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如何實現(xiàn)用PLC采集高于其高速計數(shù)器最高計數(shù)頻率的脈沖數(shù)據(jù)的探討

2011/12/20 13:22:16

如何實現(xiàn)用PLC采集高于其高速計數(shù)器最高計數(shù)頻率的脈沖數(shù)據(jù)的探討

目前的PLC 其內(nèi)部都含有高速計數(shù)器，其最高計數(shù)頻率為50KHz（一般均為10KHz或20KHz）以下，對高于其最高頻響的輸入脈沖，PLC的高速計數(shù)器就無能為力了。那么對高于其最高頻響的輸入脈沖，用PLC能否進行數(shù)據(jù)采樣呢？答案是可以的，但必須要借助于硬件電路方可實現(xiàn)。下面將介紹如何用硬件配合PLC編程，來實現(xiàn)對高于PLC的高速計數(shù)器的最高頻響的輸入脈沖進行數(shù)據(jù)采集的方法。

數(shù)據(jù)采集通常有二種方式：1、定時計數(shù)采集數(shù)據(jù)。比如輸入一脈寬=10毫秒的方波脈沖，在此10毫秒方波脈寬內(nèi)計數(shù)器由0開始計數(shù)，方波結束后計數(shù)器停止計數(shù)，其方波后沿讀取計數(shù)值的采集方式。2、等間隔連續(xù)采集數(shù)據(jù)。比如對正在計數(shù)中的計數(shù)器每隔0.1秒讀取一次計數(shù)值的采集方式。下面將分別介紹這二種數(shù)據(jù)采集的實施方案：

一、 用硬件計數(shù)器配合PLC高速計數(shù)器進行等間隔定時計數(shù)的數(shù)據(jù)采集

圖一為用硬件計數(shù)器配合PLC高速計數(shù)器進行定時計數(shù)采集數(shù)據(jù)的硬件電路圖，

（一）、硬件電路圖工作原理解析

圖一中的JI輸入接口：其1腳接 JM 脈沖即為高頻計數(shù)脈沖；3腳接 KM 控制即

為計數(shù)控制門信號。U1A（4520）為4位二進制計數(shù)器，U1A 中的EN點為計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入端，其計數(shù)脈沖的下跳沿計數(shù)有效。U1A 中的Q0~Q3為U1A數(shù)據(jù)輸出端，分別代表1、2、4、8，其4位組合輸出代表計數(shù)器的計數(shù)值。如輸出代碼為：1001，其輸出數(shù)為：8+1=9。 U2（4042）為4D鎖存器，其4個數(shù)據(jù)輸入端（D0~D3）分別連接U1A的4個輸出端（Q0~Q3），當給U2的CLK輸入一觸發(fā)脈沖，其脈沖的正跳沿，將D0~D3數(shù)據(jù)分別存入U2的Q0~Q3端，U3(1413)輸出為OC門形式的7路反向器集成塊，取其4路與U2的Q0~Q3相連，U3對應的輸出端分別連接1K電阻，去接U4（內(nèi)含4個光電耦合器件的集成塊）的光電二極管的負極，其正極接+12v。U4的光敏三極管的集電極接PLC輸入側的24V電源的正極，而發(fā)射極分別接PLC的輸入端（I20.~I2.3）。U4在這里起二個作用：1、對輸入與輸出信號起光電隔離作用。2、電平轉換作用（輸入側為12V電平變化，輸出側為24V電平變化）。

以U1A的Q0端為例：如Q0=0，當給U2的CLK端輸入一正脈沖，其前沿觸發(fā)U2，

使U2的Q0=0，輸入給U3的6腳，使該反相器截止，其輸出（U3的11腳）電流=0，即使U4的1-2腳間的發(fā)光二極管斷路而不發(fā)光，其對應的15、16腳間的光敏三極管因無光照而阻斷，即使PLC的I2.0=0。如Q0=1，當給U2的 CLK端輸入一正脈沖，其前沿觸發(fā)U2，使U2的Q0=1，輸入給U3的6腳，使該路反相器導通，其輸出（U3的11腳）電流=（12-2）÷1K=10ma，使U4的1-2腳間的發(fā)光二極管導通而發(fā)光，使對應的15、16腳間的光敏三極管因受光照而飽和導通，將+24V電壓加在PLC的I2.0上，即使PLC的I2.0=1。

