FM350-1 高速計數(shù)模塊在鋼管自動測長系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳明升

（杭州浙達精益機電技術(shù)股份有限公司，浙江杭州 311100）

在自動化控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到計數(shù)功能，而普通的數(shù)字量模塊無法響應(yīng)快速變化的信號，即無法捕捉到頻率較高的信號［1］。本文主要介紹了基于FM350-1 高速計數(shù)模塊的鋼管自動測長系統(tǒng)，F(xiàn)M350-1 高速計數(shù)模塊用于在鋼管測長過程中讀取管端距離最后經(jīng)過那一對光電管時編碼器所統(tǒng)計的脈沖數(shù)，根據(jù)每個脈沖所對應(yīng)的鋼管長度與FM350-1 高速計數(shù)模塊讀取的脈沖數(shù)之積而計算出編碼器值所對應(yīng)鋼管長度值ΔL。該測長系統(tǒng)應(yīng)用PLC 控制系統(tǒng)及光電傳感器技術(shù)［2］，大大降低了設(shè)備的故障率，其測長精度達到了±2 mm，超過了世界同類產(chǎn)品的先進水平，在很大程度上降低了成本和工人的勞動強度［3-4］。

1 鋼管自動測長系統(tǒng)的工作原理

1.1 鋼管自動測長系統(tǒng)的組成

鋼管自動測長系統(tǒng)主要由多組發(fā)射光電管盒、多組接收光電管盒、液壓缸、對齊檔板、PLC、計算機等部分組成［5］，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鋼管自動測長系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.2 鋼管自動測長系統(tǒng)的工作原理

鋼管自動測長系統(tǒng)的工作原理如圖2 所示。當(dāng)液壓油缸推動鋼管在測長工位的被動輥道組上前進時［6］，油缸通過齒輪齒條帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，鋼管前進時鋼管前端每經(jīng)過一對光電管，編碼器的計數(shù)值清零一次，然后一直累加編碼器的計數(shù)值［7］。當(dāng)液壓油缸推到前極限位時［6，8-9］，保存這一時刻的光電管狀態(tài)和編碼器的計數(shù)值。編碼器統(tǒng)計管端距離剛經(jīng)過的光電管的脈沖數(shù)，根據(jù)每一個脈沖相應(yīng)的長度，換算出ΔL 長度。PLC 讀取所有數(shù)據(jù)用于計算鋼管的長度。

整支鋼管的長度L 可由公式L=L0＋ΔL 計算出來［10-11］。其中：L0是鋼管最后經(jīng)過的光電管距離測長基準(zhǔn)點（油缸行程的前極限位）的距離，L0的長度是預(yù)先標(biāo)定好的；ΔL 是管端距離最后經(jīng)過那一對光電管的距離，ΔL＝脈沖數(shù)×每個單位脈沖數(shù)對應(yīng)長度，脈沖計數(shù)由FM350-1 高速計數(shù)模塊來完成。

圖2 鋼管自動測長系統(tǒng)的工作原理

2 FM350-1 高速計數(shù)模塊現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 FM350-1 高速計數(shù)模塊的接線

鋼管自動測長系統(tǒng)使用24 V 增量型編碼器，其FM350-1 高速計數(shù)模塊的接線如圖3 所示。

M350-1 高速計數(shù)模塊支持5 V 和24 V 的增量型編碼器，需要將其側(cè)部的連接件設(shè)置到正確的位置。A 對應(yīng)5 V 編碼器，D 對應(yīng)24 V 編碼器。若沒有正確設(shè)置，PLC 上電后，F(xiàn)M350-1 高速計數(shù)模塊會出現(xiàn)故障，紅燈亮［12-13］。

圖3 FM350-1 高速計數(shù)模塊的接線示意

2.2 FM350-1 高速計數(shù)模塊的硬件組態(tài)設(shè)置

在FM350-1 高速計數(shù)模塊和編碼器正確接線后，在PLC 上電情況下，還需要先對FM350-1 高速計數(shù)模塊的硬件組態(tài)進行設(shè)置，才能進行編程測試，打開STEP7 程序，SIMATIC 300→Hardware→FM350-1 COUNTER，出現(xiàn)如圖4 所示的設(shè)置選項，在此可以設(shè)置編碼器類型、FM350-1 模塊的計數(shù)形式等。

圖4 FM350-1 高速計數(shù)模塊的設(shè)置選項

Encoders 設(shè)置：雙擊Encoders，可按照如圖5所示設(shè)置編碼器類型、Signal Evaluation、Count Direction、Max. Count Frequency、Sensor inputs、Monitoring 的參數(shù)，在鋼管測長系統(tǒng)中采用24 V Incremental 形式，Sensor inputs 需要根據(jù)實際編碼器的類型選擇是Source Output 或Sink Output。

圖5 編碼器設(shè)置

Operating Modes 設(shè)置：雙擊Operating Modes，可按照如圖6 所示設(shè)置計數(shù)方向、門控制、操作模式。門控制Gate Control 采用Software Gate，在編程中需要控制此Software Gate 來進行計數(shù)。計數(shù)方向Counting Range Limits 有兩種設(shè)置：“0 to ＋32 Bits”表示無論編碼器正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計數(shù)值是一直正向累加的；“－31 to ＋31 Bits”表示編碼器正轉(zhuǎn)計數(shù)值為正向累加，編碼器反轉(zhuǎn)計數(shù)值反向減少。在鋼管自動測長系統(tǒng)中，采用何種計數(shù)方式均可。其他設(shè)置采用默認設(shè)置，無需更改。

