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摘 要:随着中国港口建设和江湖海河道整治工作步伐的日益加快,对于水下淤泥的清理的要求越来越高,相应设备的精度要求也越来越高;传统的通过传感器测量绳子长度或者通过编码器测量转速的方法不是因为安装维护不方便就是因为精度不够,很难理想的进行应用。本文就是通过光纤传感器和PLC通过正交相位计数进行设计及实现如何精确监测抓斗深度及开口度。
关键词:深度开口度编码器光纤传感器PLC
中图分类号:TH6 文献标识码:A 文章编号:1672-3791 (2010)7(b)-0014-02
1 监测系统介绍
图1,是本文所述的原理图,原理如下:
用于深度测量的卷扬机与用于抓斗开闭测量的卷扬机我们分别简称为S机与K机,S机绳子收放的距离即为深度值,以下用Vs来表示;K机绳子收放的距离用Vk来表示;开口度的测量是通过S机与K机的配合计算测得的,开口度用Vo来表示,开口度计算公式为:
Vo=((Vk-Vs)-(Vk0-Vs0))/((Vk100-Vs100)-(Vk0-Vs0)) X 100
其中:Vk0表示校零时的K机绳子收放的距离;
Vs0表示校零时的S机绳子收放的距离;
Vk100表示校满度时的K机绳子收放的距离;
Vs100表示校满度时的S机绳子收放的距离;
在缆绳卷扬机的侧面安装如图1所示的圆盘,圆盘的圆周上分布均匀等长的测量孔,测量孔的长度决定测量的精度,如图1示安装两组将光纤对射传感器穿孔对射,两组传感器的中心安装距离为测量孔距离的一半使两相位之间相隔90°,在一个波形周期内PLC通过正交相位计数的方式测得的脉冲计数有四个,这样可以大大提高测量的精度。高速计数的采样频率为10kHz,光纤传感器的应答时间为200?s即5kHz;若采样精度为1cm,则卷扬机转速为(5000/4)*60/100=750m/min,而实际正常使用的最大转速约为100m/min,即若机械安装许可理论精度可达0.133cm。
在此过程中必须特别关注以下几个问题:
*测量孔必须均匀等长,前一测量孔与下一个测量孔之间的间隔与测量孔等长;
*两组传感器的中心安装距离为测量孔距离的一半;
*为了防止关机过程中绳子由于机械原因导致距离伸长或缩短,必须考虑在软件中增加校零和校满刻度;
2监测系统的组成及其功能
2.1 系统的几个部分组成
(1)信号采集;
(2)数据处理;
(3)延伸报警输出联锁控制;
(4)标准通讯接口输出;
2.2 系统的各个部分的主要功能
(1)信号采集:主要是光纤传感器的触点脉冲信号。
通过PLC的高速脉冲计数通道采集数据,选择正交相位计数的方法,即A相和B相脉冲相差90°的方法来得到脉冲数值,并且通过相位差可判断正向反向增减计数。
(2)数据处理:通过脉冲数和每个脉冲的距离计算得到绳子的相对距离,再通过计数点所在的圆周长与绳子所在的实际圆周长比例关系计算得到绳子上升下降距离。通过开口度的计算公式得到开口度,特别注意的是对深度和开口度校零和开口度校满度,在校开口度时注意必须先校深度零位,因为开口度的计算值是由深度值得到的,否则将导致数据不准确。另为保证操作安全性,对深度和开口度超过报警值需报警,即深度停止和开口度预告(开口度值<10%)报警,全闭(开口度值=0)报警。
(3)延伸报警输出联锁控制:深度停止报警时,输出一无源常开触点至绞车控制系统,控制系统对卷扬机的控制,从而达到保证系统安全的目的,深度停止后,按下“深度解除”按钮可取消触点输出,若需要重新使深度停止信号触点输出,必须将抓斗提升或下降至零位点确认系统已经正常工作。
(4)标准通讯接口输出:通过提供RS485的MODBUS RTU通讯接口或者以太网接口,将数据传送给第三方软件,对抓斗深度开口度数据进行有效地监测分析。
2.3 监测系统的设计与实现
