旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC高速計(jì)數(shù)器在沖擊試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)測量中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

葉園偉，鄭 勇，王金麗，鄧怡國，王 剛，張 勁

（1.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，儋州 571737；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江 524091）

0 引言

簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)適用于各種非金屬材料和農(nóng)業(yè)物料的沖擊韌性測試，是科研機(jī)構(gòu)、大專院校、相關(guān)廠礦進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和農(nóng)業(yè)原料性能研究測試的常用設(shè)備。傳統(tǒng)簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)的測量結(jié)果數(shù)據(jù)一般采用刻度盤指針式顯示。這種刻度盤是通過機(jī)械式轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行顯示，受摩擦力和人為讀取數(shù)據(jù)等因素影響，易造成測量數(shù)據(jù)誤差和讀數(shù)誤差。

為了解決以上問題，本文根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC高速計(jì)數(shù)器的工作原理和擴(kuò)展功能，對沖擊試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，其在精密定位、速度、長度、加速度、振動(dòng)等方面得到廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)控機(jī)床的精密定位方面使用較多[1]。可編程序控制器（簡稱為PLC），是一種具有數(shù)字運(yùn)算操作功能的電子裝置。它采用可以編程的存儲器，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，通過高速脈沖計(jì)數(shù)功能，可以連接編碼器脈沖信號并進(jìn)行處理，是當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化過程中的主要控制裝置之一[2]。

1 沖擊試驗(yàn)機(jī)測量原理

根據(jù)國標(biāo)[3]對能量指示裝置的要求，沖擊試驗(yàn)機(jī)既可以用升角標(biāo)度，也可以用吸收的沖擊能量標(biāo)度，二者的關(guān)系式如下：

式中：W —沖擊能量，單位為焦耳（J）；MH—擺錘的水平力矩，單位為牛頓米（Nm）；α0—起始角，單位為度（0）；αR—升角，單位為度（0）。

由公式（1）可以看出，沖擊能量與擺錘的水平力矩、起始角和升角三者有關(guān)。對于合格出廠的沖擊試驗(yàn)機(jī)來說，擺錘的水平力矩，起始角出廠時(shí)都已給定，是一定值，故沖擊能量只與升角有關(guān)，如果能精確測量升角值，就能準(zhǔn)確計(jì)算沖擊能量。

2 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器及在沖擊測量中的應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測裝置，它具有分辨率及精度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的速度或角度（位置）的檢測[4]。增量式光電編碼器是旋轉(zhuǎn)編碼器的一種，主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成。增量式光電編碼器輸出A、B兩相互差90度電度角的脈沖信號（即所謂的兩組正交輸出信號），根據(jù)正交信號的先后順序，可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

增量編碼器是一種將角位移轉(zhuǎn)換為一連串?dāng)?shù)字脈沖信號的旋轉(zhuǎn)式傳感器，其中角位移的轉(zhuǎn)換采用光電掃描原理，其轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以由交替的透光窗口和不透光窗口構(gòu)成的徑向分度盤（碼盤）的旋轉(zhuǎn)為依據(jù)，同時(shí)被一個(gè)紅外光源垂直照射，光把碼盤的圖像投射到表面覆蓋著一層衍射光柵，并具有和碼盤相同的窗口寬度接收器表面上。

利用以上特點(diǎn)，在沖擊試驗(yàn)中，當(dāng)錘轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)編碼器碼盤轉(zhuǎn)軸同軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接收器感受碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的變化，然后將光變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電變化，并通過電子電路處理后以高、低電平交替的形式輸出標(biāo)準(zhǔn)方形脈沖信號。為提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸出信號傳輸采用差分方式，有效消除了干擾，可精確記錄擺錘的角度。增量編碼器輸出的正交信號可分為A、B兩通道，其中一個(gè)通道給出與轉(zhuǎn)速相關(guān)的信息，同時(shí)，通過兩個(gè)通道信號進(jìn)行順序?qū)Ρ?，得到旋轉(zhuǎn)方向的信息[5]。

3 PLC CPU 224的高速計(jì)數(shù)器及在沖擊測量中的應(yīng)用

西門子公司的S7-200 系列可編程序控制器(PLC)具有模擬量處理、通訊聯(lián)網(wǎng)、系統(tǒng)診斷、中斷處理和高速計(jì)數(shù)等功能。CPU 224 是S7-200 系列PLC 中的典型產(chǎn)品, 其具有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間; 基本單元有14 點(diǎn)輸入和10 點(diǎn)輸出, 最大擴(kuò)展到168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O；6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，支持×1 方式的正交脈沖(AB 相) 輸入，支持×4 方式的正交脈沖(AB 相) 輸入,支持具有內(nèi)/外部方向控制的單相輸入及具有兩個(gè)時(shí)鐘輸入的雙相輸入等12種模式的計(jì)數(shù)功能；具有1個(gè)RS-485通信/編程口，是S7-200系列中應(yīng)用最廣的產(chǎn)品[6]。

