基于现场总线冗余控制系统硬件设计.docx

第一章绪论11.1 冗余发展概况11.2 现场总线发展11.3 本课题的探讨意义21.4 探讨内容21.4.1 整体结构314.2冗余的功能划分414.3硬件结构设计41.4.4 显示单元设计514.5实现6其次章冗余硬件设计72.1 PLC简介72.2 PLC在冗余系统中82.3 硬件冗余92.4 冗余系统的原理与过程112.5 基于COntrOlnet的PLC冗余系统硬件设计12第三章显示单元总体方案设计133.1 系统分析133.1.1 电机转速测量133.1.2 电机转速的处理153.1.3 电机转速的显示153.2 系统构成153.3 测速系统原理框图15第四章显示单元硬件设计164.1 单片机简介174.2 电源电路184.4 系统硬件设计21第五章显示单元的软件设计225.1 C51的基础学问225.2 软件结构划分255.2.1 计时模块255.2.2 转速计算模块26结论27致谢30第一章绪论1.1 冗余发展概况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。20世纪70年头初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程限制器，使PLC增加了运算、数据传送与处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业限制装置。20世纪7。年头中末期，可编程限制器进入好用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程限制器中，使其功能发生了飞跃。20世纪末期，可编程限制器的发展特点是更加适应于现代工业的须要。目前，可编程限制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。在石油、化工、冶金等行业的某些系统中，要求限制装置有极高的牢靠性。假如限制系统发生故障，将会造成停产、原料大量奢侈或设备损坏，给企业造成极大的经济损失。但是仅靠提高限制系统硬件的牢靠性来满意上述要求是远远不够的，因为PLC本身牢靠性的提高是有肯定的限度。运用冗余系统或热备用系统就能够比较有效地解决上述问题。单片机自70年头问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善:1、单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，产品小巧美观，同时系统也更加稳定；2、单片机抗干扰实力加强，使的它更加适合工业限制领域，具有更加广袤的市场前景；3、单片机供应在线编程实力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得珍贵时间；4、在线仿真变的简洁。1.2 现场总线发展它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与限制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。简洁说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-2OmA模拟信号与一般开关量信号的传输C它是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、限制器、执行机构等现场设备间的数字通信以与这些现场限制设备和高级限制系统之间的信息传递问题。主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准二是IndustrialEthernet走向工业限制网络统一、开放的TCP/IPEthernet是20多年来发展最胜利的网络技术，过去始终认为，Ethemet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等很多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在快速得到解决，国内对EPA技术(EthemetfOrProcessAutomation)也取得了很大的进展。随着FFHSE的胜利开发以与PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会特别快速地进入工业限制系统的各级网络。1.3 本课题的探讨意义所谓冗余系统，就是一个具有相同设备功能的备用设备系统。当主设备出现故障时，冗余设备是可以马上运用的替代设备。设备在启停和运行过程中发生危与设备和人身平安的故障时，自动实行爱护和联锁，防止事故的产生和避开事故扩大。从而保证正常启停和平安运行，具有极其重要的意义。通过对设备工作状态和机组运行参数的严密监视，发生异样时,与时发出报警信号，必要时自动启动或者切除某些设备或者系统，维持原负荷运行或减负荷运行直至平安退出运行。因此可以说，冗余系统是工业限制系统中不行或缺的组成部分。冗余系统是通过发生中断的单元自动切换到备用单元的方法实现系统的不中断工作，通过部分的冗余实现系统的高牢靠性。冗余限制系统能给很多的工业生产中能供应一个更高的牢靠性。