系统上位机采用触摸屏;通过组态软件实现数据的监测显示,上位机通过串口与PLC实现数据通讯,通讯协议为透明封装的协议,在组态软件中只需输入PLC中定义的变量地址,即可轻松实现数据交换;PLC采用西门子S7-200,握手通讯时间为100ms。
*升降状态:显示当前卷扬机对应的绳子是上升还是下降或者是停止。
*预告指示灯:当抓斗在0～10%时触发报警,该灯闪烁,触摸屏本身蜂鸣器响,5秒钟(时间可设)后蜂鸣器灭,若报警还在改灯常亮,报警消失时,自动变为绿色。报警时信息窗口提示该报警。
*全闭指示灯:当抓斗在<=0时触发报警,该灯闪烁,外部蜂鸣器响,5秒钟(时间可设)后蜂鸣器灭,若报警还在改灯常亮,报警消失时,自动变为绿色。报警时信息窗口提示该报警。
*开度校0%:当需要将开度重新校准时,应首先校零位;方法為:将抓斗调整到零位,然后在触摸屏上按下此按钮即可。
*开度校100%:当需要将开度重新校准时,首先校零位,然后校量程(100%);方法为:将抓斗调整到全开位置,然后在触摸屏上按下此按钮即可。
*深度计校0:当需要将深度重新校准时进行校准,方法为:将抓斗调整到海平面零位,然后按下此按钮即可。
*停止解除:当抓斗深度超过设定的报警值,自动输出一个无源触点信号(联锁信号),按下此按钮,解除触点控制输出,若需恢复自动停止功能,必须将抓斗回到0点。
*保存计数器值:若使下次启动仍然保存显示上次的值,断电前请先点击该按钮,否则下次启动显示值将为最后一次保存的数值。
3 结语
本系统于2010年8月开始研制,2010年10月完成安装调试工作,并投入使用。在使用过程中大大的提高了生产效率,并且由于设置灵活等特点,给系统的操作维护提供了方便,通过标准扩展接口方便了对数据进行远程的监测分析。
参考文献
[1] 蔡行健,黄文钰,李娟主编,西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团编.深入浅出西门子S7-200 PLC(第3版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:205.
[2] EV5000使用手册.上海:步科电气,2009.
[3] 分析与正交振荡器设计.斯普林格,2008:140208515X.
关键词:深度开口度编码器光纤传感器PLC
中图分类号:TH6 文献标识码:A 文章编号:1672-3791 (2010)7(b)-0014-02
1 监测系统介绍
图1,是本文所述的原理图,原理如下:
用于深度测量的卷扬机与用于抓斗开闭测量的卷扬机我们分别简称为S机与K机,S机绳子收放的距离即为深度值,以下用Vs来表示;K机绳子收放的距离用Vk来表示;开口度的测量是通过S机与K机的配合计算测得的,开口度用Vo来表示,开口度计算公式为:
Vo=((Vk-Vs)-(Vk0-Vs0))/((Vk100-Vs100)-(Vk0-Vs0)) X 100
其中:Vk0表示校零时的K机绳子收放的距离;
Vs0表示校零时的S机绳子收放的距离;
Vk100表示校满度时的K机绳子收放的距离;
Vs100表示校满度时的S机绳子收放的距离;
在缆绳卷扬机的侧面安装如图1所示的圆盘,圆盘的圆周上分布均匀等长的测量孔,测量孔的长度决定测量的精度,如图1示安装两组将光纤对射传感器穿孔对射,两组传感器的中心安装距离为测量孔距离的一半使两相位之间相隔90°,在一个波形周期内PLC通过正交相位计数的方式测得的脉冲计数有四个,这样可以大大提高测量的精度。高速计数的采样频率为10kHz,光纤传感器的应答时间为200?s即5kHz;若采样精度为1cm,则卷扬机转速为(5000/4)*60/100=750m/min,而实际正常使用的最大转速约为100m/min,即若机械安装许可理论精度可达0.133cm。
在此过程中必须特别关注以下几个问题:
*测量孔必须均匀等长,前一测量孔与下一个测量孔之间的间隔与测量孔等长;
*两组传感器的中心安装距离为测量孔距离的一半;
