吳明升

（杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司，浙江杭州 311100）

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到計(jì)數(shù)功能，而普通的數(shù)字量模塊無(wú)法響應(yīng)快速變化的信號(hào)，即無(wú)法捕捉到頻率較高的信號(hào)［1］。本文主要介紹了基于FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)，F(xiàn)M350-1 高速計(jì)數(shù)模塊用于在鋼管測(cè)長(zhǎng)過(guò)程中讀取管端距離最后經(jīng)過(guò)那一對(duì)光電管時(shí)編碼器所統(tǒng)計(jì)的脈沖數(shù)，根據(jù)每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的鋼管長(zhǎng)度與FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊讀取的脈沖數(shù)之積而計(jì)算出編碼器值所對(duì)應(yīng)鋼管長(zhǎng)度值ΔL。該測(cè)長(zhǎng)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(cè)長(zhǎng)精度達(dá)到了±2 mm，超過(guò)了世界同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，在很大程度上降低了成本和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度［3-4］。

1 鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的工作原理

1.1 鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的組成

鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)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(duì)齊檔板、PLC、計(jì)算機(jī)等部分組成［5］，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.2 鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的工作原理

鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的工作原理如圖2 所示。當(dāng)液壓油缸推動(dòng)鋼管在測(cè)長(zhǎng)工位的被動(dòng)輥道組上前進(jìn)時(shí)［6］，油缸通過(guò)齒輪齒條帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，鋼管前進(jìn)時(shí)鋼管前端每經(jīng)過(guò)一對(duì)光電管，編碼器的計(jì)數(shù)值清零一次，然后一直累加編碼器的計(jì)數(shù)值［7］。當(dāng)液壓油缸推到前極限位時(shí)［6，8-9］，保存這一時(shí)刻的光電管狀態(tài)和編碼器的計(jì)數(shù)值。編碼器統(tǒng)計(jì)管端距離剛經(jīng)過(guò)的光電管的脈沖數(shù)，根據(jù)每一個(gè)脈沖相應(yīng)的長(zhǎng)度，換算出ΔL 長(zhǎng)度。PLC 讀取所有數(shù)據(jù)用于計(jì)算鋼管的長(zhǎng)度。

整支鋼管的長(zhǎng)度L 可由公式L=L0＋ΔL 計(jì)算出來(lái)［10-11］。其中：L0是鋼管最后經(jīng)過(guò)的光電管距離測(cè)長(zhǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)（油缸行程的前極限位）的距離，L0的長(zhǎng)度是預(yù)先標(biāo)定好的；ΔL 是管端距離最后經(jīng)過(guò)那一對(duì)光電管的距離，ΔL＝脈沖數(shù)×每個(gè)單位脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度，脈沖計(jì)數(shù)由FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊來(lái)完成。

圖2 鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的工作原理

2 FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的接線

鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)使用24 V 增量型編碼器，其FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的接線如圖3 所示。

M350-1 高速計(jì)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(duì)應(yīng)5 V 編碼器，D 對(duì)應(yīng)24 V 編碼器。若沒(méi)有正確設(shè)置，PLC 上電后，F(xiàn)M350-1 高速計(jì)數(shù)模塊會(huì)出現(xiàn)故障，紅燈亮［12-13］。

圖3 FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的接線示意

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

在FM350-1 高速計(jì)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(duì)FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的硬件組態(tài)進(jìn)行設(shè)置，才能進(jìn)行編程測(cè)試，打開(kāi)STEP7 程序，SIMATIC 300→Hardware→FM350-1 COUNTER，出現(xiàn)如圖4 所示的設(shè)置選項(xiàng)，在此可以設(shè)置編碼器類型、FM350-1 模塊的計(jì)數(shù)形式等。

圖4 FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的設(shè)置選項(xiàng)

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(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中采用24 V Incremental 形式，Sensor inputs 需要根據(jù)實(shí)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(jì)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(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)方向Counting Range Limits 有兩種設(shè)置：“0 to ＋32 Bits”表示無(wú)論編碼器正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)值是一直正向累加的；“－31 to ＋31 Bits”表示編碼器正轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)值為正向累加，編碼器反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)值反向減少。在鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中，采用何種計(jì)數(shù)方式均可。其他設(shè)置采用默認(rèn)設(shè)置，無(wú)需更改。

農(nóng)田水利灌溉節(jié)水技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，要有完善規(guī)范的管理制度。水利工程應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)管理十分混亂，大部分農(nóng)牧民群眾基于自身經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)，不重視應(yīng)用先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，使得水資源浪費(fèi)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(méi)有明確職責(zé)范圍和管理單位，在對(duì)這些小型農(nóng)田水利設(shè)施進(jìn)行管理過(guò)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(guò)程中也很難得到落實(shí)。