就是說，當給U2的CLK端輸入一正脈沖，其脈沖前沿觸發(fā)U2，使U1A的Q0~Q3

數(shù)據(jù)通過U2的D0~D3,鎖存在U2的Q0~Q3里。再通過U3、U4電平轉換，將U1A計數(shù)器的計數(shù)結果傳送到PLC的I2.0~I2.3端。即PLC的輸入口接收到此時刻該計數(shù)值的最低4位數(shù)數(shù)據(jù)。

U2的CLK端輸入的正脈沖信號，來自于U6C的輸出腳（10），當U6B輸出的正方

波（即計數(shù)門脈沖）的后沿負跳變觸發(fā)由U6C、U6D組成的單穩(wěn)態(tài)，U6C的10腳立刻產(chǎn)生脈寬=5ms的正方波，此方波的前沿觸發(fā)U2的CLK端使之鎖存數(shù)據(jù)，同時通過U5-3輸入給I0.5， I0.5的前沿令PLC立即讀取HC1值。

在用PLC作定時采集數(shù)據(jù)時，其KM 控制信號保持置1（即不輸入控制信號），由Q1.0每隔一定時間（如0.1秒）發(fā)出一個負脈沖。經(jīng)U6B反相輸出為正脈沖，使U6A-1腳為1（控制門打開），JM 脈沖通過U6A觸發(fā)U1A的EN端，使其計數(shù)。

Q1.1為復位信號，是由PLC發(fā)出的指令，它經(jīng)過U5-1的電位轉換，變24V幅度為12V幅度的脈沖，輸入給U1A的7腳復位端R，當復位端電壓=1時，復位有效，使U1A的Q0~Q3皆為0，且使U1A停止計數(shù)。當該復位端電壓=0時，復位失效，容許U1A計數(shù)。Q1.1同時又輸入給I1.0，即PLC的高速計數(shù)器的復位端，I1.0=1復位有效，當I1.0=0時，容許高速計數(shù)器計數(shù)。

圖中PLC的I0.6為其高速計數(shù)器的計數(shù)輸入端，其信號來自U1A的輸出端D4，即

16分頻輸出端。如U1A的計數(shù)輸入脈沖頻率為100KHz，經(jīng)U1A計數(shù)分頻，由D4輸出的脈沖頻率為：100K÷16=6.25K，低于高速計數(shù)器的最高計數(shù)脈沖頻率。由它輸入給I0.6高速計數(shù)器的計數(shù)輸入口，故高速計數(shù)器可正常計數(shù)。這種硬件電路只用一級4位二進制計數(shù)器，故最高計數(shù)頻率應小于 16×PLC的高速計數(shù)器的最高計數(shù)頻率。如PLC的高速計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為20KHz，則容許最高計數(shù)頻率為320KHz。

當測量某一脈沖寬度時，或定時采樣的計數(shù)時間要求小于毫秒級時（用PLC的I/O口是無法勝任這樣極窄的定時計數(shù)的控制的），應選用KM 控制信號作計數(shù)器的計數(shù)控制門。

在此用硬件控制門控制計數(shù)采樣的方式下，PLC在開機的第一個掃描周期將Q1.0置1，且使SM0.1=Q1.1將U1A清0，隨后Q1.1保持置0， KM 控制端在沒有正方波輸入時，其電位為高電位，故使U6A的1腳輸出電壓=0，U1A不計數(shù)。當輸入給KM 控制端一負方波信號時，其U6B輸出為1， JM 脈沖將通過U6A觸發(fā)U1A的EN端，使U1A計數(shù)，且每計完16個脈沖，由U1A的Q3通過U3與U5-4輸入到高速計數(shù)器的計數(shù)端(I0.6)使高速計數(shù)器加1計數(shù)。