高速計(jì)數(shù)器常用于對CPU掃描速度無法控制的高速事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。每次旋轉(zhuǎn)的指定計(jì)數(shù)脈沖，作為高速計(jì)數(shù)器的輸入，故在工程上，通常把高速計(jì)數(shù)器與增量式編碼器結(jié)合用于角度（位置）的測量[7]。

在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，用編碼器提供標(biāo)準(zhǔn)方形脈沖信號，高速計(jì)數(shù)器對脈沖信號計(jì)數(shù)，通過相關(guān)程序計(jì)算出能量值，并顯示在TD200文本顯示器上。

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)

運(yùn)用旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC高速計(jì)數(shù)器對傳統(tǒng)機(jī)械刻度盤指示沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改造，可分為硬件電路設(shè)計(jì)及高速計(jì)數(shù)器等相關(guān)程序的設(shè)計(jì)。

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)組成方框圖，如圖1所示，編碼器使用PLC提供的24V直流電源，其輸出信號可不經(jīng)脈沖信號放大直接接入PLC的高速計(jì)數(shù)器輸入端子進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)TD200文本顯示設(shè)備，直接顯示沖擊后的能量值。

4.2 程序設(shè)計(jì)

4.2.1 程序框圖（如圖2所示）

4.2.2 程序代碼及注釋

LD SM0.0 //首次掃描標(biāo)志位（SM0.1=1）,僅在初次掃描時(shí)有效。

MOVB 16#F8,SM37 //裝載HSC0的控制位，激活HSC0，可更新CV和PV，可改變方向，計(jì)數(shù)與編碼器旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，HSC指令用這些控制位要組態(tài)HSC。

圖2 主程序和中斷服務(wù)流程圖

MOVD +0,SMD38 //HSC0當(dāng)前值（CV）為0

HDEF 0,10 //HSC0定為模式10，4×正交計(jì)數(shù)

ENI //全局允許中斷

HSC0 //按初始組態(tài)特征，啟動(dòng)HSC0

LD M0.0 //擺錘準(zhǔn)備好標(biāo)志位

ATCH INT2, 27 //把中斷程序2（高速計(jì)數(shù)器方向改變中斷）分配給事件27（HC0的方向改變）

LD M0.1 //能量計(jì)算標(biāo)志位

MOVR VD13,LD4 //以下程序段代碼按公式（1）把轉(zhuǎn)存的最大沖擊角度值計(jì)算為能量值

*R 0.01745，LD4

COS LD4, LD4

MOVR LD4, AC0

-R -0.9397 , AC0

MOVR AC0, VD17

*R 7.733,VD17 //能量值存于變量VD17中，用于在TD200文本顯示器中顯示。

END //主程序結(jié)束

高速計(jì)數(shù)器方向改變中斷服務(wù)程序（中斷程序2）

LD M0.2 //方向改變中斷服務(wù)程序執(zhí)行標(biāo)志位

MOVD VD4,VD13 //沖擊后最大升角值轉(zhuǎn)存到VD13中，用于主程序中的能量值計(jì)算。

DTCH 27 //斷開中斷事件27與中斷程序2的聯(lián)系。

RETI //中斷程序2結(jié)束。

5 結(jié)論

在簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和高速計(jì)數(shù)器，把編碼器提供的轉(zhuǎn)軸脈沖作為高速計(jì)數(shù)器的輸入信號，充分利用了編碼器的時(shí)間、角度高分辨率特性和高速計(jì)數(shù)器的時(shí)效性，避免了刻度盤指針式讀數(shù)對測量結(jié)果帶來的誤差，從而實(shí)現(xiàn)了沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊能量的高精度測量。本設(shè)計(jì)進(jìn)一步擴(kuò)展了增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和高速計(jì)數(shù)器的應(yīng)用領(lǐng)域，為簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程實(shí)驗(yàn)方法提供了實(shí)用的參考。

[1]劉文魁,石建玲.光電旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測量中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2006,(11):90-91.

[2]廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]GB/T 21189-2007,塑料簡支梁、懸臂梁和拉伸沖擊實(shí)驗(yàn)用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)[S].

[4]蔣晶,蔣東方,高航.高可靠性增量式光電編碼器接口電路設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù),2009,28(2):1-4.

[5]常春,胡瑜,董彬.光電旋轉(zhuǎn)編碼器的研究與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2001,(12):34-35.

[6]趙光.西門子S7-200系列PLC應(yīng)用實(shí)例詳解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[7]張立新,吳明捷,張曉燕.可編程控制器（PLC）的高速計(jì)數(shù)器的應(yīng)用[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,9（1）:48-49.