的组成图以及硬件检测和显示电路，依据测速方法编写了对应于3种不同测速方法的梯形图程序。针对不同的测速程序，定性分析了对应测速误差产生的原因，并提出了针对性的改善措施。该系统采用软硬件结合的方式实现测速，可通过设置程序中的参数来改变测速精度。

测速方法；传感器；定时器；计数器；梯形图程序

交通运输业的飞速发展给人们的工作和生活带来了极大的便利，列车速度的飞速提高使地球真正成为地球村的同时，也带来了很多安全隐患，无论是航空、高铁、公路运输还是海运、城市地铁，都时有事故发生。作为铁路交通运输人才的培养单位，安全运行是教学中反复强调的重点，但要确保安全，除了从业者严格遵守规章制度和操作规程外，还需要可靠的控制技术作为交通工具安全运行的技术保障。高铁列车运行控制系统通过对列车的运行速度进行控制来保证列车安全运行，可见列车运行速度的检测和控制可直接影响列车的运行安全。从事机车车辆维护和维修的从业人员必须熟悉列车速度检测系统，基于此种需求，设计了教学用列车车速检测系统。

1 传感测速系统方案

1.1 测速方法

列车运行速度的检测可采取多种方法。其中将轮轴转速转换成转速脉冲的脉冲转速传感技术，因其简单易实现，能提供高精度、数字化的速度和距离信息，近年来在高铁，地铁测速中得到广泛应用。

脉冲转速传感技术通过将轮轴转速转换成速度脉冲，再对速度脉冲计数完成测速，因此，精确对速度脉冲计数是速度检测的关键。常用的脉冲计数法有3种，分别为M法、T法和M/T法[1]。

1) M法是通过在规定的时间内检测旋转脉冲的个数来间接地测量转速。设规定时间长度为T，在规定时间内检测到旋转脉冲的个数为M1，n为轮轴每转动1周产生的速度脉冲个数，则转速N的计算公式为：

(1)

M法适用于检测高速旋转的被测对象[2-4]。

2) T法是通过测量相邻2个速度脉冲之间的时间间隔，即速度脉冲的周期T而间接检测转速。具体做法是在检测到的速度脉冲的1个周期对已知的高频时基脉冲计数，然后通过式2计算得到被测对象的旋转速度。

(2)

式中，N为被测对象的转速；n为轮轴每转动1周产生的脉冲个数；f为已知高频脉冲的频率；M2为在1个速度脉冲周期内包含的高频时基脉冲的个数。T法适用于低速检测。

3) M/T法是在检测时间T内，既检测速度脉冲的个数M1，又检测已知高频时基脉冲的个数M2，然后通过式3计算出被测对象的转速。

(3)

M/T法融合了M法和T法的优点，理论上扩展了测速范围，但在实际操作中，检测时间T的选择会直接影响测速的精度。

1.2 确定测速系统方案

结合西安铁路职业技术学院拥有的PLC型号(FX1N40MT)，分别采用3种测速法完成测速，测速传感器将轮轴转速转化成一系列的速度脉冲，PLC完成对速度脉冲的计数及运算处理，检测出列车速度。由于FX1N40MT输出点数有限，PLC将检测的列车速度转换成8421BCD码输出，由硬件电路完成译码显示，显示速度为0～9 999 r/min。测速系统由测速传感器、PLC和译码显示电路3部分组成，系统组成如图1所示。

图1 测速系统组成

2 硬件电路设计

2.1 PLC地址分配

FX1N40MT共有24点输入，16点输出，测速系统基于该I/O资源设计。测速系统分别用M法、T法和M/T法3种方法进行测速。测速方法的选择采用手动方式，分别用输入点X1、X2、X3进行选择。由于输出点只有16点，系统要求4位显示，故16点输出用于4位8421BCD码输出[5]。基于FX1N40MT的测速系统地址分配见表1。

表1 系统地址分配

2.2 硬件电路设计

基于教学应用的设计既要考虑能否满教学，又要考虑是否方便、经济和耐用；因此，本设计选用DC24V三线光电传感器将轮轴转速转化成速度电脉冲[6]，传感器依靠PLC提供的直流24 V供电，不用设计电源电路，利用其电-光-电转换功能，轮轴每转动1周，产生6个电脉冲，将轮轴转速转换成速度电脉冲序列，从X4进入PLC。PLC输出的8421BCD码作为译码显示电路的输入，译码显示电路采用学生最熟悉的74LS48显示译码器，该译码器输出高电平有效，所以显示部分选用共阴型数码管[7]。