當KM 控制端輸入的負方波結束時，U6A的1腳電壓=0，U1A停止計數(shù)。PLC高速計數(shù)器必然也停止計數(shù)。KM 控制端輸入負方波的后沿經(jīng)U6B倒相變?yōu)樨撎儯|發(fā)由U6C、U6D組成的單穩(wěn)態(tài)，使之產(chǎn)生5mS的正方波輸入到I0.5， I0.5=1的前沿讀取HC1值，再延時1ms 輸出給Q1.1、I1.0一脈沖信號，使U1A與高速計數(shù)器清0，為下一次計數(shù)做準備。

（二）、用PLC進行等間隔定時計數(shù)的采集數(shù)據(jù)的編程

初始狀態(tài)為：將圖一硬件電路中的KM 控制端保持高電位（+12V），Q1.0輸出為1，使圖中的U6B輸出為0，即停止計數(shù)（使JM 脈沖不能通過U6A加在U1A的EN計數(shù)端）。

PLC編程：在第一個掃描周期使Q1.1=1(即SM0.1=Q1.1)，將計數(shù)器清0，之后Q1.1復位。PLC采用每間隔0.1秒產(chǎn)生一次時間中斷，使Q1.0=0，即容許計數(shù)器從0開始加計數(shù)，延時10毫秒，Q1.0輸出=1，經(jīng)U6B倒相，使U6A 的1腳為0，U1A停止計數(shù)，U6A 的1腳由1↓0，觸發(fā)由U6C、U6D組成的單穩(wěn)態(tài)，使之產(chǎn)生5ms正方波送到U2的CLK與I0.5，該脈沖前沿讀取計數(shù)器的數(shù)據(jù)，且整理送入VW100中，該脈沖的后沿，使Q1.1輸出一正方波，將計數(shù)器清0。詳見以下梯形圖即注解：

1、主程序：

2、子程序SBR-0:

3、中斷初始化程序：

4、中斷子程序：

（三）、由硬件提供定時計數(shù)控制門的PLC編程

PLC在開機的第一個掃描周期將Q1.0置1，且使SM0.1=Q1.1將U1A清0，隨后Q1.1保持置0， KM 控制端在沒有負方波輸入時，其電位為高電位，故使U6A的1腳電壓=0（即U6A關門無脈沖信號輸出），U1A不計數(shù)。當輸入給KM 控制端一負方波信號時，其U6B輸出為1， JM 脈沖將通過U6A觸發(fā)U1A的EN端，使U1A計數(shù)，且每計完16個脈沖，由U2的Q3通過U3與U5-4輸入到高速計數(shù)器的計數(shù)端(I0.6)使高速計數(shù)器加1。

當KM 控制端輸入的負方波結束時，U6A關門，U1A停止計數(shù)。PLC高速計數(shù)器必然也停止計數(shù)。KM 控制端輸入負方波的后沿經(jīng)U6B倒相變?yōu)樨撎儯|發(fā)由U6C、U6D組成的單穩(wěn)態(tài)，使之產(chǎn)生正方波輸入到I0.5，PLC在 I0.5=1的前沿讀取高速計數(shù)器的計數(shù)值HC1，經(jīng)整理送入VW100。其后沿延時1ms輸出給Q1.1、I1.0一正脈沖，使U1A與高速計數(shù)器清0，為下一次計數(shù)做準備。詳見梯形圖：

