基于Siemens PLC的贮柜虚拟编码器的设计与应用

曹宏娟，曹喜生，张亚凯

（1.甘肃机电职业技术学院，甘肃天水741001；2.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃天水741020；3.北京航天拓扑高科技有限责任公司，北京100176）

1 前言

在当前烟草行业中，贮柜是最常见的存料设备，例如：叶线的预混柜、贮叶柜、叶丝柜、混丝柜、成品丝柜等，梗线的一次贮梗柜、二次贮梗柜、梗丝柜等。在生产过程当中，我们需要实时掌握贮柜出料量、存料量等信息，方便后续的工单生产和后续工单物料所在贮柜的提前拉料。为了得到这些参数信息，一般情况下都是先计算出贮柜底带整体长度的脉冲数，再根据实际出料时底带运行路程的脉冲数，进行出料量、存料量的计算。当前贮柜底带脉冲采集一般采用增量式旋转编码器或者接近开关检测齿轮的凹凸来采集脉冲，这种方法在实际现场应用过程中总是会出现机械性的误差、脉冲采集数值不准确，尤其是在贮柜底带停止后再次启动时误差表现的更大。为了解决这一现象的发生，我们引入了一个新的概念：贮柜虚拟编码器，它不是现实的硬件，而是根据科学知识进行计算出的虚拟产物，这样它就不存在机械性的误差，只要底带运行，虚拟脉冲就增加，同理底带停止，虚拟脉冲就停止，所以它所产生的虚拟脉冲要比机械式的实际脉冲更可靠、更准确。

2 现状分析

2.1 目前贮柜的出料量和存料量的计算

2.1.1 增量式旋转编码器

增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。在接合数字电路特别是单片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势。

一个旋转编码器，可以测量从几个微米到几十几百米的距离。多个工位，只要选用一个旋转编码器，就可以避免使用多个接近开关、光电开关，解决现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。

2.1.2 接近开关检测齿轮的凹凸

一般在贮柜底带的主轴一侧安装一套带支架的齿轮凹凸装置和一个接近开关（固定不动），这样底带在运行时，带动齿轮凹凸装置一起旋转运动。由于底带的接近开关是固定不动的，所以齿轮凹凸装置在旋转运动的过程中，底带接近开关可以间隔的检测到齿轮的凸处，根据监测到的凸处，进行底带脉冲的采集。

2.1.3 计算贮柜出料量和存料量

目前一般采用增量式旋转编码器或者接近开关检测齿轮的凹凸来采集脉冲，进而进一步计算出贮柜出料量和存料量等参数。

2.2 目前脉冲采集方法的不足之处

2.2.1 不经济性

增量式旋转编码器或者接近开关需要购买额外的硬件（增量式旋转编码器和接近开关相比，增量式旋转编码器的价格更昂贵），同时还需要找人工安装、布线、接线、调试与配置编码器参数等等工作，此外还要使用西门子的模块进行采集信号（西门子的模块价格也比较昂贵）。

2.2.2 编码器误差

采用编码器采集脉冲时，电路干扰、贮柜震动，都会使增量式旋转编码器出现误动作信号。

2.2.3 接近开关误差

采用接近开关采集脉冲时，由于底带运行时处于拉紧状态，当中途停车时，可能恢复原状，这样可能导致脉冲的额外误采集。

3 虚拟编码器（VirtualEncoder）的出现

3.1 以图1所示普通贮柜为例，设定底带总长度设为L。

图1 普通贮柜

3.2 运行t时间后，设定底带移动的距离为S，则贮柜的存料量为

3.3 底带在运行时，受到下游设备的约束，所以底带运行是间断的；底带采用的是变频控制，变频器本身有加速时间、减速时间，所以底带运行时速度是变化的（即底带的运行频率是变化的）。

