0 引言
在传动系统中，旋转运动是最基本的运动形式。在对机械运动的控制中需要对机械的转速与旋转方向进行检测以改善控制系统的性能，提高系统的精度。通常转速测量装置有光栅传感器和测速发电机等，但是速度传感器在长时间运行后易发生传感器失灵等故障，且在低速运行时容易发热，电动机效率较低等问题；而用于检测旋转方向的装置有如旋转编码器、速度继电器等，它们用于不同的场合，但使用范围有限，灵活性不高。本文提出了一种用接近开关通过S7-200 PLC编程，实现对机械的转速与旋转方向进行检测的方法。并给出了详细的PLC程序，由于采用PLC程序实现检测，编程简单，方法可靠。对检测设备要求不高，利用机械自身的齿轮配合接近开关即可实现，通过对C650-2型车床的PLC改造证明了该方法的有效性。
1 原理分析
为了检测机械的旋转方向，我们在机械的旋转轴上安装一个齿盘，在齿盘边上放置两个接近开关，一般设齿距为齿宽的2倍，齿宽为两个接近开关中心距的2倍。当齿盘在正转时(顺时针方向)产生一个10.0超前10.1约四分之一周期的相位差；当齿盘在反转时产生一个10.1超前10.0约四分之一周期的相位差，如图1所示。可以根据正一反转时两个接近开关产生的相位不同来检测旋转方向。从图1可知，在正转时10.0超前10.1，当10.0=1时，10.1由0变为1，产生一个正跳变；在反转时10.1超前10.0，在10.0=1时，10.1由1变为0，产生一个负跳变，根据在10.0=1时10.1是正跳变还是负跳变就可以辨别出机械的旋转方向。
如果对上述的正跳变(或负跳变)在一定的采样周期内进行计数，就可以计算出物体的旋转速度。设采样周期为T秒，在采样周期内正跳变(或负跳变)的计数值为M，齿盘的齿数为N，则齿盘旋一圈产生的正跳变(或负跳变)数为N，在采样周期内齿盘旋转的圈数为，则可计算出物体的旋转速度为n=60M／TN转／分。
2 梯形图设计
本文采用西门子S7200 CPU224可编程控制器来实现转速与旋转方向的检测，该PLC有14个输入点，10个输出点完全能满足控制要求H1。设输入继电器10.0、10.1分别为两个接近开关的输入检测信号，内部辅助继电器M0.3、M0.4分别为正转和反转的方向信号。M0.1、M0.2分别为正转和反转的内部脉冲信号。根据转速与旋转方向检测的基本原理。
当齿盘旋转一个齿距时，10.0，10.1的输入波形分别变化一个检测周期。在图2梯形图中，用内部辅助继电器MO．1反映齿盘旋转时在10.0=1时，10.1所产生的正跳变脉冲信号；M0.2反映齿盘旋转时在10.0=1时，10.1所产生的负跳变脉冲信号。在10.0=I时，以10.1由0变为1，或由1变为0的点为检测点。在检测点处，如果是正转，10.1产生的正跳变脉冲信号使M0.1得电，继而使正转方向信号M0.3的线圈得电并自锁，同时使反转方向信号M0.4的线圈失电；如果是反转，则10.1产生的负跳变脉冲信号使M0.2得电，继而使反转方向信号M0.4的线圈得电并自锁，同时使正转方向信号M0.3的线圈失电；可见，在正转时M0.1线圈得电，在反转时M0.2线圈得电，但都只是在检测点处接通一个扫描周期，产生一个不连续脉冲信号，而继电器M0.3，M0.4产生的则是连续信号。在齿盘停止转动时，内部继电器M0.3，M0.4不能自动复位，为了在齿盘停止转动时能使M0.3，M0.4信号复位，设置了一个定时器T37，在齿盘旋转时M0.1或M0.2常闭接点每隔一个检测周期断开一次，使定时器T37始终达不到设定值，T37的设定值根据齿盘的转速和齿数来确定，当齿盘停止转动时，M0.1和M0．2常闭接点不再断开，T37延时到设定值时，其常闭接点断开M0.3，M0.4线圈，使其复位。
