0 引言

　　在傳動(dòng)系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是最基本的運(yùn)動(dòng)形式。在對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制中需要對(duì)機(jī)械的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行檢測(cè)以改善控制系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的精度。通常轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置有光柵傳感器和測(cè)速發(fā)電機(jī)等，但是速度傳感器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后易發(fā)生傳感器失靈等故障，且在低速運(yùn)行時(shí)容易發(fā)熱，電動(dòng)機(jī)效率較低等問題；而用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向的裝置有如旋轉(zhuǎn)編碼器、速度繼電器等，它們用于不同的場(chǎng)合，但使用范圍有限，靈活性不高。本文提出了一種用接近開關(guān)通過S7-200 PLC編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行檢測(cè)的方法。并給出了詳細(xì)的PLC程序，由于采用PLC程序?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)，編程簡(jiǎn)單，方法可靠。對(duì)檢測(cè)設(shè)備要求不高，利用機(jī)械自身的齒輪配合接近開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)C650-2型車床的PLC改造證明了該方法的有效性。

1 原理分析

　　為了檢測(cè)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)方向，我們?cè)跈C(jī)械的旋轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，在齒盤邊上放置兩個(gè)接近開關(guān)，一般設(shè)齒距為齒寬的2倍，齒寬為兩個(gè)接近開關(guān)中心距的2倍。當(dāng)齒盤在正轉(zhuǎn)時(shí)(順時(shí)針方向)產(chǎn)生一個(gè)10.0超前10.1約四分之一周期的相位差；當(dāng)齒盤在反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)10.1超前10.0約四分之一周期的相位差，如圖1所示?？梢愿鶕?jù)正一反轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)接近開關(guān)產(chǎn)生的相位不同來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向。從圖1可知，在正轉(zhuǎn)時(shí)10.0超前10.1，當(dāng)10.0=1時(shí)，10.1由0變?yōu)?，產(chǎn)生一個(gè)正跳變；在反轉(zhuǎn)時(shí)10.1超前10.0，在10.0=1時(shí)，10.1由1變?yōu)?，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，根據(jù)在10.0=1時(shí)10.1是正跳變還是負(fù)跳變就可以辨別出機(jī)械的旋轉(zhuǎn)方向。

圖1旋轉(zhuǎn)方向檢測(cè)原理圖

　　如果對(duì)上述的正跳變(或負(fù)跳變)在一定的采樣周期內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以計(jì)算出物體的旋轉(zhuǎn)速度。設(shè)采樣周期為T秒，在采樣周期內(nèi)正跳變(或負(fù)跳變)的計(jì)數(shù)值為M，齒盤的齒數(shù)為N，則齒盤旋一圈產(chǎn)生的正跳變(或負(fù)跳變)數(shù)為N，在采樣周期內(nèi)齒盤旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為，則可計(jì)算出物體的旋轉(zhuǎn)速度為n=60M／TN轉(zhuǎn)／分。

2 梯形圖設(shè)計(jì)

　　本文采用西門子S7—200 CPU224可編程控制器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向的檢測(cè)，該P(yáng)LC有14個(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)完全能滿足控制要求H1。設(shè)輸入繼電器10.0、10.1分別為兩個(gè)接近開關(guān)的輸入檢測(cè)信號(hào)，內(nèi)部輔助繼電器M0.3、M0.4分別為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的方向信號(hào)。M0.1、M0.2分別為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的內(nèi)部脈沖信號(hào)。根據(jù)轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向檢測(cè)的基本原理，設(shè)計(jì)出PLC控制梯形圖如圖2所示。