因此，了解和驾驭冗余限制系统的限制方法并设计相应的显示单元很有意义，且有利于了解相关限制的原理和方法。试验过程中需熟识冗余系统的限制原理与方案、PLC软件编程、I/O安排、限制对象的调试、单片机显示系统的设计方法等多个任务。冗余的实现方式是同时采纳两台限制器ControlLogix5550,其中一台为主机，另一台作为系统的备份，为副机，正常状况下由主机限制整个系统，副机保持与主机通讯，监控主机的运行状态。当副机监视到主机的运行故障的时候，马上运行切换程序，将限制权转到副机，而当主机的故障复原之后，则限制权重新交还给主机。1.4 探讨内容(1)依据要求，检索资料，拟定设计方案。(2)依据设计方案，确定基于PLC的冗余限制系统硬件设计方法。(3)熟识冗余限制对象的运用方法。(4)显示单元硬件设计(5)编写梯形图与显示单元的软件程序。(6)系统总体联调。(7)完成课题相关的英语资料翻译。(8)完成规定字数的毕业设计说明书。整体结构从限制器须要与主限制器相同的工程以便接替其限制。同时，也须要最新的标签数据。交叉加载：主限制器中的部分或全部内容传送到从限制器。可以更新标签值,在线编辑或工程的其它信息。交叉加载最初发生在两限制器同步的时刻，然后在限制器执行其逻辑过程中反复运行。同步：从限制器做好一旦主机架发生故障，马上接替其限制的打算。在同步期间，1757-SRM模块检查在冗余机架上的对等方模块是否兼容。SRM模块也供应将主限制器内容交叉加载到从限制器的路径。同步发生在用户打开从机架的电源后。它也发生在其它时刻。取消资格：表示从限制器与主限制器同步失败。假如从限制器的资格被取消,它无法限制机器和过程。用户可以手动选择取消从限制器的资格。ControlLogix系统采纳了基于“生产者/消费者”的通讯模式，为用户供应了高性能、高牢靠性、配置敏捷的分布式限制解决方案。ContrOlLogiX系统实现了离散、过程、运动三种不同限制类型的集成，能够支持以太网、ContrOINet限制网和DeviceNet设备网，并可实现信息在三层网络之间的无缝传递。因而，ControlLogix被广泛地应用于各种限制系统。构建ControlLogix冗余系统的核心部件是处理器和1757-SRM冗余模块。目前，有1756-L55系列处理器模块支持冗余功能，其内存容量从750KB到7.5MB不等。1757-SRM冗余模块是实现冗余功能的关键。如图Ll所示,在冗余系统中，处理器模块和1757-SRM冗余模块处于同一机架内。为了避开受到外界电磁干扰，提高数据传输速度，两个机架的1757-SRM模块通过光纤交换同步数据。全部的I/O模块通过ControlNet限制网与主、从限制器机架内的1756-CNB(R)限制网通讯模块相连接。主处理器机架从处理机柒图1.1冗余系统结构Fig. 1.1 Redundantsystemstructure以往的冗余系统通常须要用户编制困难的程序对处理器状态进行推断，在两个处理器之间传输同步数据并实现I/O限制权的切换，两个处理器中的程序也各不相同，这使得冗余系统本身的建立和维护工作特别繁琐。通过1757-SRM冗余模块，不须要任何编程就可以实现冗余功能，还可以便利地使主、从处理器内的程序保持一样，用户对主处理器程序的修改可自动同步到从处理器。主、从处理器所处机架内的1756-CNB(R)限制网通讯模块地址各不一样。当主处理器出现故障后，从处理器接管限制系统，相对应的限制网通讯模块之间相互交换地址，从而不影响其它限制器和上位机与该冗余系统的通讯。冗余的功能划分冗余分为：工作冗余和后备冗余。工作冗余是一种两个或以上的单元并行工作的并联模型。平常，由各处单元平均负担工作，因此工作实力有冗余。后备冗余是平常只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。硬件结构设计1.硬件结构设计硬件设计实行双机架冗余系统，系统结构如图12所示，尽管系统增加机架和CNB模块的数量，但由于CPU分别插在两个分别的机架上，使其适用于系统掉电或通讯模块出现故障的状况，弥补了单机架结构的不足。图1.2双机架冗余系统Fig. 1.2 Doublerackredundant在系统运行中,假如出现下列状况,单机架系统存在着不足：(1)机架断电：由于两个CPU都插在同一个背版上,导致机架断电时,两个CPU也同时断电,都无法正常工作,也都无法对输出模块进行限制(2)通讯模块出现故障：由于一个机架上的两块CPU都必需和本地的CNB模块相连,导致CNB模块出现故障后,两块CPU同时无法与ControlNet相连,也就造成了通讯的彻底瘫痪。所以双机架结构的应用就避开了当上述状况发生时,整个冗余系统的运行不畅此外,应用双机架系统还可以为真正的硬件冗余系统作好铺垫2.1/0配置假如运用双机架，输入模块和输出模块分开放置。这样的放置，削减了在切换过程中梯形图的数量。因为一个限制器一次只能拥有一个输出模块，梯形图将禁止或不禁止它和输出模块的连接。假如把输出模块放置在全部权机架上，在远程机架上可以禁止或不禁止与通讯模块的连接，从而禁止或不禁止整个机架。假如把输入模块和输出模块放置在同一机架上，我们只有进入梯形图来禁止或不禁止在机架上的每个输出模块。3.电缆假如一个电力系统包含继电器和被限制限制的输出模块的连接，在切换输出模块限制权的时候将会重置，继电器将会掉电，恳求手动重新运行。