【導(dǎo)讀】參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的解決方案。在研究過(guò)程中，分析討論了傳感器與plc軟件的接口方法；分析了流量傳感器、壓力傳感器、霍爾傳感器在測(cè)量流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速的應(yīng)用方法。出了在plc技術(shù)上對(duì)水泵性能的自動(dòng)化測(cè)試。為了確保水泵正常工作,對(duì)其進(jìn)行性能檢。目前國(guó)內(nèi)在礦用水泵關(guān)鍵參數(shù)的檢測(cè)方面手段單一,方法陳舊,自動(dòng)化水平。不高,無(wú)法滿足實(shí)際需要。用要求，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　

【正文】 量 .這種傳感器采用特制的隔離模塊 ,對(duì)于電網(wǎng)和電路中的交流電壓和電流進(jìn)行測(cè)量 . 本次測(cè)試選用型號(hào)為 WBI414S1 的電流傳感器。 電流傳感器將電流轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流 (420mA)其主要技術(shù)指標(biāo)如下 : 表 41 WBI414S1 的電流傳感器 精度等級(jí) 輸入頻響 隔離耐壓 響應(yīng)時(shí)間 供電電壓 測(cè)量電流 輸出電流 25Hz5kHz ,1分鐘 300ms +12V 080A 420mA 接線采用端子連接方式 ,二線制電流輸出 ,連接方式如圖 44輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理通過(guò)單片機(jī)模擬通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 . 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 信號(hào)調(diào)理板端子待測(cè)電流輸入 圖 44 電流傳感器接線 本次測(cè)試選用型號(hào)為 WBV412S1 的電壓傳感器。 電 壓傳感器是將電壓轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓 (05V),其主要技術(shù)指標(biāo)如下 : 表 42 WBV412S1 的電壓傳感 器 精度等級(jí) 測(cè)量電壓 隔離耐壓 輸入頻響 供電電壓 輸入電流 輸出電流 0380V ,1分鐘 25Hz5kHz +12V 0120％標(biāo)稱輸入 05mA . 接線采用端子連接方式 ,二線制電壓輸出 ,連接方式如圖 45 所示 .輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理通過(guò)單片機(jī)模擬通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 . 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 信號(hào)調(diào)理板端子電壓量傳感器端子 圖 45 電壓傳感器接線 電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量 轉(zhuǎn)速 n:轉(zhuǎn)速是指泵軸 (葉輪 )每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù) ,常用轉(zhuǎn) /分鐘 (r/min)為單位表示 .水泵的額定轉(zhuǎn)速 ,一般為 485,970,1450,2900 轉(zhuǎn) /分鐘 .水泵的額定轉(zhuǎn)速、實(shí)際達(dá)到的轉(zhuǎn)速的高低對(duì)泵的出水量、揚(yáng)程、軸功率都有直接影響 .這是水泵性能中一個(gè)很重要的指標(biāo) .水泵轉(zhuǎn)速改變后 ,出水量、揚(yáng)程和軸功率都隨之改變 . 轉(zhuǎn)速的測(cè)量有多種測(cè)量設(shè)備 ,可以分為光電式 ,感應(yīng)式 ,磁電式等 .在對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量過(guò)程中 ,我們分析比較了 ○1紅外光電傳感器測(cè)量法 ○2感應(yīng)線圈測(cè)量法 ○3霍爾傳感器測(cè)量法 第一種方法即紅外光電傳感器測(cè)量法 :在用這種方法時(shí) ,又是測(cè)量的轉(zhuǎn)速并不準(zhǔn)確 ,主要是由于環(huán)境干擾 ,紙片邊沿抖動(dòng)以及傳感器的感應(yīng)問(wèn)題 .采用紅外光電傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速必須用較高精度的傳感器和采取抗干擾措施 .由于我們?cè)囼?yàn)室條件有限 ,使用的傳感器精度較低 ,存在干擾因素而且不容易去除 ,作為轉(zhuǎn)速測(cè)量 ,特別是較高轉(zhuǎn)速的測(cè)量 ,并安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 不是很理想的方法 . 第二種方法即感應(yīng)線圈測(cè)量法 :這種方法也有一定的局限性 ,主要在于需要測(cè)量的轉(zhuǎn)自電流頻太低 ,一般情況下在 1Hz 左右 ,其感應(yīng)出來(lái)的電流十分微弱 ,以至于如果線圈不是感應(yīng)能力足夠強(qiáng) ,會(huì) 出現(xiàn)被噪聲淹沒(méi)的現(xiàn)象 .即使是不被淹沒(méi) ,也需要很多倍數(shù)的放大 ,這樣又使得噪聲信號(hào)同比放大 ,將其淹沒(méi) ,因此在放大的同時(shí) ,還不得不采用低同濾波 ,對(duì)噪聲抑制 ,提高信噪比 .