一种用于精确测速的PLC智能从站的制作方法

本实用新型属于自动化制造设备技术领域，用于提升自动化制造设备运动精度和动态响应性，具体地说是一种用于精确测速的PLC智能从站。

背景技术：

自动化制造设备中机电一体化技术应用非常广泛，闭环控制是机电一体化技术中重要技术，能够使自动化制造设备运动精度和动态响应性能得到较大提升，其基本工作原理是在产品的运动终端安装高精度电子检测元器件比如光电编码器、磁栅传感器等，通过对位移、角度等运动参量进行测量，把测量结果反馈给控制器，计算出与理论结果的偏差后，再动态调整最终运动部分的输出值，运动部分和控制器之间就形成了一个闭环控制系统，这种闭环控制系统具有高速的运算和运动控制能力，能最大程度减小运动终端的输出误差。

对自动化制造设备进行闭环控制需要测量多种运动参量，其中速度参量较为常见，速度的测量精度对控制系统效果影响较大。当前，工业机械控制器多采用PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器），这种控制器以其高可靠性、模块化结构以及编程简单等优势，在工业控制中得到了广泛的应用，但是在工业机械控制应用中，利用PLC进行速度参量精确测定还存在很多不足，具体表现在以下几方面：

一是PLC自身的CPU运行速度无法满足高精度瞬时速度测量需求，PLC更加强调可靠性，但是测定速度所用到的定时器分辨率普遍不高，不同品牌的PLC定时器的分辨率略有不同，但基本都以毫秒为单位，比如某锻压机械厂，使用CPU315-2DP型PLC通过凸轮连接器连接磁栅传感器进行测速，测速方法为设定凸轮时间，启用硬件中断功能，采用5毫秒固定时间来采集一段距离，CPU315-2DP再通过距离除以时间得到速度。在锻锤整个运动持续时间尚不到1秒的情况下，采用5毫秒的测量周期，采样点数较少，瞬时速度信号测量精度不足，导致最后计算得到的速度精度不高；

二是专门的高精度测速设备无法与PLC进行高速实时通信，尽管专门的高精度测速设备可以保障测速精度，但这些设备通常没有与PLC通信的专用接口，无法使用PLC专用通信协议进行高速实时通信，而且这些设备往往功能复杂、体积较大，无法集成到机械控制系统壳体内，设备组装不方便，在PLC控制系统中的常用到主从站结构来进行高速实时通信，这种通信方式采用标准接口，速度快，可靠性高，从站通常只具备单一的功能，能够进行输入和输出信息采集和发送，也可以是智能从站，即从站支持可编程（带CPU和内存，可以编程实现一定的功能），正是这种可编程功能使得从站可以附加一些其他可扩展的功能，从而有别于单一功能的从站，故称之为“智能从站”，采用智能从站，可以构成一个数字化、智能双向、多点的通信系统现场总线网络，实现最优控制，目前PLC从站以单一功能居多，可以连接多种测速传感器的进行测速的智能型从站还没有。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种用于精确测速的PLC智能从站，它能够精确测量瞬时速度。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种用于精确测速的PLC智能从站，它包括电源模块、微控制器模块、速度传感器信号输入模块、通信协议控制模块；

所述电源模块的输出端分别与微控制器模块、速度传感器信号输入模块、通信协议控制模块的电源输入端相连；

所述速度传感器信号输入模块的信号输出端与微控制器模块的速度信号输入端相连，微控制器模块的信号输出端与通信协议控制模块的信号输入端相连，通信协议控制模块的信号输出端与微控制器模块的信号输入端相连。

作为限定：所述电源模块包括5V电源单元和3.3V电源单元。

作为限定：所述5V电源单元为MORNSUN B2405S-2W DC-DC隔离降压模块，3.3V电源单元采用AMS1117-3.3 LDO集成稳压电源作为主控芯片，5V电源单元的输出端与3.3V电源单元的输入端相连。

作为对微控制器模块的限定：所述微控制器模块采用以STM32F103VCT6芯片作为主控芯片的电路，VCC和VBAT引脚与3.3V电源单元连接，VSS引脚接地，NWAIT引脚通过第一上拉电阻与3.3V电源单元连接，BOOT0、BOOT1引脚分别通过第一下拉电阻、第二下拉电阻接地。

作为进一步限定：所述速度传感器信号输入模块包括第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元和电平转换单元，第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元的输入端分别与速度传感器的信号输出端相连，第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元的信号输出端分别通过电平转换单元与微控制器模块的速度信号输入端相连。

作为更进一步限定：所述第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元均采用以6N137光耦芯片为核心的电路；

第一光耦隔离单元6N137光耦芯片的VF+引脚通过第一限流电阻与传感器ENCODER_A信号引脚相连，VF-引脚与传感器的GND引脚相连，VCC引脚一方面接5V电源、另一方面通过第二上拉电阻与自身的Vo引脚相连，Vo引脚作为输出引脚，GND引脚连接数字地DGND，VCC引脚与其自身的GND引脚之间通过第一电容相连；