(1)电力系统必需保证在发生切换时继电器不会被重置。(2)在任何状况下，都能够在仅有一台限制器运行的状况下启动系统显示单元设计图L4遮光叶片(1)光电传感器是应用特别广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当放射管光照耀到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图13所示，当不透光的物体拦住放射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图L4所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图1.3光电传感器的原理图Fig.1.3SchematicofphotoelectricsensorFig.1.4Theshadingleaf(2)计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，依据设计要求每一秒种都必需对计数器清零一次，因为电路实行秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解决了数码显示的逻辑混乱，而且避开了数码显示的闪耀问题。(3)对于脉冲记数，有测周和测频的方式。测周电路的测量精度主要受电路系统的脉冲产生电路的影响，对于低频率信号，其精度较高。测频电路其对于正负一的信号差比较敏感，对于低频率信号的测量误差较大，但是本电路仍旧采纳测频方式，缘由是本电路对于马达电机转速精度要求较低，本电路还有升级为频率计运用，而测频方式对高频的精度还是很高的。(4)显示电路采纳静态显示方法，由于静态显示易于制作和调试，原理也较简洁，所需元易于购买。(5)电路时钟是整个电路的关键，他是整个电路有效工作的核心，负责电路的锁存和清零。其基本思路是：产生频率一秒是时钟，当秒时钟到来时，既上升沿到来时，对锁存电路进行锁存，锁存以后才能对计数器进行清零，锁存和清零间隔要充分小，否则就影响电路的计数精确度。鉴于此，对锁存集成必需采纳边沿触发形式的集成，并且计数器应当与锁存同步工作，既都在秒时钟的上升沿触发工作。另外大多的译码器都带有锁存功能，但是他的锁存方式基本上都是电平触发，若设计成电平触发的话，势必会增加电路的困难度，还不如干脆采纳边沿琐存的单集成，所以不运用译码器中的锁存电路。时钟实现方法很多，本电路采纳晶振电路，已求得高精度的时钟需求。实现将其中一台ControlLogix限制器断电，经过若干脉冲后，另一台限制器在设定的时间内启动，负载电机顺当过渡到副机限制，通过波形分析可知，在这个过渡过程中，电机抖动在合理的范围内。其次章冗余硬件设计2.1PLC简介“可编程限制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采纳一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,依次限制，定时，计数与算术操作等面对用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出限制各种类型的机械或生产过程。可编程限制器与其有关外部设备，都按易于与工业限制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程限制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动实力。但可编程限制器产品并不针对某一详细工业应用，在实际应用时，其硬件需依据实际须要进行选用配置,其软件需依据限制要求进行设计编制。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的快速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也快速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1 .早期的PLC（60年头末一70年头中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑限制器。这时的PLC多少有点继电器限制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的依次限制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业限制现场的要求。装置中的器件主要采纳分立元件和中小规模集成电路，存储器采纳磁芯存储器。另外还实行了一些措施，以提高其抗干扰的实力。在软件编程上，采纳广袤电气工程技术人员所熟识的继电器限制线路的方式一梯形图。因此,早期的PLC的性能要优于继电器限制装置，其优点包括简洁易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复运用等。其中PLC特有的编程语言一梯形图始终沿用至今。2 .中期的PLC（70年头中期一80年头中，后期）在70年头，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变更。