基于Siemens PLC的貯柜虛擬編碼器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曹宏娟，曹喜生，張亞凱

（1.甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水741001；2.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020；3.北京航天拓?fù)涓呖萍加邢挢?zé)任公司，北京100176）

1 前言

在當(dāng)前煙草行業(yè)中，貯柜是最常見的存料設(shè)備，例如：葉線的預(yù)混柜、貯葉柜、葉絲柜、混絲柜、成品絲柜等，梗線的一次貯梗柜、二次貯梗柜、梗絲柜等。在生產(chǎn)過程當(dāng)中，我們需要實(shí)時(shí)掌握貯柜出料量、存料量等信息，方便后續(xù)的工單生產(chǎn)和后續(xù)工單物料所在貯柜的提前拉料。為了得到這些參數(shù)信息，一般情況下都是先計(jì)算出貯柜底帶整體長(zhǎng)度的脈沖數(shù)，再根據(jù)實(shí)際出料時(shí)底帶運(yùn)行路程的脈沖數(shù)，進(jìn)行出料量、存料量的計(jì)算。當(dāng)前貯柜底帶脈沖采集一般采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器或者接近開關(guān)檢測(cè)齒輪的凹凸來(lái)采集脈沖，這種方法在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中總是會(huì)出現(xiàn)機(jī)械性的誤差、脈沖采集數(shù)值不準(zhǔn)確，尤其是在貯柜底帶停止后再次啟動(dòng)時(shí)誤差表現(xiàn)的更大。為了解決這一現(xiàn)象的發(fā)生，我們引入了一個(gè)新的概念：貯柜虛擬編碼器，它不是現(xiàn)實(shí)的硬件，而是根據(jù)科學(xué)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算出的虛擬產(chǎn)物，這樣它就不存在機(jī)械性的誤差，只要底帶運(yùn)行，虛擬脈沖就增加，同理底帶停止，虛擬脈沖就停止，所以它所產(chǎn)生的虛擬脈沖要比機(jī)械式的實(shí)際脈沖更可靠、更準(zhǔn)確。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 目前貯柜的出料量和存料量的計(jì)算

2.1.1 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。在接合數(shù)字電路特別是單片機(jī)后，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測(cè)量和角速度測(cè)量較絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價(jià)和簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)。

一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測(cè)量從幾個(gè)微米到幾十幾百米的距離。多個(gè)工位，只要選用一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，就可以避免使用多個(gè)接近開關(guān)、光電開關(guān)，解決現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械安裝麻煩，容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問題。

2.1.2 接近開關(guān)檢測(cè)齒輪的凹凸

一般在貯柜底帶的主軸一側(cè)安裝一套帶支架的齒輪凹凸裝置和一個(gè)接近開關(guān)（固定不動(dòng)），這樣底帶在運(yùn)行時(shí)，帶動(dòng)齒輪凹凸裝置一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于底帶的接近開關(guān)是固定不動(dòng)的，所以齒輪凹凸裝置在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中，底帶接近開關(guān)可以間隔的檢測(cè)到齒輪的凸處，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的凸處，進(jìn)行底帶脈沖的采集。

2.1.3 計(jì)算貯柜出料量和存料量

目前一般采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器或者接近開關(guān)檢測(cè)齒輪的凹凸來(lái)采集脈沖，進(jìn)而進(jìn)一步計(jì)算出貯柜出料量和存料量等參數(shù)。

2.2 目前脈沖采集方法的不足之處

2.2.1 不經(jīng)濟(jì)性

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器或者接近開關(guān)需要購(gòu)買額外的硬件（增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和接近開關(guān)相比，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的價(jià)格更昂貴），同時(shí)還需要找人工安裝、布線、接線、調(diào)試與配置編碼器參數(shù)等等工作，此外還要使用西門子的模塊進(jìn)行采集信號(hào)（西門子的模塊價(jià)格也比較昂貴）。