第二光耦隔离单元6N137光耦芯片的VF+引脚通过第二限流电阻与传感器ENCODER_B信号引脚相连，VF-引脚与传感器的GND引脚相连，VCC引脚一方面接5V电源、另一方面通过第三上拉电阻与自身的Vo引脚相连，Vo引脚作为输出引脚，GND引脚连接数字地DGND，VCC引脚与其自身的GND引脚之间通过第二电容相连；

电平转换单元采用以TXS0108E芯片为核心的电路，第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元的输出引脚分别与TXS0108E芯片的B1、B2引脚相连，第一光耦隔离单元的VCC引脚与TXS0108E芯片的VCCB引脚相连，第一光耦隔离单元的GND引脚与TXS0108E芯片的GND引脚相连，TXS0108E芯片的VCCA引脚连接3.3V电源，TXS0108E芯片的A1、A2两个输出引脚分别一一对应连接STM32F103VCT6芯片的PA0、PA1两个输入引脚。

作为再进一步限定：所述通信协议转换模块包括Profibus-DP通信协议转换单元和RS485通信协议转换单元；

Profibus-DP通信协议转换单元采用以APC3芯片为核心的电路，RS485通信协议转换单元采用以SN65HVD1176D芯片为核心的电路。

本实用新型由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本实用新型的微控制器模块采用意法半导体STM32F103VCT6作为主控芯片，该芯片具有32位ARM Cortex-M3内核，最大运行速度可达72MHz,具有2个高级定时器、4个通用定时器和2个基本定时器，可以用来测量输入信号的脉冲长度(输入捕获)或者产生输出波形(输出比较和PWM)；使用定时器预分频器和RCC时钟控制器预分频器，脉冲长度和波形周期可以在几个微秒到几个毫秒间调整；

（2）通过对本实用新型的STM32F103VCT6芯片的设定和编写专门测速程序，可以达到微秒级定时器精度，远高于PLC毫秒级定时器精度，结合高精度速度传感器，从而可以实现精确测速；

（3）本实用新型的速度传感器信号输入模块提供了通用的测速接口，支持光栅编码器、磁栅传感器、旋转编码器等用多种传感器，通用性强；

（4）本实用新型可通过Profibus-DP总线与PLC主站直接相连，测速功能由从站进行，采用标准通信协议实现与主站的通信，对主站PLC添加少量代码即可快速获取所需瞬时速度数据，测速精确，接口简单，成本较低；

（5）本实用新型的微处理器模块CPU内部程序可以通过编程扩展，实现更加复杂的功能。

本实用新型适用于提升自动化制造设备运动精度和动态响应性。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实用新型实施例的结构框图；

图2为本实用新型实施例的电源模块核心电路图；

图3为本实用新型实施例的微控制器模块核心电路图；

图4为本实用新型实施例的速度传感器信号输入模块核心电路图；

图5为本实用新型实施例的通信协议转换模块核心电路图；

图6为本实用新型实施例的正常状态工作流程图；

图7为本实用新型实施例的中断服务程序运行时的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例 一种用于精确测速的PLC智能从站

如图1所示，本实施例包括电源模块、微控制器模块、速度传感器信号输入模块、通信协议控制模块；电源模块的输出端分别与微控制器模块、速度传感器信号输入模块、通信协议控制模块的电源输入端相连；速度传感器信号输入模块的信号输出端与微控制器模块的速度信号输入端相连，微控制器模块的信号输出端与通信协议控制模块的信号输入端相连，通信协议控制模块的信号输出端与微控制器模块的信号输入端相连。

电源模块包括5V电源单元和3.3V电源单元；如图2所示，本实施例中5V电源单元为MORNSUN B2405S-2W DC-DC隔离降压模块，3.3V电源单元采用AMS1117-3.3 LDO集成稳压电源作为主控芯片，5V电源单元的输出端与3.3V电源单元的输入端相连。

如图3所示，微控制器模块采用以STM32F103VCT6芯片作为主控芯片的电路，VCC和VBAT引脚与3.3V电源单元连接，VSS引脚接地，NWAIT引脚通过第一上拉电阻R1与3.3V电源单元连接，BOOT0、BOOT1引脚分别通过第一下拉电阻R2、第二下拉电阻R3接地；微控制器模块的功能是作为主控CPU，运行专门测速程序捕获传感器信号、对其进行计算、将计算结果发送出去。基本实现过程是通过高精度定时器定时，通过输入捕获功能对速度传感器信号两路正交信号进行输入捕获并计数，计算单位时间内速度信号传感器脉冲个数，脉冲个数对应的位移除以时间就是当前的瞬时速度，最后将速度值转换为数字信号发送给通信协议控制模块。