美国，日本，德国等一些厂家先后起先采纳微处理器作为PLC的中心处理单元（CPU）。这样，使PLC得功能大大增加。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特别功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加,还供应了肯定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。3 .近期的PLC(80年头中、后期至今)进入80年头中、后期，由于超大规模集成电路技术的快速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采纳的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变更。2.2PLC在冗余系统中PLC冗余可以分为：软件冗余和硬件冗余。硬件冗余对硬件型号有所要求，连接方式也不同，但对软件并无特别要求。在工业自动化系统中大量选用可编程逻辑限制器(PLC)作为限制器，随着技术的发展又组建冗余系统进一步提高系统的牢靠性。目前冗余的分类方式很多，而采纳PLC冗余方式的有两种，即软冗余和硬亢余。西门子公司在软、硬冗余两方面均给出了解决方案。而基于硬冗余的牢靠性高，但构建系统成本也较高。而基于S7-300或S7400的软冗余是一种成本低又能提高牢靠性的方案。目前，软冗余系统已经在冶金、交通、电力、化工、污水处理等工业限制工程中得到了较广泛的应用。但是对于软冗余的性能仍没有进行系统的探讨。硬冗余系统的冗余结构确保了任何时候的系统牢靠性，例如全部的重要部件都是冗余配置。这包括了冗余的CPU、供电模件和用于冗余CPU通信的同步模块。依据特定的自动化限制过程须要，还可以配置冗余客户服务器、冗余通讯介质、冗余接口模件IM153-2等。硬冗余系统能够：(1)平滑的主从切换(2)自动事务同步(3)集成的借误识别和错误定位功能(4)操作期间可对系统进行修改(5)类似标准CPU的在线编程(6)下载程序时，只考虑单个CPU,程序可自动拷贝到另一个CPU中。(7)CPU修复后自动再进入。(8)运行中全部部件可更换。软冗余实现原理：系统运行过程中两个CPU同时启动和运行，但是在正常运行时只有主CPU发出限制吩咐，而备用CPU检测主CPU状态和记录主CPU发出的吩咐，当主CPU发生故障时能够持续当时的实际状态接替主CPU发出执行吩咐。与主CPU通信的IM1532模块处于激活状态时主CPU能访问I/O模块。当系统发生特定故障时，系统可以实现主备切换，备站接替主站接着运行。2.3硬件冗余硬件冗余(图2.1)*4UKr57-san图2.1硬件冗余Fig.2.1HardwareRedundancy两个互为冗余的限制站配置必需完全相同（图2.1中的主/从机架），冗余功能是依靠双槽冗余模块1757-SRM实现。当主限制器失效时,从限制器在100ms内接替主限制器，主从限制器的同步对用户来说是完全透亮的，冗余模块之间通过2根1米长的光缆（62.525m多模光纤，Se连接）连接起来。冗余功能的设置（图2.2）:1757-SRM：Auto-Synchronization自动同步设置为AIWayS（保持）ControllerProperties：RedundancyMttfi>Enabled（允许）图2.2中，每一个I/O远程机架配置一组1756-PAR2冗余电源（每组冗余电源由两个1756-PA75R电源模块，两根1756-CPR电缆和一个1756-PSCA适配器构成）。它们分别由两路不同的系统供电，当任一路供电系统故障时，另一路仍保持供电，因此可以确保I/O机架供电不间断C图2.2冗余设置Fig.2.2SetRedundancy图2.3冗余通道Fig.2.3Redundantchannel集成过程限制系统的限制层是COntrOINet,它是罗克韦尔自动化NetLinx开放网络架构三层(EtherNet/IP、ControlNet>DeviceNet)网络之一，满意IEC61158国际工业现场总线标准。图1中1756-CNBR是COntrOINet通信模块，它有两个冗余的网络通道：A通道和B通道（图2.3）,使限制信息实现冗余。传送速率达5Mbps,传送介质是75阻抗的1786-RG6同轴电缆，通过BNC连接器与COntrOlNet总线相连。留意：A、B通道不能交叉；冗余链路两边的介质必需相同。信息层网络冗余集成过程限制系统的信息层是EtherNet/IP,图2.3中1756-ENBT是EtherNet/IP通信模块，通过工业以太网交换机将信息传送到上层监控管理中心。冗余功能通过光纤环网实现。服务器冗余采纳主/从服务器结构。当主服务器出现故障时，从服务器自动转为主服务器，供应与限制器/RTU的通信、数据采集等功能，并为其他操作站供应服务。主服务器定时将数据库中的全部数据信息传送到从服务器，以确保主从服务器之间的完全同步。2.4冗余系统的原理与过程可编程限制器一个工作周期内的主要任务有：内务整理、扫描输入映像表、执行程序、更新输出映像表。COntrOlLogiX限制器在冗余系统中，主处理器执行完程序之后，将全部输出指令的结果传送给从限制器。