3 软件设计

在测速系统中，PLC完成对速度脉冲计数，分别依据式1～式3计算出轮轴转速后，将计算结果转化成8421BCD码输出。

3.1 顺序功能图设计

依据PLC要完成的功能和表1的地址分配，设计得到PLC顺序功能图，如图2所示。

图2 顺序功能图

3.1.1 M法测速

顺序功能图采用3个分支的选择序列编程法[8]，当X1接通，则选择M法测速。M法测速是在规定时间内检测速度脉冲的个数。用100 ms的可编程定时器T1设定计数时间T=1 s作为规定的计数时间，在规定时间内断电保持型可编程计数器C103对X4口输入的速度脉冲计数，T1定时时间到，则C103立刻停止计数，C103的当前值即式1中的M1，式1中n=6，可计算出转速并转化成8421BCD码输出。定时器T1的定时精度会影响测速误差，为减小误差，定时器可选用10 ms，甚至1 ms定时器。

3.1.2 T法测速

当X2接通，则选择T法测速。T法是在速度脉冲的1个周期内对已知高频脉冲计数，用计数器C2对X4口输入的速度脉冲计数，设定值为100，计数器在脉冲上升沿计数，即上升沿有效，当C2的计数值到达100时，对应的时间应为100个速度脉冲的周期；同时， 断电保持型计数器C100对已知高频脉冲计数，C2计数至设定值100时，C100停止计数，此时C100的当前值为100个速度脉冲周期的计数结果，C100的当前值除以100就得到式2中的M2，高频脉冲的频率为式2中的f，式2中，n=6，可计算出转速并转化成8421BCD码输出。

设计中采用检测100个速度脉冲周期的高频脉冲个数，而不是直接检测1个速度脉冲周期高频脉冲的个数，目的是为了减小检测误差。因为，计数器C2被用来检测速度脉冲的周期，由于计数器起始工作时刻的随机性，导致检测误差，为减小检测误差，可增大C2的设定值，且此设定值越大，误差越小。C100的计数脉冲即已知高频脉冲由特殊辅助继电器M8011提供，M8011提供周期为10 ms的脉冲，故f=100 Hz。已知高频脉冲频率太低，也会使检测误差增大；因此，为了提高检测精度，可增大C2的设定值，同时，提高已知高频脉冲的频率f。

3.1.3 M/T法测速

当X3接通，选择M/T法测速。M/T法测速是在规定的时间内，既对速度脉冲计数，又对已知高频脉冲计数。100 ms定时器T2定时1 s作为规定时间，同时断电保持型计数器C101对X4口输入的速度脉冲计数，断电保持型计数器C102对已知高频脉冲计数，T2到达设定值，C101，C102停止计数。此时，C101的当前值即为式3中的转速脉冲个数M1，C102的当前值为式3中已知高频脉冲个数M2，C102的计数脉冲即已知高频脉冲由特殊复制继电器M8011提供，其频率f=100 Hz，式3中，n=6，可计算出转速并转化成8421BCD码输出。

在检测过程中，T2的定时精度，定时时长T，以及已知高频脉冲的频率f都会影响测速精度。可通过提高定时器的定时精度(如采用10或1 ms定时器)，提高已知高频脉冲的频率，改善测速精度。

3.2 系统程序

依据顺序功能图编写的梯形图程序如图3所示。

图3 梯形图程序

4 结语

该测速系统通过手动方式选择不同的测速方法，通过光电传感器将车轮转速转换成速度脉冲，PLC完成对速度脉冲的计数，并依据不同的计算公式得到车轮转速，且将转速转换成8421BCD码输出，由译码显示电路显示转速。测速中，车轮每转1周产生速度脉冲的个数，定时时长及精度，已知高频脉冲的频率选择等都会对检测精度产生影响，但都不会影响学生对测速方法的理解和掌握，反而有利于学生对不同测速法优缺点的理解。实践证明，该系统完全可以达到教学目的。

[1] 程民利.基于霍尔传感器的高精度测速电路设计[J]. 电子设计工程，2013(8)：109-111.

[2] 赵树磊，谢吉华，刘永锋.基于霍尔传感器的电机测速装置[J].江苏电器，2008(10):53-56.

[3] 江明.新型高精度测速方法探讨[J].安徽机电学院，1997，12(3):52-55.

[4] 姜庆明，杨旭，甘永梅，等.一种基于光电编码的高精度测速和测加速度方法[J].微计算机，2004，20(6):48-49.

[5] 程民利.基于红外检测的产品自动分装系统设计[J]. 电子设计工程，2011(7):165-168.

[6] 黄继昌.电子元器件应用手册[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[7] 康华光. 《电子技术基础》数字部分 [M]. 4版. 北京:高等教育出版社,2000.

[8] 廖常初.《可编程控制器应用技术》 [M]. 5版.重庆：重庆大学出版社，2008.

*陕西省教育厅2013年科学研究计划(自然科学专项)资助项目(2013JK0964)

责任编辑李思文

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，主要从事应用电子技术、传感技术和电路仿真等方面的研究。

2014-10-31