利用PLC檢測多臺電機(jī)轉(zhuǎn)速的研究

陳文武 杜彬 朱柳忠 顧曉偉

摘要：通過利用西門子S7-300系列PLC的CPU模塊、數(shù)字量輸入模塊、SICK電感式接近開關(guān)、西門子TP170觸摸屏等電氣元件，對軋鋼線130臺輸入輥道電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，同時把電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時顯示在觸摸屏上。通過PLC程序邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)報警輸出，解決了多臺電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時檢測的難題，減少了軋鋼生產(chǎn)過程中因電機(jī)轉(zhuǎn)速失靈造成的軋鋼質(zhì)量缺陷。

關(guān)鍵詞：S7-300 PLC;TP170;接近開關(guān);轉(zhuǎn)速檢測

0? ? 引言

我廠軋鋼線有130臺輸入輥道電機(jī)，采用變頻器進(jìn)行無極調(diào)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍120～1 500 r/min，轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍較大。此輸入輥道采用3 kW輥道變頻電機(jī)，額定電機(jī)電流8 A，每個輸入輥道電機(jī)安裝7～10 A可調(diào)斷路器，每個斷路器常開觸點(diǎn)并聯(lián)控制1個報警器。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在200 r/min以下時，電機(jī)容易卡死并堵轉(zhuǎn)，而此時電機(jī)電流只有6 A，達(dá)不到電機(jī)斷路器最小電流跳閘值，因此電機(jī)一直堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致斷路器無動作、報警器不報警，從而對軋材造成質(zhì)量缺陷。但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在750 r/min以上時，電機(jī)運(yùn)行電流達(dá)到7 A，當(dāng)棒材在輸入輥道經(jīng)過時，電機(jī)運(yùn)行電流就很容易超過8 A，導(dǎo)致電機(jī)斷路器跳閘，造成誤動作報警。因?yàn)檩斎胼伒离姍C(jī)數(shù)量多，生產(chǎn)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)頻繁，可調(diào)斷路器不能可靠運(yùn)行，這就造成報警器誤報現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，根據(jù)現(xiàn)場情況分析設(shè)計(jì)了一種能自動檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置，以提高現(xiàn)場電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測的可靠性。

1? ? 理論分析

1.1? ? 西門子S7-300簡介

SIMATIC S7-300是一種通用型PLC，適合自動化工程中的各種應(yīng)用場合，尤其是生產(chǎn)制造工程。采用模塊化和無風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布式配置以及易于掌握等特點(diǎn)，使得S7-300 PLC在生產(chǎn)制造工程、通用機(jī)械制造、專用機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域，成為一種實(shí)施各種控制任務(wù)時既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。

西門子CPU 315-2DP技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2? ? SICK電感式接近開關(guān)簡介

SICK電感式接近開關(guān)實(shí)用性及可靠性較高，廣泛使用在所有工業(yè)領(lǐng)域，它能檢測金屬物體，并且由于外形和尺寸的多樣性，適合廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用場合有：定位檢測、輸送動作監(jiān)測、產(chǎn)生計(jì)算脈沖信號、速度監(jiān)測。電感式接近開關(guān)由LC振蕩電路、信號觸發(fā)器和開關(guān)放大器組成（圖1）。

電感式接近開關(guān)的工作原理是振蕩電路的線圈產(chǎn)生高頻交變磁場，從傳感器的感應(yīng)面上釋放，當(dāng)金屬材料靠近感應(yīng)面時，發(fā)生磁滯和渦流損失現(xiàn)象，損失的渦流從振蕩電路吸收能量從而減少振蕩。信號觸發(fā)器可以檢測振蕩減少，最終通過開關(guān)放大器把開關(guān)信號轉(zhuǎn)化為PLC能夠接收的信號。

電感式接近開關(guān)IM08技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.3? ? 接近開關(guān)檢測能力分析

電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min，換算成以秒為單位是25 r/s，當(dāng)轉(zhuǎn)盤上只有1個脈沖信號時，接近開關(guān)的檢測頻率是25 Hz，該頻率小于接近開關(guān)最大開關(guān)頻率3 000 Hz。因此，接近開關(guān)的檢測能力是能夠滿足現(xiàn)場工況要求的。

1.4? ? PLC檢測能力分析

同理，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min，換算成檢測周期是40 ms，由于PLC指令使用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算的運(yùn)算速度是6.0 μs，位操作的運(yùn)算速度是0.1 μs，因此在程序中要盡量減少使用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，使整個PLC的掃描周期小于40 ms，否則將出現(xiàn)信號檢測缺失，導(dǎo)致程序邏輯運(yùn)算的轉(zhuǎn)速偏差擴(kuò)大。在本程序運(yùn)行過程中最大掃描時間是15 ms，短于接近開關(guān)40 ms檢測周期，因此能夠在PLC中可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2? ? 實(shí)施方案