*为了防止关机过程中绳子由于机械原因导致距离伸长或缩短,必须考虑在软件中增加校零和校满刻度;
2监测系统的组成及其功能
2.1 系统的几个部分组成
(1)信号采集;
(2)数据处理;
(3)延伸报警输出联锁控制;
(4)标准通讯接口输出;
2.2 系统的各个部分的主要功能
(1)信号采集:主要是光纤传感器的触点脉冲信号。
通过PLC的高速脉冲计数通道采集数据,选择正交相位计数的方法,即A相和B相脉冲相差90°的方法来得到脉冲数值,并且通过相位差可判断正向反向增减计数。
(2)数据处理:通过脉冲数和每个脉冲的距离计算得到绳子的相对距离,再通过计数点所在的圆周长与绳子所在的实际圆周长比例关系计算得到绳子上升下降距离。通过开口度的计算公式得到开口度,特别注意的是对深度和开口度校零和开口度校满度,在校开口度时注意必须先校深度零位,因为开口度的计算值是由深度值得到的,否则将导致数据不准确。另为保证操作安全性,对深度和开口度超过报警值需报警,即深度停止和开口度预告(开口度值<10%)报警,全闭(开口度值=0)报警。
(3)延伸报警输出联锁控制:深度停止报警时,输出一无源常开触点至绞车控制系统,控制系统对卷扬机的控制,从而达到保证系统安全的目的,深度停止后,按下“深度解除”按钮可取消触点输出,若需要重新使深度停止信号触点输出,必须将抓斗提升或下降至零位点确认系统已经正常工作。
(4)标准通讯接口输出:通过提供RS485的MODBUS RTU通讯接口或者以太网接口,将数据传送给第三方软件,对抓斗深度开口度数据进行有效地监测分析。
2.3 监测系统的设计与实现
系统上位机采用触摸屏;通过组态软件实现数据的监测显示,上位机通过串口与PLC实现数据通讯,通讯协议为透明封装的协议,在组态软件中只需输入PLC中定义的变量地址,即可轻松实现数据交换;PLC采用西门子S7-200,握手通讯时间为100ms。
*升降状态:显示当前卷扬机对应的绳子是上升还是下降或者是停止。
*预告指示灯:当抓斗在0～10%时触发报警,该灯闪烁,触摸屏本身蜂鸣器响,5秒钟(时间可设)后蜂鸣器灭,若报警还在改灯常亮,报警消失时,自动变为绿色。报警时信息窗口提示该报警。
*全闭指示灯:当抓斗在<=0时触发报警,该灯闪烁,外部蜂鸣器响,5秒钟(时间可设)后蜂鸣器灭,若报警还在改灯常亮,报警消失时,自动变为绿色。报警时信息窗口提示该报警。
*开度校0%:当需要将开度重新校准时,应首先校零位;方法為:将抓斗调整到零位,然后在触摸屏上按下此按钮即可。
*开度校100%:当需要将开度重新校准时,首先校零位,然后校量程(100%);方法为:将抓斗调整到全开位置,然后在触摸屏上按下此按钮即可。
*深度计校0:当需要将深度重新校准时进行校准,方法为:将抓斗调整到海平面零位,然后按下此按钮即可。
*停止解除:当抓斗深度超过设定的报警值,自动输出一个无源触点信号(联锁信号),按下此按钮,解除触点控制输出,若需恢复自动停止功能,必须将抓斗回到0点。
*保存计数器值:若使下次启动仍然保存显示上次的值,断电前请先点击该按钮,否则下次启动显示值将为最后一次保存的数值。
3 结语
本系统于2010年8月开始研制,2010年10月完成安装调试工作,并投入使用。在使用过程中大大的提高了生产效率,并且由于设置灵活等特点,给系统的操作维护提供了方便,通过标准扩展接口方便了对数据进行远程的监测分析。
参考文献
[1] 蔡行健,黄文钰,李娟主编,西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团编.深入浅出西门子S7-200 PLC(第3版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:205.
[2] EV5000使用手册.上海:步科电气,2009.
[3] 分析与正交振荡器设计.斯普林格,2008:140208515X.