基于單片機控制的接近開關在電機轉(zhuǎn)速測量中的應用

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1 引言

在工業(yè)過程實時控制中，連軸器的滑動監(jiān)測和電機轉(zhuǎn)速的檢測是非常重要的，它對電機的安全保護乃至整個裝置的平穩(wěn)運行都有著至關重要的影響。因此，一個具有高分辨率、快捷而準確的監(jiān)測系統(tǒng)是必不可少的。隨著單片機和傳感器技術的不斷推陳出新，特別是高性價比的單片機芯片的涌現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量和控制普遍采用了以單片機和高性能的傳感器為核心組成的數(shù)字化、智能化的系統(tǒng)。本文介紹了一種高精度智能儀表和接近開關傳感器對電機轉(zhuǎn)速進行測量以及對摩擦離合器的同速監(jiān)測。

2 工藝介紹

摩擦離合器是利用摩擦力傳遞扭矩的離合器。接合時，主p從摩擦件在一定壓力下壓緊。主動軸轉(zhuǎn)動時，接合面間產(chǎn)生足夠大的摩擦力，帶動從動軸轉(zhuǎn)動。分離時壓緊力消失，接合面分離，摩擦力隨之消失，從動軸不動。摩擦離合器的工作可分為接合p正常工作和分離三個階段。在接合和分離階段，從動摩擦件的轉(zhuǎn)速低于主動摩擦件，會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，導致工作面發(fā)熱和磨損。在正常轉(zhuǎn)動過程中，要求摩擦面緊密接觸，否則會造成摩擦面損壞，甚至導致生產(chǎn)事故。

現(xiàn)在以煉油廠聚丙烯造粒機為例介紹接近開關在滑動監(jiān)測中的應用。聚丙烯擠壓造粒主電機與螺桿壓縮機連軸之間采用摩擦離合器。在開車過程中，儀表控制電磁閥打開，動力風推動摩擦離合器結(jié)合，主電機(master)帶動螺桿連軸器部分(slave)轉(zhuǎn)動。螺桿壓縮機連軸經(jīng)過變速后直接控制螺桿轉(zhuǎn)速，一般情況下，電機的轉(zhuǎn)速是1000prm/m，螺桿的轉(zhuǎn)速為200prm/m。在正常生產(chǎn)過程中主電機與螺桿壓縮機連軸的同速轉(zhuǎn)動是非常重要的。因此，在摩擦離合器的主電機和螺桿壓縮機連軸部分分別安裝了高精度的儀表，在線監(jiān)測同速狀態(tài)和電機的轉(zhuǎn)速。儀表顯示主電機和螺桿連軸器部分的轉(zhuǎn)速，并把檢測控制信號引入plc，一旦出現(xiàn)滑動，造粒機立刻停機，保護設備安全。儀表安裝如圖1所示。

3 測量原理介紹

3.1 接近開關測量原理介紹

接近開關選用電感式接近開關，電感式接近開關屬于一種有開關量輸出的位置傳感器，它由lc高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。電感式接近開關由三大部分組成：振蕩器、開關電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場。當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸式之檢測目的。檢測原理如圖2。

3.2 轉(zhuǎn)數(shù)測量

在摩擦離合器前后軸上都有兩塊檢測金屬塊，檢測金屬塊也跟著連軸同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)軸的側(cè)面各安裝一個接近開關，當接近開關正對這檢測金屬塊時，接近開關輸出側(cè)發(fā)出脈沖翻轉(zhuǎn)信號，電機的轉(zhuǎn)速與脈沖周期成反比，脈沖方波信號周期越長，轉(zhuǎn)速越慢。周期與電機的轉(zhuǎn)速有以下關系：

式中：n為電機轉(zhuǎn)速;p為電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù);t為輸出方波信號周期。根據(jù)公式即可計算出直流電機的轉(zhuǎn)速。對于一個轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)來說，其關鍵在于能夠使測速結(jié)果在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的準確性和分辨率為最佳并滿足快速的動態(tài)響應要求。主電機與螺桿壓縮機連軸兩側(cè)的脈沖信號同時輸入儀表設備。儀表在顯示各自轉(zhuǎn)速的同時，比較脈沖差，并根據(jù)安全生產(chǎn)和保護設備的需要，設備聯(lián)鎖保護信號輸入plc。如果兩路脈沖數(shù)量差別比較大(造粒機組設定每秒鐘脈沖差大于7個)，那控制儀表就認為是滑動，儀表輸出控制信號給plc控制造粒機停機，并在控制盤上發(fā)出聲光報警。

3.3 儀表選型

造粒滑動監(jiān)測儀表選用德國愛福門(ifm)monitor fs-2控制儀表，計數(shù)頻率高達400hz(脈沖長度最小值》1.2ms)，掃描速度非常快，與現(xiàn)在工控主流大型控制器相比有很大的優(yōu)勢，例如plc的掃描速度為一般為650ms/次，最快達到50ms/次，dcs掃描速度一般為1秒/次，最快為200ms/次。所以高速旋轉(zhuǎn)的電機速度測量不能用plc和dcs。以單片機為核心的控制儀表非常適合高速運行電機速度的測量。ifm電感式接近開關可靠性高、抗干擾能力強、測量速度快。與機械開關相比，電感式傳感器具有完美的先決條件：無接觸和無磨損的工作方式及高的開關頻率和開關精度。此外，它們抗震蕩、防止灰塵和潮濕。電感式傳感器可以無接觸地檢測所有的金屬。

4 滑動檢測過程

在機組開機后，儀表電磁閥通電，儀表動力風推動摩擦離合器結(jié)合。電機啟動運行，并傳動螺桿壓縮機運行?；瑒訖z測儀表及時監(jiān)測主電機及螺桿壓縮機連軸的同速轉(zhuǎn)動情況，并把控制節(jié)點信號輸入plc做停機條件。造粒主電機轉(zhuǎn)數(shù)一般為1000prm/m，即為33個脈沖/秒(一個軸上兩個檢測塊)，儀表時刻檢測離合器兩側(cè)的轉(zhuǎn)數(shù)，當兩側(cè)脈沖信號差每秒大于7個的時候，控制儀表節(jié)點斷開，輸入plc的信號消失，造粒機組連鎖停車。在檢測過程中，儀表能同時顯示電機側(cè)和螺桿壓縮機連軸側(cè)的轉(zhuǎn)數(shù)。并能按儀表掃面速度及時刷新。

5 結(jié)束語

利用接近開關和高精度的檢測儀表組成的在線檢測系統(tǒng)，頻率響應快、抗干擾能力強。在電機轉(zhuǎn)速測量和滑動監(jiān)測中得到廣泛的應用。能準確的監(jiān)測電機的運行狀態(tài)，起到保護設備作用。