2.2.2 編碼器誤差

采用編碼器采集脈沖時(shí)，電路干擾、貯柜震動(dòng)，都會(huì)使增量式旋轉(zhuǎn)編碼器出現(xiàn)誤動(dòng)作信號(hào)。

2.2.3 接近開關(guān)誤差

采用接近開關(guān)采集脈沖時(shí)，由于底帶運(yùn)行時(shí)處于拉緊狀態(tài)，當(dāng)中途停車時(shí)，可能恢復(fù)原狀，這樣可能導(dǎo)致脈沖的額外誤采集。

3 虛擬編碼器（VirtualEncoder）的出現(xiàn)

3.1 以圖1所示普通貯柜為例，設(shè)定底帶總長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)。

圖1 普通貯柜

3.2 運(yùn)行t時(shí)間后，設(shè)定底帶移動(dòng)的距離為S，則貯柜的存料量為

3.3 底帶在運(yùn)行時(shí)，受到下游設(shè)備的約束，所以底帶運(yùn)行是間斷的；底帶采用的是變頻控制，變頻器本身有加速時(shí)間、減速時(shí)間，所以底帶運(yùn)行時(shí)速度是變化的（即底帶的運(yùn)行頻率是變化的）。

圖2 底帶運(yùn)行速度運(yùn)行圖

圖2為底帶運(yùn)行速度運(yùn)行圖，可以看出底帶的運(yùn)行是斷斷續(xù)續(xù)的。

我們?cè)O(shè)定底帶電機(jī)的級(jí)對(duì)數(shù)為P，運(yùn)行頻率為f，運(yùn)行轉(zhuǎn)速為n，運(yùn)行角速度為w，電機(jī)軸的半徑為r，可以得出電機(jī)的線速度V的表達(dá)式：

積分概念：積分是微積分學(xué)與數(shù)學(xué)分析里的一個(gè)核心概念。通常分為定積分和不定積分兩種。直觀地說，對(duì)于一個(gè)給定的正實(shí)值函數(shù)，在一個(gè)實(shí)數(shù)區(qū)間上的定積分可以理解為在坐標(biāo)平面上，由曲線、直線以及軸圍成的曲邊梯形的面積值（一種確定的實(shí)數(shù)值）。

根據(jù)積分的概念，如果我們?cè)跁r(shí)間t上對(duì)底帶運(yùn)行線速度V取積分，即可得出底帶在不同的線速度下、在不同時(shí)間段內(nèi)的面積，此面積即是底帶在時(shí)間段t內(nèi)走過的距離S：

綜合上述公式可以得出，底帶在時(shí)間段t內(nèi)走過的距離S：

上述表達(dá)式即為將常數(shù)提出后的表達(dá)式，即總表達(dá)式。

4 虛擬編碼器（VirtualEncoder）的理論設(shè)計(jì)

4.2 由上以及積分原理可知，底帶的頻率和時(shí)間的乘積無(wú)限累加即可得出底帶在時(shí)間t內(nèi)走過的距離：

這里我們將時(shí)間統(tǒng)一取100ms，即可知道

需要指出的是這里的100ms只是一個(gè)非常小的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間越小越好！

4.3 針對(duì)上述的頻率累加，我們可是設(shè)定一個(gè)步長(zhǎng)L1，當(dāng)頻率累計(jì)到L1時(shí)，可以模擬一個(gè)虛擬方波的上升沿，當(dāng)頻率累加到2.L1時(shí)，我們可以模擬一個(gè)虛擬方波的下降沿，以次類推，即可得出一系列的連續(xù)的虛擬方波的上升沿、下降沿，這也就有了我們需要的虛擬脈沖N：

于是我們得到：N=S／L1（注意：L1越大越好）

我們可以應(yīng)用這里的脈沖N，進(jìn)而去計(jì)算貯柜出料量和存料量等參數(shù)。

5 基于Siemens PLC的Step7編寫貯柜虛擬編碼器標(biāo)準(zhǔn)化程序設(shè)計(jì)