圖2旋轉(zhuǎn)方向檢測(cè)及轉(zhuǎn)速計(jì)算梯形圖

　　當(dāng)齒盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒距時(shí)，10.0，10.1的輸入波形分別變化一個(gè)檢測(cè)周期。在圖2梯形圖中，用內(nèi)部輔助繼電器MO．1反映齒盤旋轉(zhuǎn)時(shí)在10.0=1時(shí)，10.1所產(chǎn)生的正跳變脈沖信號(hào)；M0.2反映齒盤旋轉(zhuǎn)時(shí)在10.0=1時(shí)，10.1所產(chǎn)生的負(fù)跳變脈沖信號(hào)。在10.0=I時(shí)，以10.1由0變?yōu)?，或由1變?yōu)?的點(diǎn)為檢測(cè)點(diǎn)。在檢測(cè)點(diǎn)處，如果是正轉(zhuǎn)，10.1產(chǎn)生的正跳變脈沖信號(hào)使M0.1得電，繼而使正轉(zhuǎn)方向信號(hào)M0.3的線圈得電并自鎖，同時(shí)使反轉(zhuǎn)方向信號(hào)M0.4的線圈失電；如果是反轉(zhuǎn)，則10.1產(chǎn)生的負(fù)跳變脈沖信號(hào)使M0.2得電，繼而使反轉(zhuǎn)方向信號(hào)M0.4的線圈得電并自鎖，同時(shí)使正轉(zhuǎn)方向信號(hào)M0.3的線圈失電；可見，在正轉(zhuǎn)時(shí)M0.1線圈得電，在反轉(zhuǎn)時(shí)M0.2線圈得電，但都只是在檢測(cè)點(diǎn)處接通一個(gè)掃描周期，產(chǎn)生一個(gè)不連續(xù)脈沖信號(hào)，而繼電器M0.3，M0.4產(chǎn)生的則是連續(xù)信號(hào)。在齒盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部繼電器M0.3，M0.4不能自動(dòng)復(fù)位，為了在齒盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能使M0.3，M0.4信號(hào)復(fù)位，設(shè)置了一個(gè)定時(shí)器T37，在齒盤旋轉(zhuǎn)時(shí)M0.1或M0.2常閉接點(diǎn)每隔一個(gè)檢測(cè)周期斷開一次，使定時(shí)器T37始終達(dá)不到設(shè)定值，T37的設(shè)定值根據(jù)齒盤的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)來確定，當(dāng)齒盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，M0.1和M0．2常閉接點(diǎn)不再斷開，T37延時(shí)到設(shè)定值時(shí)，其常閉接點(diǎn)斷開M0.3，M0.4線圈，使其復(fù)位。

　　為了能較準(zhǔn)確地計(jì)算出旋轉(zhuǎn)速度，設(shè)置了一個(gè)定時(shí)器T38作為采樣計(jì)時(shí)，一個(gè)計(jì)數(shù)器C0作為脈沖計(jì)數(shù)，采樣時(shí)間到后，讀取定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，送轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序。

3 在C650—2型普通車床PLC改造中的應(yīng)用

　　在C650—2型普通車床是一種中型車床，主要控制對(duì)象有主軸電機(jī)、冷卻泵電機(jī)和快速移動(dòng)電機(jī)。其主要控制特點(diǎn)為：主軸電機(jī)采用電氣正反轉(zhuǎn)控制；主電機(jī)容量為20KW，慣性大，采用電氣反接制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速停車；為便于對(duì)刀，主軸可作點(diǎn)動(dòng)調(diào)整。在原繼電器、接觸器控制系統(tǒng)中，主軸電機(jī)正、反轉(zhuǎn)由按鈕SB2、SB3，接觸器KM1、KM2控制。起動(dòng)時(shí)由接觸器KM3的主觸點(diǎn)將反接制動(dòng)電阻R短接，實(shí)現(xiàn)全壓起動(dòng)。主軸停車時(shí)，按下停止按鈕SB1，主軸電機(jī)定子繞組串入反接制動(dòng)電阻R，采用速度繼電器來檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，以控制電動(dòng)機(jī)在反接制動(dòng)過程中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近為零時(shí)斷開電源。速度繼電器一般和電動(dòng)機(jī)同軸相連，安裝很不方便，精度不高，也容易損壞，此外該機(jī)床使用年限已久，故障率高，維修工作量大，生產(chǎn)率下降，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)，為此我們對(duì)該機(jī)床進(jìn)行了PLC改造。在機(jī)床的PLC改造中，電動(dòng)機(jī)采用PLC控制，去掉速度繼電器，采用上述方式直接檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，不僅可以簡(jiǎn)化電路，而且安裝地點(diǎn)比較靈活，安裝精度要求也不高。下面介紹C650—2型普通車床PLC改造中PLC控制的設(shè)計(jì)原理。