由于COntrOILOgiX系统全部的I/O设备都在限制网内，依据其自有的“生产者/消费者”通讯模式，从处理器作为一个“消费者”可以与主处理器具有一样的地位，获得I/O的输入信息。这样，确保了主、从限制器内输入、输出映像表的一样。如图2.4所示，在正常状况下，程序执行到位置1时，主处理器将具有较高优先权任务和前一段一般任务的执行结果分先后传送给从处理器，然后程序返回到位置2,接着执行剩下的一般任务。位置3时，全部任务已经完成，主处理器将执行结果传送给从处理器。假如在执行某个任务时，主处理器出现故障，如图2.4所示。这时，从处理器便会接替主处理器，重新执行出现故障时的那段任务。可见，这时从处理器运用的输出映像表数据来自于主处理器上一个工作周期的执行结果。暂时中断低级别任务.图2.4正常状况下主处理器程序执行过程Fig. 2.4 Innormalconditionhostprocessorprocedureimplementation高级别任务主货理器从处理器图2.5主从处理器之间的切换过程Fig. 2.5 Hostsfromprocessorcutprocess如图2.5可见，在冗余系统的切换过程中，没有出现数据的丢失和突变，处理器内部无需执行繁杂的推断决策程序，实现了系统的无扰切换。当主机架的任一组件发生故障，限制权切换到从限制器。下列缘由会引起切换：1.主机架中发生下列状况之一：(1)掉电(2)限制器产生主要故障(3)主机架中的任一模块被拔掉、安装或出错(4)折断或断开COntrOINet分接头或以太网电缆2 .主限制器发出吩咐3 .RSLinx软件发出吩咐依据用户对RSLogix5000工程的组织方法不同，在切换期间，输出状态可能会发生变更：(1)输出优先级任务限制的输出可能会变更状态。热备系统的切换时间由故障类型和ControlNet网络的网络刷新时间(NUT)确定。假如一个NUT为Ioms,切换时间大约从80ms到220ms。(2)在切换期间，优先级最高的任务限制的输出将无扰切换。2.5基于COntrOlnet的PLC冗余系统硬件设计无论单机架还是双机架，都采纳RSLogiX5000对系统进行编程。软件程序都是大致相同的。程序的主要思路是：两块CPU同时在线运行，一块处于主限制模式，另一块处于热备模式。拥有主限制权的CPU具有输出限制权，而热备CPU输出被禁止.两个CPU模块相互监视对方的运行状态和通讯状况，一旦发觉主CPU出现故障，马上由主CPU自行禁止或由从CPU通过MASSAGE指令传送特定的数组代码来禁止主CPU的对外限制权(视主CPU的错误类别定)，定时一段时间以后，热备CPU模块获得主限制权。两个CPU程序完全相同，只需更正各自程序中对方的处理器名即可。须要留意的是：为保证系统的无扰切换，在限制权转移之前，主限制器对于输入输出状态的变更必需能实时地通知给从限制器。第三章显示单元总体方案设计3.1系统分析给直流电机加载直流电，电机就会转动。变更电压的正负可以变更电机的转动方向，电压为正时电机正转，电压为负时电机反转；变更电压的凹凸可以变更电机的转速，电压高则转动速度快，电压低则转动速度慢。转速是工程上的一个常用参数。转速通常以每秒种或每分钟的转数来表示，因此单位为r/s或rmi11o有时也用角速度表示，这时的单位相应为radso单片机能够处理二进制数字信号，而电机的转速是物理量，非电量信号，须要中间电路把转速转换成单片机可以处理的信号。传感器是把外界信号转换成电信号的器件，是检测和限制系统中最关键的部分，在当代科学技术中，传感器占据了与其重要的地位。目前，集成技术在传感器技术中的胜利应用，使传感器小型化、长寿命和低成本，是现代传感器的发展方向之一。电机转速测量脉冲信号的获得1.霍尔传感器霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020>CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相像，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，运用特别便利。如图3.1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc,地，输出。运用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简洁，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。假如在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周,获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要留意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，假如没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。图3.1CS3020外形图Fig.3.1CS3020Outline2.