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(cuò)誤，F(xiàn)M350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的紅燈會(huì)在下載組態(tài)后亮；若沒(méi)有下載組態(tài)，

紅燈就亮。

2.3 FM350-1 高速計(jì)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(xiě)以下參數(shù)設(shè)置：

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

Channel address：FM350-1 高速計(jì)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(jì)數(shù)模塊的數(shù)據(jù)塊；

SW_GATE：軟件門，在計(jì)數(shù)時(shí)需要將此門打開(kāi)，此信號(hào)關(guān)閉，將無(wú)法計(jì)數(shù)；

GATE_STP：關(guān)軟件門，當(dāng)不要計(jì)數(shù)，保持最后編碼器數(shù)值時(shí)，需要將此信號(hào)置1，以防止液壓油缸后退時(shí)，F(xiàn)M350-1 高速計(jì)數(shù)模塊仍然計(jì)數(shù)，導(dǎo)致測(cè)長(zhǎng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；

OT_ERR_A：若FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊出現(xiàn)錯(cuò)誤，將此信號(hào)置1，錯(cuò)誤便可排除；

OT_ERR：若FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊出現(xiàn)錯(cuò)誤，此信號(hào)置1；

L_DIRECT：此信號(hào)為脈沖信號(hào)，每經(jīng)過(guò)一對(duì)光電管時(shí)，需要將此信號(hào)給一個(gè)上升沿，以便清零，鋼管經(jīng)過(guò)最后一對(duì)光電管時(shí)，給一個(gè)脈沖信號(hào)，記錄最后一段編碼器的數(shù)值。

在鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中，F(xiàn)M350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的編程如圖7 所示。

2.3.2 編碼器清零問(wèn)題

鋼管的前端每經(jīng)過(guò)一對(duì)光電管時(shí)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(shí)間時(shí)，計(jì)數(shù)模塊可以正確地將0 賦給編碼器計(jì)數(shù)值；但當(dāng)清零與停止計(jì)數(shù)同時(shí)間時(shí)，由于為保存光電管狀態(tài)，碰到前極限位時(shí)立刻停止計(jì)數(shù)，此時(shí)清零信號(hào)可能只有一個(gè)上升沿或有下降沿但還沒(méi)將0 賦給計(jì)數(shù)值，此時(shí)編碼器計(jì)數(shù)值中保留的是上一對(duì)光電管離前端的距離，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)多加了一對(duì)光電管的距離，即鋼管測(cè)長(zhǎng)結(jié)果偏長(zhǎng)450 mm（兩對(duì)光電管之間的距離為450 mm）。這是因?yàn)榫幋a器清零需調(diào)用FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的控制程序，當(dāng)退出計(jì)數(shù)程序時(shí)，編碼器還沒(méi)有完成清零的整個(gè)過(guò)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(jī)計(jì)算，先將編碼器計(jì)數(shù)值存在中間繼電器中，沒(méi)有清零信號(hào)時(shí)，實(shí)時(shí)讀取編碼器值；清零信號(hào)為1 時(shí)，中間繼電器清零，這樣即使編碼器中的數(shù)值還沒(méi)來(lái)得及清零，但送給上位機(jī)的數(shù)值已經(jīng)為零，保證了計(jì)算的正確。

當(dāng)油缸運(yùn)行到前極限位時(shí)，需要記下此時(shí)編碼器的計(jì)數(shù)和光電管的狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉軟件門，不再計(jì)數(shù)，油缸后退。這里可能會(huì)出現(xiàn)鋼管由于慣性，繼續(xù)前進(jìn)，恰好又碰到一對(duì)光電管，此時(shí)，若光電管狀態(tài)是一直刷新的，就會(huì)出現(xiàn)多計(jì)算了一對(duì)光電管的距離，造成測(cè)長(zhǎng)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(shí)記下此時(shí)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(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊編程

3 結(jié) 語(yǔ)

介紹了以FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊為核心的鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)，闡述了鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的工作原理和FM350-1 高速計(jì)數(shù)模塊的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外各大鋼管制造公司，如盧森堡Arcelor Mittal、臺(tái)灣中鴻鋼鐵股份有限公司、德國(guó)SMS Meer、天津鋼管集團(tuán)股份有限公司、成都攀成鋼冶金工程技術(shù)有限公司、衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司、鞍鋼股份有限公司、煙臺(tái)魯寶鋼管有限責(zé)任公司等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其測(cè)長(zhǎng)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(guó)外進(jìn)口的困境，在很大程度上降低了成本。

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