（1）現(xiàn)場電機(jī)前軸安裝機(jī)械連接軸，電機(jī)后軸安裝電機(jī)降溫風(fēng)葉，電機(jī)前后軸部分不適合安裝轉(zhuǎn)盤。因此設(shè)計(jì)了一個可以安裝在電機(jī)機(jī)械連接軸上的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上有測量板，用于產(chǎn)生接近開關(guān)脈沖信號，測量板a的寬度與接近開關(guān)直徑相同，都是8 mm。為了提高接近開關(guān)檢測的可靠性，把Sn/2的距離調(diào)整得靠近一些，現(xiàn)場安裝的實(shí)際距離只有1 mm（圖2）。

（2）PLC輸入模塊主要完成接近開關(guān)信號采集，通過CPU指令集對檢測信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最后輸出顯示電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，其中輸出輥道報警可以提醒現(xiàn)場作業(yè)人員對該電機(jī)轉(zhuǎn)速情況進(jìn)行檢查，圖3中只編寫了1臺電機(jī)的程序段，130臺電機(jī)都需要編寫程序。

1）“常閉”觸點(diǎn)用于程序段是否投入使用;“CMP”比較指令用于在觸摸屏設(shè)置“參數(shù)設(shè)置”.SZDJ_ZTJC，與整數(shù)1比較后是否投入使用;“1#輥道檢測信號”用于現(xiàn)場接近開關(guān)輸入信號采集;“檢測上升沿脈沖”.DB_VAR1指令用于每次取1個上升沿信號;“ADD_I”指令用于“輥道脈沖計(jì)數(shù)”.DB_VAR1累加運(yùn)算。

2）“參數(shù)設(shè)置”.XHJSD_SSY常開觸點(diǎn)用于循環(huán)計(jì)時（60 s），通過“MOVE”指令把“輥道脈沖計(jì)數(shù)”DB-VAR1輸出到“輥道轉(zhuǎn)速顯示”DB_VAR1中，用于在觸摸屏上顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速。

3）通過“CMP”比較指令把“輥道轉(zhuǎn)速顯示”.DB_VAR1與觸摸屏上的“參數(shù)設(shè)置”.GDZDZS_SZ的輥道最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)算，把“輥道運(yùn)行正常”.DB_VAR1輸出到中繼線圈。

4）“參數(shù)設(shè)置”.XHJSD_XJY循環(huán)計(jì)數(shù)下降沿常開觸點(diǎn)，通過“MOVE”指令把“輥道脈沖計(jì)數(shù)”.DB_VAR1清零。

（3）西門子TP170觸摸屏可顯示多臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速，為了方便設(shè)置參數(shù)及觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速情況，把觸摸屏安裝在現(xiàn)場PLC電控柜中，在觸摸屏上設(shè)計(jì)了輥道報警系統(tǒng)主畫面、轉(zhuǎn)速顯示畫面、報警選擇畫面，使現(xiàn)場作業(yè)人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)就能夠比較容易地判斷電機(jī)故障。

1）主畫面設(shè)置“電機(jī)最低轉(zhuǎn)速”參數(shù)，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速低于該參數(shù)時，“輥道運(yùn)行正?！敝甘緹袅痢！稗D(zhuǎn)速更新時間”顯示PLC程序內(nèi)部轉(zhuǎn)速更新時間，在該項(xiàng)目程序中設(shè)置了每60 s更新一次。同時設(shè)置了“轉(zhuǎn)速顯示”和“報警選擇”兩個輔助界面。

2）“轉(zhuǎn)速顯示”畫面可以同時顯示130臺電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于主畫面“電機(jī)最低轉(zhuǎn)速”設(shè)置參數(shù)時，觸摸屏對應(yīng)該電機(jī)的表格開始閃爍，同時集中輸出報警器開始工作。頂部第一行數(shù)字與左邊第一列數(shù)字相加即對應(yīng)電機(jī)序號，對應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示在表格中。

3）“報警選擇”畫面用于電機(jī)報警輸出設(shè)置，頂部第一行數(shù)字與左邊第一列數(shù)字相加即對應(yīng)電機(jī)序號，需要相應(yīng)電機(jī)接近開關(guān)投入檢測轉(zhuǎn)速時，在畫面中按下電機(jī)序號的按鈕，此時按鈕將從“0”轉(zhuǎn)變成“1”，代表電機(jī)報警投入使用;選擇“0”代表電機(jī)報警未投入使用。

3? ? 效果評估

西門子PLC功能強(qiáng)大，但在實(shí)施過程中也遇到了許多問題，比如在剛開始設(shè)計(jì)接近開關(guān)轉(zhuǎn)盤時測試板較小，檢測的電機(jī)轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確，最后把接近開關(guān)檢測塊加大到1/2連接軸，才解決了轉(zhuǎn)速檢測不準(zhǔn)確的問題。現(xiàn)場工況惡劣，溫度高，油污重，也給電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測帶來了一些問題，這還需要在檢測元件這一塊提高可靠性。但是，通過近半年的攻關(guān)，該系統(tǒng)已經(jīng)能夠可靠使用，為我廠減少產(chǎn)品質(zhì)量缺陷提供了可靠保障。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán).深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

收稿日期：2020-04-27

作者簡介：陳文武（1981—），男，江蘇江陰人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。