图2 底带运行速度运行图

图2为底带运行速度运行图，可以看出底带的运行是断断续续的。

我们设定底带电机的级对数为P，运行频率为f，运行转速为n，运行角速度为w，电机轴的半径为r，可以得出电机的线速度V的表达式：

积分概念：积分是微积分学与数学分析里的一个核心概念。通常分为定积分和不定积分两种。直观地说，对于一个给定的正实值函数，在一个实数区间上的定积分可以理解为在坐标平面上，由曲线、直线以及轴围成的曲边梯形的面积值（一种确定的实数值）。

根据积分的概念，如果我们在时间t上对底带运行线速度V取积分，即可得出底带在不同的线速度下、在不同时间段内的面积，此面积即是底带在时间段t内走过的距离S：

综合上述公式可以得出，底带在时间段t内走过的距离S：

上述表达式即为将常数提出后的表达式，即总表达式。

4 虚拟编码器（VirtualEncoder）的理论设计

4.2 由上以及积分原理可知，底带的频率和时间的乘积无限累加即可得出底带在时间t内走过的距离：

这里我们将时间统一取100ms，即可知道

需要指出的是这里的100ms只是一个非常小的时间，这个时间越小越好！

4.3 针对上述的频率累加，我们可是设定一个步长L1，当频率累计到L1时，可以模拟一个虚拟方波的上升沿，当频率累加到2.L1时，我们可以模拟一个虚拟方波的下降沿，以次类推，即可得出一系列的连续的虚拟方波的上升沿、下降沿，这也就有了我们需要的虚拟脉冲N：

于是我们得到：N=S／L1（注意：L1越大越好）

我们可以应用这里的脉冲N，进而去计算贮柜出料量和存料量等参数。

5 基于Siemens PLC的Step7编写贮柜虚拟编码器标准化程序设计

利用PLC强大的计算功能，可以很方便地在上述原理分析及理论计算方法基础上，通过编写程序，实现虚拟编码器的设计。为使程序具有通用性和较强的普遍适用性，方便主程序调用执行，程序应进行标准化设计。Siemens PLC功能强大，运算速度快，易于组织子程序的有序执行和高效执行，其编程软件Step7具有严谨的结构，丰富的指令，完全可以在软件上实现虚拟编码器的功能并做到标准化。编写FB功能块及其背景数据块是实现标准化软件的最佳方法。

程序截图3～图8所示。图3创建了FB10功能块及其背景数据块，图4～图8为FB10功能块的语句表程序，各段程序完成的功能如图注文字说明，语句表右侧注释说明了计算过程，再此不再赘述。

图3 创建程序

图4 底带实际频率的累加

图5 当底带实际频率的累加和小于设定步长时，输出虚拟正脉冲

图6 当底带实际频率的累加和大于设定步长时，输出虚拟负脉冲

图7 输出虚拟脉冲相加，以及当底带实际频率的累加和大于2倍设定步长时，清零步长累加和

图8 当手动复位、或者自动出料完毕时清零输出的虚拟脉冲数量

6 虚拟编码器（VirtualEncoder）的应用

目前此虚拟编码器（VirtualEncoder）的标准化程序已在多个卷烟厂制丝生产线、梗生产线当中应用，根据现场的实际生产运行情况和数据采集分析情况来看，虚拟编码器产生的虚拟脉冲比机械式的实际脉冲计算的出料量和存料量更准确、更贴合实际，同时虚拟编码器（VirtualEncoder）的使用也得到了业主的一直好评。

7 结束语

贮柜虚拟编码器以高等数学和自动控制学知识为基础，以Siemens PLC为核心硬件，在Step7软件上进行标准化程序编制与开发。程序中根据高等数学的积分知识进行虚拟脉冲的推导和计算，从而得出虚拟脉冲，以此来代替增量式旋转编码器或者接近开关检测齿轮的凹凸的实际脉冲；这种配置方案一方面它所产生的虚拟脉冲要比机械式的实际脉冲更可靠、更准确；另一方面也减少了采购成本、电路干扰、贮柜震动、机械干扰等等外在因素，也大大减少了主控制柜或者分布式IO箱与现场贮柜类设备的施工和省去了大量的现场线缆，既提高了贮柜参数控制精度和可靠性，又给维护保养带来了很大方便。