并且由于電路本身也會(huì)出現(xiàn)噪聲 ,在這么高的放大情況下 ,調(diào)節(jié)十分困難 .從以上分析可以看出 ,使用感應(yīng)線圈來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)屏蔽和抗干擾的要求比較高 ,需要多次試驗(yàn)來(lái)達(dá)到最佳狀態(tài) . 本系統(tǒng)采用的磁電式數(shù)字量霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速 .在傳感器內(nèi)用稀土磁鋼給霍爾器件建立初始磁場(chǎng) ,當(dāng)鐵磁齒經(jīng)過(guò)霍爾期間前方時(shí) ,引起該磁場(chǎng)發(fā)生變化 ,霍爾期間檢測(cè)到這一變化 ,并轉(zhuǎn)換成一個(gè)交變信號(hào) ,傳感器內(nèi)置電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大 ,整形 ,輸出良好的矩形脈沖信號(hào) ,測(cè)量頻率范圍更寬 ,輸出信號(hào)更精確穩(wěn)定 ,已在工業(yè) ,汽車(chē) ,航空等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用 .每一轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一次脈沖 ,通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)測(cè)得轉(zhuǎn)速 .由于在使用環(huán)境中 ,其磁場(chǎng)的影響很小 ,周?chē)](méi)有很大的磁場(chǎng)的變化 ,并且霍爾傳感器輸出的是數(shù)字量 ,只有達(dá)到七開(kāi)門(mén)磁場(chǎng)強(qiáng)度 ,其輸出才會(huì)放生變化 ,這就保證了良好的抗干擾性能 ,在惡劣的環(huán)境中也不容易產(chǎn)生脈沖錯(cuò)誤 .而且霍爾傳感器的接線簡(jiǎn)單 ,比使用以上兩種方法簡(jiǎn)單 ,故本系統(tǒng)采用了第三種測(cè)量方法即霍爾傳感器測(cè)速法 。 (1) 測(cè)量原理 ： 當(dāng) 有一塊銅又電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直的放在磁場(chǎng)中時(shí) ,薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差 ,這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng) .兩端具有的電位差值稱為霍爾電動(dòng)勢(shì) UH,它與載流材料的物理性能和幾何尺寸有關(guān) ,與磁場(chǎng)強(qiáng)度和通入電流有關(guān) ,如果磁場(chǎng)和薄片法線有 a角 ,則 aIBKU HH cos? )( 211 mWbVAdRK HH ??? 式中 , d薄片厚度 (m) B磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度 (T) I電流強(qiáng)度 (A) 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 其中 , neCmR H /)( 13 ??? 稱為霍爾系數(shù) ,由材料的物理性質(zhì)決定 。 其中 ， n 為 N 型半導(dǎo)體的電子濃度 ,即單位體積中的電子數(shù) 。e 為電子電荷量 ,e=,負(fù)號(hào)表示電子的運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反 . 具有霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件 ,由霍爾元件組成的傳感器稱為霍爾傳感器 ,霍爾傳感器有模擬量現(xiàn)行輸出和數(shù)字量輸出兩種方式 .模擬量輸出的霍爾傳感器輸出電壓很小 ,除了給傳感器提供電源以外 ,還需要高質(zhì)量的電流放大器輸出信號(hào) ,這樣經(jīng)放大輸出的電信號(hào)就與測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度成現(xiàn)行線形比例關(guān)系 ,來(lái)測(cè)量測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度 . 利用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速 是指 ,在被測(cè)物體上嵌入一個(gè)或多個(gè)小磁鋼 (也可以粘貼在被測(cè)物體上 )， 霍爾傳感器固定在小磁鋼附近 ,當(dāng)被測(cè)物旋轉(zhuǎn)時(shí) ,每當(dāng)一個(gè)小磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)霍爾元件時(shí) ,霍爾傳感器輸出一個(gè)相應(yīng)的脈沖信號(hào) .測(cè)得單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù) ,就可以來(lái)得到被測(cè)物的轉(zhuǎn)速 . 霍爾元件差分放大電路 濾波器 圖 46 傳感器信號(hào)發(fā)生裝置 采用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速方法如圖所示 .