農(nóng)田水利灌溉節(jié)水技術(shù)在應(yīng)用過程中，要有完善規(guī)范的管理制度。水利工程應(yīng)用現(xiàn)場管理十分混亂，大部分農(nóng)牧民群眾基于自身經(jīng)濟利益出發(fā)，不重視應(yīng)用先進的節(jié)水灌溉技術(shù)，使得水資源浪費嚴(yán)重。農(nóng)田水利工程屬于公共設(shè)施，在多數(shù)情況下，很多小型農(nóng)田水利工程并沒有明確職責(zé)范圍和管理單位，在對這些小型農(nóng)田水利設(shè)施進行管理過程中，缺乏明確規(guī)定，即便是制定了一些規(guī)定，在具體應(yīng)用過程中也很難得到落實。

圖6 操作模式設(shè)置

需要注意的是：硬件組態(tài)必須設(shè)置正確，然后下載到PLC 中；若設(shè)置錯誤，F(xiàn)M350-1 高速計數(shù)模塊的紅燈會在下載組態(tài)后亮；若沒有下載組態(tài)，

紅燈就亮。

2.3 FM350-1 高速計數(shù)模塊的編程

2.3.1 主要功能塊FC CNT_CTRL Function

FC CNT_CTRL Function 調(diào)用前需要在程序中先編寫以下參數(shù)設(shè)置：

Module address：FM350-1 高速計數(shù)模塊在硬件組態(tài)中的地址；

Channel address：FM350-1 高速計數(shù)模塊使用的通道地址；

User data length：16。

此功能塊FC 中需要注意如下參數(shù)［14］：

DB_NO：選用當(dāng)前程序FM 350-1 高速計數(shù)模塊的數(shù)據(jù)塊；

SW_GATE：軟件門，在計數(shù)時需要將此門打開，此信號關(guān)閉，將無法計數(shù)；

GATE_STP：關(guān)軟件門，當(dāng)不要計數(shù)，保持最后編碼器數(shù)值時，需要將此信號置1，以防止液壓油缸后退時，F(xiàn)M350-1 高速計數(shù)模塊仍然計數(shù)，導(dǎo)致測長數(shù)據(jù)錯誤；

OT_ERR_A：若FM350-1 高速計數(shù)模塊出現(xiàn)錯誤，將此信號置1，錯誤便可排除；

OT_ERR：若FM350-1 高速計數(shù)模塊出現(xiàn)錯誤，此信號置1；

L_DIRECT：此信號為脈沖信號，每經(jīng)過一對光電管時，需要將此信號給一個上升沿，以便清零，鋼管經(jīng)過最后一對光電管時，給一個脈沖信號，記錄最后一段編碼器的數(shù)值。

在鋼管自動測長系統(tǒng)中，F(xiàn)M350-1 高速計數(shù)模塊的編程如圖7 所示。

2.3.2 編碼器清零問題

鋼管的前端每經(jīng)過一對光電管時編碼器清零一次。當(dāng)液壓油缸推到前極限位與前端清零不同時間時，計數(shù)模塊可以正確地將0 賦給編碼器計數(shù)值；但當(dāng)清零與停止計數(shù)同時間時，由于為保存光電管狀態(tài)，碰到前極限位時立刻停止計數(shù)，此時清零信號可能只有一個上升沿或有下降沿但還沒將0 賦給計數(shù)值，此時編碼器計數(shù)值中保留的是上一對光電管離前端的距離，導(dǎo)致計算時多加了一對光電管的距離，即鋼管測長結(jié)果偏長450 mm（兩對光電管之間的距離為450 mm）。這是因為編碼器清零需調(diào)用FM350-1 高速計數(shù)模塊的控制程序，當(dāng)退出計數(shù)程序時，編碼器還沒有完成清零的整個過程，導(dǎo)致光電管狀態(tài)與編碼器數(shù)值的不同步。為將正確的編碼器值送給上位機計算，先將編碼器計數(shù)值存在中間繼電器中，沒有清零信號時，實時讀取編碼器值；清零信號為1 時，中間繼電器清零，這樣即使編碼器中的數(shù)值還沒來得及清零，但送給上位機的數(shù)值已經(jīng)為零，保證了計算的正確。

當(dāng)油缸運行到前極限位時，需要記下此時編碼器的計數(shù)和光電管的狀態(tài)，同時關(guān)閉軟件門，不再計數(shù)，油缸后退。這里可能會出現(xiàn)鋼管由于慣性，繼續(xù)前進，恰好又碰到一對光電管，此時，若光電管狀態(tài)是一直刷新的，就會出現(xiàn)多計算了一對光電管的距離，造成測長不準(zhǔn)；所以建議光電管狀態(tài)在液壓油缸前極限位有上升沿時記下此時的光電管狀態(tài)，此后不再刷新光電管的狀態(tài)。

圖7 鋼管自動測長系統(tǒng)FM350-1 高速計數(shù)模塊編程

3 結(jié) 語

介紹了以FM350-1 高速計數(shù)模塊為核心的鋼管自動測長系統(tǒng)，闡述了鋼管自動測長系統(tǒng)的工作原理和FM350-1 高速計數(shù)模塊的現(xiàn)場應(yīng)用。該鋼管自動測長系統(tǒng)在各鋼管生產(chǎn)線上使用中取得了很好的效果，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各大鋼管制造公司，如盧森堡Arcelor Mittal、臺灣中鴻鋼鐵股份有限公司、德國SMS Meer、天津鋼管集團股份有限公司、成都攀成鋼冶金工程技術(shù)有限公司、衡陽華菱鋼管有限公司、鞍鋼股份有限公司、煙臺魯寶鋼管有限責(zé)任公司等生產(chǎn)現(xiàn)場，其測長精度和性能較好，設(shè)備工作穩(wěn)定故障率低，解決了以前依靠國外進口的困境，在很大程度上降低了成本。

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