为了能较准确地计算出旋转速度，设置了一个定时器T38作为采样计时，一个计数器C0作为脉冲计数，采样时间到后，读取定时器和计数器的当前值，送转速计算子程序。
3 在C6502型普通车床PLC改造中的应用
在C6502型普通车床是一种中型车床，主要控制对象有主轴电机、冷却泵电机和快速移动电机。其主要控制特点为：主轴电机采用电气正反转控制；主电机容量为20KW，惯性大，采用电气反接制动，实现快速停车；为便于对刀，主轴可作点动调整。在原继电器、接触器控制系统中，主轴电机正、反转由按钮SB2、SB3，接触器KM1、KM2控制。起动时由接触器KM3的主触点将反接制动电阻R短接，实现全压起动。主轴停车时，按下停止按钮SB1，主轴电机定子绕组串入反接制动电阻R，采用速度继电器来检测电动机的旋转速度，以控制电动机在反接制动过程中，当电动机的转速接近为零时断开电源。速度继电器一般和电动机同轴相连，安装很不方便，精度不高，也容易损坏，此外该机床使用年限已久，故障率高，维修工作量大，生产率下降，严重影响了正常生产，为此我们对该机床进行了PLC改造。在机床的PLC改造中，电动机采用PLC控制，去掉速度继电器，采用上述方式直接检测电动机的转速和旋转方向，不仅可以简化电路，而且安装地点比较灵活，安装精度要求也不高。下面介绍C650—2型普通车床PLC改造中PLC控制的设计原理。
KSl，KS2为检测旋转方向的两个接近开关，其电源可利用PLC的24 V内部电源。SB1、SB2、SB3、SB4分别为主轴电机的停止、正转、反转、点动控制按钮，SB5、SB6为冷却泵电机的起动、停止控制按钮，SQ为刀架快速移动操作手柄控制的行程开关。KM1，KM2为控制主轴电机正反转的接触器线圈，KM3为主轴电机直接起动时将反接制动电阻R短接的接触器线圈，KM4，KM5为控制冷却泵电机和快速移动电机的接触器线圈，热继电器FR1、FR2分别用于主轴电机和冷却泵电机的过载保护。
主轴电机启动控制。以正转启动为例，按下正转启动按钮SB2，输入继电器10.3动作，使输出继电器Q0.3、Q0.1得电自锁，控制接触器KM3得电将反接制动电阻R短接，KM1得电使主轴电机正向起动，同时与主轴电机相连的齿盘也正转，接近开关10.0，10.1产生如图1b所示的正转输入波形，使正转方向检测继电器M0.3得电，使Q0.2线圈回路中的M0.3常开触点闭合，为反接制动做好准备。主轴电机停车反接制动控制。按下停止按钮SB1，输入继电器10.2动作，使Q0.3线圈失电，Q0.3常开触点断开正转线圈Q0.1，Q0.3常闭触点接通Q0.2反转线圈，主轴电机进入反接制动。在反接制动过程中，主轴电机仍在正转，M0.3=1，Q0.2保持得电，电动机转速急剧下降到零，欲反转时，在一个检测周期之内，10.1将产生一个下降沿，使M0.3--0，M0.4=1，Q0.2反转线圈失电，主轴电机失电。主轴电机的转速几乎是在零速时停止，因此制动迅速，制动效果明显优于速度继电器。
主轴电机点动控制。按下点动按钮SB4，输入继电器10.5动作，输出继电器Q0.1得电，电源通过制动电阻使主轴电机起动，松开点动按钮SB4，输出继电器Q0.1失电，实现点动控制。
4 结束语
将PLC控制的接线图和梯形图应用于C650-2型普通车床的电气改造，应用结果证明了用接近开关通过PLC编程，实现对机械的旋转方向进行检测方法的有效性。在采用PLC的电气控制系统中，该方法只需要两只接近开关和简单的编程就可以代替速度继电器，从而节省了成本，避免了复杂的安装和调试，故障率也大为减少。因此在需要旋转量检测的场所采用上述方法有一定的实用价值。
(审核编辑: 智汇张瑜)