在采用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí) ,在這我們可以采用一塊永久磁鋼來(lái)提供磁場(chǎng) ,將磁鋼固定在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上 ,磁鐵正對(duì)霍爾傳感器間距為 動(dòng)時(shí) ,接近磁鋼時(shí)霍爾傳感器周?chē)艌?chǎng)強(qiáng)度增加 ,遠(yuǎn)離時(shí)強(qiáng)度減弱 ,這樣霍爾傳感器產(chǎn)生的高低電平的變化 .傳感器采用 12V 直流電源 ,輸出端接 1K 以上電阻 ,當(dāng)磁鐵正對(duì)傳感器時(shí) ,磁場(chǎng)最大輸出集電極三極管導(dǎo)通 ,輸出端接地 ,電安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 位為 0V. 圖 47 霍爾傳感器測(cè)量接線圖 當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)離傳感器時(shí) ,傳感器附近磁場(chǎng)降低 ,達(dá)到關(guān)門(mén)磁場(chǎng)時(shí) ,輸出三極管截至 .輸出端上 位 為 PLC 電壓過(guò)高 ,產(chǎn)生的峰值電壓 ,輸出端接 5V 穩(wěn)壓管進(jìn)行限制電位 ,輸出數(shù)字量信號(hào)直接進(jìn)入 PLC 進(jìn)行采集 . 本系統(tǒng)采用 SHC數(shù)字量輸出霍爾傳感器 。 實(shí)物如圖 48 所示 主要技術(shù)參數(shù) : 1 工作電壓 :5— 24V 2 測(cè)量范圍 :0— 20KHz 3 測(cè)速齒輪形式 :模數(shù) 2— 4(漸開(kāi)線齒輪 ) 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 4 輸出信號(hào) :方波 ,其峰值等于工作電壓幅度 ,與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān) ,最大輸出電流 20mA 5 工作溫度 :30+1300C 6 螺紋規(guī)格 :Φ 16 傳感器 (M16x1) (2) 測(cè)量方法 對(duì)于轉(zhuǎn)速的測(cè)量 ,我們?cè)O(shè)計(jì)采用了 T 法則 .因?yàn)榧词褂迷谧兯偾闆r下 ,我們的變速范圍在 60%100%的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 ,也即約為 30— ,確認(rèn)脈沖 的個(gè)數(shù) ,然后根據(jù)脈沖的多少除以時(shí)間 ,求得轉(zhuǎn)速 . 在使用數(shù)字量輸出式霍爾傳感器時(shí) ,可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速誤差 ,是由采集數(shù)據(jù)時(shí)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)采集間隔造成的 .因?yàn)?,程序進(jìn)入采樣 ,是由第一個(gè)下降沿來(lái)觸發(fā)的 ,在尋找第一個(gè)下降沿時(shí) ,可能會(huì)出現(xiàn)最大一個(gè)采樣間隔的時(shí)間滯后 .同樣 ,在所需采樣完成時(shí) ,也是計(jì)算最后脈沖的下降沿 ,這時(shí)也有可能產(chǎn)生最大一個(gè)采巖間隔的時(shí)間滯后 .這些時(shí)間滯后會(huì)給尖酸帶來(lái)誤差 ,并且這一誤差隨采樣頻率的增大而減小 .按2020S/s 采樣頻率計(jì)算 .100 個(gè)周期在 50Hz 轉(zhuǎn)速情況下誤差為 ， ， 在這一程 序的設(shè)置中此誤差約為 ,因此對(duì)于 B 級(jí)測(cè)量?jī)x表誤差為177。 而言 ,在本系統(tǒng)中還可以接受 。 溫度傳感器 根據(jù)實(shí)驗(yàn)的條件及其他傳感器的工作要求，本次試驗(yàn)選用上海龍瑞斯電子公司生產(chǎn)的型號(hào)為 3140WB2A80B1L1000 的溫度傳感器。 3140 系列溫度變送器是采用兩線制傳輸方式的現(xiàn)場(chǎng)一體化儀表，直接輸出 4～20mA 的信號(hào)，既節(jié)約了昂 貴的補(bǔ)償導(dǎo)線費(fèi)用，又提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。該產(chǎn)品具有精度高、功耗低、穩(wěn)定性好的 特點(diǎn)，作為新一代測(cè)溫儀表已廣泛用于石油、化工、冶金 、輕工、造紙、紡織、食品、制藥、電力、國(guó)防等領(lǐng) 域，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體、氣體、蒸汽等的溫度測(cè)量和控制。主要技術(shù)指標(biāo) ： 電源電壓： 24V DC 精度等級(jí) ： 177。 %FS 負(fù)載電阻： 250 Ω 環(huán)境溫度：－ 25～ 75℃ 溫度影響系數(shù)：δ≤ %/℃ 安裝方式：螺紋連接 實(shí)物圖如下： 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 水泵效率的 計(jì)算 水泵效率是指水泵的有效功率與軸功率之比值，用符號(hào)印表示。有效功率是 指單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)水泵的液體從水泵那里得到的能量，用符號(hào)只表示，單位為 kW，水泵的有效功率的表達(dá)式為： P=ρ QHg x 10 3? 