光电传感器光电传感器是应用特别广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当放射管光照耀到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图3.2所示，当不透光的物体拦住放射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图3.3所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。字城U图3.2光电传感器的原理图Fig.3.2SchematicdiagramofphotoelectricsensorFig. 3.3 图3.3遮光叶片Fig. 3.4 1.eafShading3.光电编码器光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等须要检测角度的装置和设备中。如图3.4所示，是某光电编码器的外形。图3.4成品光电编码器Fig. 3.5 Finishedopticalencoder电机转速的处理数据处理部分采纳Intel公司MCS-51系列单片机单片机。电机转速的显示显示部分采纳4位七段数码管，可以显示09999范围内的数字。3.2系统构成测速系统总体结构如图3.5所示，主要包括红外测速传感器（由红外放射与接收电路和齿盘组成）、信号处理电路、单片机以与数字显示部分。其工作过程如下：当齿回旋转时，由于轮齿的遮挡，红外放射管与接收管之间的红外线光路时断时续，信号处理电路将此变更的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过一个齿。单片机对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收肯定数目的脉冲计时，依据脉冲数目与所用时间就可计算出齿盘的转速，最终通过数字显示部分将转速显示出来。图3.5测速系统总体结构Fig.3.5Thevelocitystructureofthewholesystem3.3测速系统原理框图图3.6测速系统原理框图Fig.3.6Schematicdiagramofmeasurementsystem第四章显示单元硬件设计系统全部采纳RockwellAutomation公司的软硬件，硬件包括两台ControlLogix5550限制器、限制开关、1305变频器以与DeViCeNet与ContrOlNet接口适配器。软件有组态软件RSLinx和RSNetworx,以与对ControlLOgiX5550进行编程的RSLogiX5000。在连接好网络之后，运用上述软件对DeViCeNet下的设备网设备进行组态，然后进行编程调试，即可完成对系统的实现。系统采纳了CPU冗余的实现方案，即由两个CPU同时限制被控对象，两台限制器分别监视对方的工作状态，以便在须要的时候快速做出切换。系统中的被控对象主要是以三相异步电动机为负载的1305变频调速器。由于程序的不稳定性，CPU运行错误造成故障的可能性要远比由硬件损坏造成故障的可能性要大，因而本例中采纳双PLC单总线的结构，两台限制器均为CorltrOlLOgiX5550,以下简称PLCl和PLC2,在编程时对两台限制器分别写入程序，两台限制器中的程序是完全对称的。参照图4.1,以节点14的限制开关限制终端的起停，节点06、60代表两台PLC,节点17是驱动三相异步电动机的变频调速器ACDriVerl305。图4.1系统网络节点Fig.4.1Systemnetworknode扫描模块1756-DNB是设备与限制器ControlLogix5550之间的通信接口。它通过网络与DeViCeNet的现场设备进行通信，即从设备读入数据、输出数据到设备、下载组态数据和监视设备的运行状态。工作时,1756-DNB以肯定的方式依次扫描各个设备，对其参数进行采集，并将采集到的数据映射到扫描器中与扫描方式相对应的数据缓冲区，再转换成ControlLogix5550能接受的数据格式供限制器读取，这样就可以将现场总线中各设备的实时信息反馈到限制器，以便依据程序做出相应的反应。数据经COntroILOgiX5550处理之后，送到扫描器的与扫描方式相对应的输出数据缓冲区，转换为各设备可以接受的数据格式，输出到各设备，从而对其工作进行限制。由此可见，PLC限制器只须要读入、输出规定格式的数据，特地负责数据处理；而数据的采集、发送、缓冲和格式转换由扫描器完成，COntrOILogiX5550和1756-DNB并行工作也使得限制器的输出对输入的响应时间缩短，有利于实现实时闭环限制。这样即便是像PlD指令这种对实时性要求较高的操作也可以收到良好的效果。4.1单片机简介单片机是一种集成电路芯片。它采纳超大规模技术将具有数据处理实力的微处理器（CPU）、存储器（含程序存储器RoM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路（I/O接口）集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的限制下能精确、快速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业限制所要求的智能化限制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有开发前,它只是具备功能极强的超大规模集成电路，假如对它进行应用开发，它便是一个小型的微型计算机限制系统，但它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区分。