SBR_0 子程序

二、 用硬件計數(shù)器配合PLC編程進行等間隔讀取計數(shù)值的數(shù)據(jù)采集

由于PLC I/O口的動作相應時間比硬件電路的動作時間有所滯后，故采用如圖一所

示的用硬件計數(shù)器與PLC高速計數(shù)器配合使用進行等間隔讀取計數(shù)值的采集方法是會產(chǎn)生取值錯誤的，因為無論是硬件還是PLC發(fā)出讀取命令，其硬件計數(shù)器與PLC讀取的數(shù)值從時間上總是不為同時刻的計數(shù)值，造成采集數(shù)據(jù)不準確。為了使讀數(shù)正確，計數(shù)器應全部選用硬件計數(shù)器而不用PLC高速計數(shù)器。見圖二：選用4個四位二進制硬件計數(shù)器（4520）組成16位二進制計數(shù)器。

（一）、電路說明：

圖二為全硬件計數(shù)器的數(shù)據(jù)采集電路圖，它既適用于連續(xù)讀取計數(shù)值的采集方式，也適用于定時計數(shù)的采樣方式。

圖中U7A與非門，其二個輸入：1、F 為高數(shù)計數(shù)脈沖，可適用于10MHz以下的頻率脈沖。2、K 為計數(shù)控制門信號，K為0時禁止計數(shù)脈沖通過U7A（即關門），K為1時容許計數(shù)脈沖通過U7A（即開門）。在連續(xù)讀取計數(shù)值的工作方式下，K保持置1。在定時計數(shù)方式下，K輸入為正方波信號，在正方波寬度內(nèi)，U7A門打開，容許計數(shù)器從0開始計數(shù)。正方波結束使U7A門的2腳電壓=0（即關閉），計數(shù)停止。該方波的后沿負跳變觸發(fā)由U7C、U7D組成的單穩(wěn)態(tài)電路，使U7C的10腳輸出一正脈沖經(jīng)U6-3電平轉換，輸入給I1.0 (讀取數(shù)據(jù))。

U1、U2為雙4位2進制計數(shù)器（4520），構成16位二進制計數(shù)器，其U71A的計數(shù)端EN接U7A的3腳輸出端。U1、U2的16位的數(shù)據(jù)輸出可以象圖一方式：通過電平轉換直接輸出到PLC的輸入口。但這樣得用3塊7路反向器（1413）和4個內(nèi)含4個光耦器件的集成塊，而且需占用16個PLC輸入口。這樣不僅用件多，而且造價太高，本電路選用2塊4014（并入串出寄存器）和2個光耦器件，通過PLC編程，用串行輸出數(shù)據(jù)的方式將計數(shù)器的高低字節(jié)數(shù)據(jù)同時輸入給PLC的二個輸入口（I1.1、I1.2）。

圖中的Q1.0 為U3、U4的并入鎖存、串行移位的命令信號；Q1.1 為U1、U2計數(shù)器的復位信號；Q1.2為U3、U4 并入與串出方式轉換信號。

（二） 、PLC配合硬件電路進行連續(xù)讀取計數(shù)器計數(shù)值的梯形圖：

（1）、主程序：

（2）、中斷初始化子程序：

(3)、中斷子程序：

（三）、PLC配合硬件電路進行定時采樣編程的梯形圖：

（1）、主程序：

（2）、中斷初始化子程序

（3）、定時采樣中斷子程序：

通過以上對圖一、圖二電路原理的解析及與PLC編程說明，可以看出，用全硬件計數(shù)器進行PLC的數(shù)據(jù)采集，比用硬件計數(shù)器與PLC高速計數(shù)器配合使用進行數(shù)據(jù)采集要更好一些：

1、圖二用COS全硬件計數(shù)器其計數(shù)頻率可高達十幾MHz以上（用TTL會更高），而且可適用于定時計數(shù)與連續(xù)讀取計數(shù)值這二種數(shù)據(jù)采集方式。

2、圖一用硬件計數(shù)器與高速計數(shù)器配合計數(shù)，由于只用一級4位二進制計數(shù)器，就限制了最高計數(shù)頻率為幾百KHz，如再增加一級4位二進制計數(shù)器，PLC的輸入口就得用8位，而且還要增加好多硬件電路，做起來比現(xiàn)在的全硬件計數(shù)器的線路還要復雜，費用也高，而且只適用于定時計數(shù)這一種采樣方式。