水泵的效率計(jì)算公式如下： η = ％100xPaPu P 的單位（ kw） ρ 介質(zhì)密度 kg/m3 g 重力加速度 m/s2 Q 流量 m3/s H揚(yáng)程 m η 效率 % 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 36 5 基于 PLC 的水泵測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PLC 的選取 PLC（可編程控制器）：是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來(lái)取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程序控制系統(tǒng)。主要由 CPU、存儲(chǔ)器和輸入、輸出設(shè)備組成。結(jié)構(gòu)如圖 51 所示 圖 51 plc 內(nèi)部資源圖 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 37 PLC 選用三菱 FX2N16M FX2N 系列具有性價(jià)比高， 可靠性高、易于擴(kuò)展、 使用廣泛等特點(diǎn) 。 附件的選取 FX2N4A/D 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。 基本參數(shù)：四個(gè)輸入通道 最大分辨率 12 位 模擬輸入范圍 DC10～ 10V(輸入阻抗 200kΩ ) DC20～ 20mA(輸入阻抗 250Ω ) 或 DC4～ 20mA 電源： DC24V 占用 FX2N 擴(kuò)展單元 8點(diǎn) I/O 通道選擇 方法 ：緩沖寄存器 BFM0 中 4位 16 進(jìn)制數(shù)表示 H0000 O=0(10V～ 10V) O=1(4～ 20mA) O=2(20 ～ 20mA) O=3(通道 OFF) HMI 選用三菱 F940GOT 作為顯示模塊和操作終端 使用 FXPCSDU/WIN 軟件設(shè)計(jì)顯示量 模塊設(shè)備 在水泵測(cè)試控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)大致可以分為 4個(gè)模塊，即通訊模塊、數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制模塊、監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。 通訊模塊 通訊模塊的基本功能是要保證試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，這樣才能既發(fā)揮 PLC 控制精度高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，又能充分利用工控機(jī)良 好的數(shù)據(jù)分析安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 38 和處理能力；系統(tǒng)采用了 RS232 通訊模塊來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸通道的正常運(yùn)行。 數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制模塊 數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制模塊是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)來(lái)自對(duì)來(lái)自數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析和處理，又 D/A 或 I/O 模塊向系統(tǒng)中的各個(gè)控制器件和電控開(kāi)關(guān)發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)，使系統(tǒng)嚴(yán)格按照要求自動(dòng)完成試驗(yàn)項(xiàng)目的操作。 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是對(duì)測(cè)控系統(tǒng)中各個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，為試驗(yàn)的分析和處理提供數(shù)據(jù)來(lái)源。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集分為兩部分：模擬量信號(hào) 采集和數(shù)字量信號(hào)采集。模擬量的采集使用 12位的 A/D 卡，數(shù)字量得采集使用 C/T 卡。 監(jiān)控模塊 監(jiān)控模塊就是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異?；虺鲥e(cuò)時(shí)，及時(shí)報(bào)警并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。在水泵試驗(yàn)中，試驗(yàn)回路正確與否對(duì)試驗(yàn)?zāi)芊裾：晚樌赝瓿善鹬鴽Q定性的作用。因此，監(jiān)控模塊的主要功能就是對(duì)試驗(yàn)回路進(jìn)行監(jiān)控，方便用戶在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)作出反應(yīng)。 AD 模塊的接線 經(jīng)變送器輸出的電壓或電流信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) . 一般電壓 0～ 5V 電流 4～