单片机的应用属于芯片级应用，须要用户（单片机学习者与运用者）了解单片机芯片的结构和指令系统以与其它集成电路应用技术和系统设计所须要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要运用某种单片机，必需了解该型产品是否满意须要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、限制特性和电气特性等等，这些信息须要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟识的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性与对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容与可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）与硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，驾驭其结构特征和技术特征是必需的。单片机限制系统能够取代以前利用困难电子线路或数字电路构成的限制系统，可以以软件限制来实现，并能够实现智能化，现在单片机限制范畴无所不在,例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程限制和专用限制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。因为单片机工作电源为+5V,且底层电路功耗很小。采纳7805三端稳压片即可满意要求。详细电路图如下:J121U1COM2图4.2电源电路图Fig.4.2Powercircuitdiagram4.3转速测量电路红外发光二极管或称电/光二级管SE303（白色），出红外光（近红外线约0.93m）。管压降约1.4V,工作电流一般小于20mA,外形尺寸:5mm。红外接收二极管或称光/电二级管（黑色）品牌:金威型号:PD5308B-B工作电压:1.4-1.6波长:940工作电流:20接收距离:10-12外形尺寸:5mm。红外接收二极管工作在反向状态，当没有接收到红外发光二极管的光信号时,二极管截至，负级输出低电平。当接受到红外发光二极管的光信号时，二极管导通，负极输出高电平。能正常接受到红外发光二极管的光信号的距离也许为34米，这取决于放射管的放射功率。实物图片与原理图如下：图4.3红外发光二极管实物图Fig. 4.3 Infraredlightemittingdiodephysicalmap红外发光二极管¾2红外接收二极管图4.4工作原理图Fig. 4.4 Theprinciplediagram实际焊接电路如下:图4.5红外发光二极管焊接电路Fig. 4.5 Infrared light emitting diode welding circuit电路核心由一个光电开关管组成，平常电机转轮静止，发光二极管所发出的光被轮子拦住，所以接收管处于截止状态，1端为高电平。当电机转动一圈，会使接收管导通一次，1端输出一个低电平，1端波形为：zWV图4.61端的输出波形图Fig. 4.6 Onetheendoftheoutputwaveform在实际电机工作状态中，会受到各方面的干扰，波形会存在很多杂波成分，须要对波形进行处理，处理成符合记计数器所须要的矩型波。波形处理电路有一个三极管组成，如上图。当输入电压逐步上升时，红外接收管收到红外发光二极管发出的光时导通，三极管就不导通，输出高电平；当红外接收管没有接到红外发光二极管发出的光时截止，三极管导通。这样就有效的防止了杂波的干扰，并使输出得到矩形脉冲，符合了下级计数的需求。工作波形如下:图4.7经处理电路后的输出波形图Fig. 4.7 Afterprocessedbycircuitoutputwaveform4.4系统硬件设计依据红外测速的原理，系统的电路设计如图4.8所示。I土-HM ;图4,8红外测速系统总设计图Fig.4.8Infraredsystemdesign本系统采纳AT89C52单片机，它是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的Flash程序存储器和256B的随机数据存储器（RAM）,器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MS-51指令系统与8052产品引脚兼容，片内置有8位中心处理器（CPU）o功能强大的AT89C52单片机适用于很多较为困难的限制应用场合。IiOl电路中选用红外光敏二极管作为受光器件，它与红外发光二极管一起组成一对红外放射接收管，红外光敏二极管在电路中处于反向工作状态。没有光照耀时,光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。随着光照的增加，光敏二极管处于导通状态，其反