　　C650—2型普通車床PLC控制的接線圖如圖3所示。圖中KSl，KS2為檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向的兩個(gè)接近開關(guān)，其電源可利用PLC的24 V內(nèi)部電源。SB1、SB2、SB3、SB4分別為主軸電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)控制按鈕，SB5、SB6為冷卻泵電機(jī)的起動(dòng)、停止控制按鈕，SQ為刀架快速移動(dòng)操作手柄控制的行程開關(guān)。KM1，KM2為控制主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接觸器線圈，KM3為主軸電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)將反接制動(dòng)電阻R短接的接觸器線圈，KM4，KM5為控制冷卻泵電機(jī)和快速移動(dòng)電機(jī)的接觸器線圈，熱繼電器FR1、FR2分別用于主軸電機(jī)和冷卻泵電機(jī)的過載保護(hù)。圖4為C650—2型普通車床PLC控制的梯形圖。下面簡(jiǎn)要說明其工作原理。

圖3 C650—2型車床PLC接線圖

圖4 C650—2型普通車床PLC控制的梯形圖

　　主軸電機(jī)啟動(dòng)控制。以正轉(zhuǎn)啟動(dòng)為例，按下正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕SB2，輸入繼電器10.3動(dòng)作，使輸出繼電器Q0.3、Q0.1得電自鎖，控制接觸器KM3得電將反接制動(dòng)電阻R短接，KM1得電使主軸電機(jī)正向起動(dòng)，同時(shí)與主軸電機(jī)相連的齒盤也正轉(zhuǎn)，接近開關(guān)10.0，10.1產(chǎn)生如圖1b所示的正轉(zhuǎn)輸入波形，使正轉(zhuǎn)方向檢測(cè)繼電器M0.3得電，使Q0.2線圈回路中的M0.3常開觸點(diǎn)閉合，為反接制動(dòng)做好準(zhǔn)備。主軸電機(jī)停車反接制動(dòng)控制。按下停止按鈕SB1，輸入繼電器10.2動(dòng)作，使Q0.3線圈失電，Q0.3常開觸點(diǎn)斷開正轉(zhuǎn)線圈Q0.1，Q0.3常閉觸點(diǎn)接通Q0.2反轉(zhuǎn)線圈，主軸電機(jī)進(jìn)入反接制動(dòng)。在反接制動(dòng)過程中，主軸電機(jī)仍在正轉(zhuǎn)，M0.3=1，Q0.2保持得電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降到零，欲反轉(zhuǎn)時(shí)，在一個(gè)檢測(cè)周期之內(nèi)，10.1將產(chǎn)生一個(gè)下降沿，使M0.3--0，M0.4=1，Q0.2反轉(zhuǎn)線圈失電，主軸電機(jī)失電。主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎是在零速時(shí)停止，因此制動(dòng)迅速，制動(dòng)效果明顯優(yōu)于速度繼電器。

　　主軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制。按下點(diǎn)動(dòng)按鈕SB4，輸入繼電器10.5動(dòng)作，輸出繼電器Q0.1得電，電源通過制動(dòng)電阻使主軸電機(jī)起動(dòng)，松開點(diǎn)動(dòng)按鈕SB4，輸出繼電器Q0.1失電，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　將PLC控制的接線圖和梯形圖應(yīng)用于C650-2型普通車床的電氣改造，應(yīng)用結(jié)果證明了“用接近開關(guān)通過PLC編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行檢測(cè)”方法的有效性。在采用PLC的電氣控制系統(tǒng)中，該方法只需要兩只接近開關(guān)和簡(jiǎn)單的編程就可以代替速度繼電器，從而節(jié)省了成本，避免了復(fù)雜的安裝和調(diào)試，故障率也大為減少。因此在需要旋轉(zhuǎn)量檢測(cè)的場(chǎng)所采用上述方法有一定的實(shí)用價(jià)值。