利用PLC強(qiáng)大的計(jì)算功能，可以很方便地在上述原理分析及理論計(jì)算方法基礎(chǔ)上，通過編寫程序，實(shí)現(xiàn)虛擬編碼器的設(shè)計(jì)。為使程序具有通用性和較強(qiáng)的普遍適用性，方便主程序調(diào)用執(zhí)行，程序應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。Siemens PLC功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，易于組織子程序的有序執(zhí)行和高效執(zhí)行，其編程軟件Step7具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，豐富的指令，完全可以在軟件上實(shí)現(xiàn)虛擬編碼器的功能并做到標(biāo)準(zhǔn)化。編寫FB功能塊及其背景數(shù)據(jù)塊是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化軟件的最佳方法。

程序截圖3～圖8所示。圖3創(chuàng)建了FB10功能塊及其背景數(shù)據(jù)塊，圖4～圖8為FB10功能塊的語(yǔ)句表程序，各段程序完成的功能如圖注文字說明，語(yǔ)句表右側(cè)注釋說明了計(jì)算過程，再此不再贅述。

圖3 創(chuàng)建程序

圖4 底帶實(shí)際頻率的累加

圖5 當(dāng)?shù)讕?shí)際頻率的累加和小于設(shè)定步長(zhǎng)時(shí)，輸出虛擬正脈沖

圖6 當(dāng)?shù)讕?shí)際頻率的累加和大于設(shè)定步長(zhǎng)時(shí)，輸出虛擬負(fù)脈沖

圖7 輸出虛擬脈沖相加，以及當(dāng)?shù)讕?shí)際頻率的累加和大于2倍設(shè)定步長(zhǎng)時(shí)，清零步長(zhǎng)累加和

圖8 當(dāng)手動(dòng)復(fù)位、或者自動(dòng)出料完畢時(shí)清零輸出的虛擬脈沖數(shù)量

6 虛擬編碼器（VirtualEncoder）的應(yīng)用

目前此虛擬編碼器（VirtualEncoder）的標(biāo)準(zhǔn)化程序已在多個(gè)卷煙廠制絲生產(chǎn)線、梗生產(chǎn)線當(dāng)中應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)采集分析情況來(lái)看，虛擬編碼器產(chǎn)生的虛擬脈沖比機(jī)械式的實(shí)際脈沖計(jì)算的出料量和存料量更準(zhǔn)確、更貼合實(shí)際，同時(shí)虛擬編碼器（VirtualEncoder）的使用也得到了業(yè)主的一直好評(píng)。

7 結(jié)束語(yǔ)

貯柜虛擬編碼器以高等數(shù)學(xué)和自動(dòng)控制學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，以Siemens PLC為核心硬件，在Step7軟件上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化程序編制與開發(fā)。程序中根據(jù)高等數(shù)學(xué)的積分知識(shí)進(jìn)行虛擬脈沖的推導(dǎo)和計(jì)算，從而得出虛擬脈沖，以此來(lái)代替增量式旋轉(zhuǎn)編碼器或者接近開關(guān)檢測(cè)齒輪的凹凸的實(shí)際脈沖；這種配置方案一方面它所產(chǎn)生的虛擬脈沖要比機(jī)械式的實(shí)際脈沖更可靠、更準(zhǔn)確；另一方面也減少了采購(gòu)成本、電路干擾、貯柜震動(dòng)、機(jī)械干擾等等外在因素，也大大減少了主控制柜或者分布式IO箱與現(xiàn)場(chǎng)貯柜類設(shè)備的施工和省去了大量的現(xiàn)場(chǎng)線纜，既提高了貯柜參數(shù)控制精度和可靠性，又給維護(hù)保養(yǎng)帶來(lái)了很大方便。