速度传感器信号输入模块包括第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元和电平转换单元，用于将速度传感器24V信号隔离并转换成为STM32F103VCT6的IO电平3.3V，第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元的输入端分别与速度传感器的信号输出端相连，第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元的信号输出端分别通过电平转换单元与微控制器模块的速度信号输入端相连；如图4所示，第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元均采用以6N137光耦芯片为核心的电路，用于将速度传感器输出的0-24V电平信号隔离转换为0-5V信号；第一光耦隔离单元6N137光耦芯片的VF+引脚通过第一限流电阻R4与传感器ENCODER_A信号引脚相连，VF-引脚与传感器的GND引脚相连，VCC引脚一方面接5V电源、另一方面通过第二上拉电阻R5与自身的Vo引脚相连，Vo引脚作为输出引脚，GND引脚连接数字地DGND，VCC引脚与其自身的GND引脚之间通过第一电容C1相连；第二光耦隔离单元6N137光耦芯片的VF+引脚通过第二限流电阻R6与传感器ENCODER_B信号引脚相连，VF-引脚与传感器的GND引脚相连，VCC引脚一方面接5V电源、另一方面通过第三上拉电阻R7与自身的Vo引脚相连，Vo引脚作为输出引脚，GND引脚连接数字地DGND，VCC引脚与其自身的GND引脚之间通过第二电容C2相连；通过以上电路的速度传感器信号将变成高低电平为0-5V的信号A_OUT和B_OUT；电平转换单元采用以TXS0108E芯片为核心的电路，用于将0-5V电平的信号转换为STM32F103VCT6芯片可承受的0-3.3V电平信号，第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元的输出引脚分别与TXS0108E芯片的B1、B2引脚相连，第一光耦隔离单元的VCC引脚与TXS0108E芯片的VCCB引脚相连，第一光耦隔离单元的GND引脚与TXS0108E芯片的GND引脚相连，TXS0108E芯片的VCCA引脚连接3.3V电源，TXS0108E芯片的A1、A2两个输出引脚分别一一对应连接STM32F103VCT6芯片的PA0、PA1两个输入引脚；TXS0108E芯片的A1和A2引脚将分别对应输出0-3.3V的速度传感器A和B信号，A和B信号分别接入STM32F103VCT6芯片的PA0和PA1引脚，用来作为速度传感器信号输入。

通信协议转换模块包括Profibus-DP通信协议转换单元和RS485通信协议转换单元；如图5所示，Profibus-DP通信协议转换单元采用以APC3芯片为核心的电路，RS485通信协议转换单元采用以SN65HVD1176D芯片为核心的电路；APC3芯片的AB7-AB0一共8个引脚通过74HC573锁存器与STM32F103VCT6芯片的FSMCD8-FSMCD15一共8个引脚相连，作为地址/数据总线，用于传输地址和数据；APC3芯片的ALE引脚一方面与74HC573芯片的CLK连接、另一方面通过非门SN74AHC1G04与STM32F103VCT6芯片的PB7引脚相连，用于地址/数据锁存；APC3芯片的XWR、XRD、XINT三个控制引脚分别与STM32F103VCT6芯片的PD5、PD4和PD3引脚一一对应相连，用于提供控制信号； APC3芯片的CLK引脚与48MHZ有源晶振的CLK引脚相连，用于向APC3提供时钟信号；APC3芯片的时钟输出引脚CLOCKOUT与STM32F103VCT6芯片的OSCIN引脚相连，向STM32F103VCT6提供时钟信号，因此，STM32F103VCT6芯片不用再另外安装一个晶振；APC3芯片的RESET、DEVIDER、XCS、AB8、AB9、AB10、XINT/MOT一共7个引脚分别一一对应通过第三～第九下拉电阻R8～R14与DGND相连；APC3芯片的XCTS、XTEST1、XTEST0共3个引脚分别一一对应通过第四～第六上拉电阻R15～R17连接3.3V电源，通过这些控制引脚配置为低电平，可以达到对APC3工作模式的如下设定：正常工作在C32模式，提供INTEL接口，并向外提供12MHZ的时钟，作为STM32F103VCT6芯片的时钟源。

SN65HVD1176D用于Profibus-DP高速通信中，它可以将Profibus-DP通信协议的数据转换为485信号在物理层传输，如图5所示，SN65HVD1176D芯片的DE引脚一方面与APC3芯片的RTS引脚相连、另一方面通过电阻R22连接DB9连接器的pin4，SN65HVD1176D芯片的RO引脚一方面与APC3芯片的RXD信号连接以接收数据、另一方面通过电阻R18与3.3V电源相连，SN65HVD1176D芯片的DI引脚与APC3芯片的TXD引脚连接以发送数据，SN65HVD1176D芯片的RE引脚通过电阻R19与DGND相连，SN65HVD1176D芯片的A引脚一方面通过通过第七上拉电阻R20连接3.3V电源、另一方面与DB9连接器的pin8连接，SN65HVD1176D芯片的B引脚一方面通过第十下拉电阻R21与自身的GND引脚相连、另一方面与DB9连接器的pin3连接，SN65HVD1176D芯片的VCC引脚一方面连接3.3V电源、另一方面通过第七上拉电阻R20与自身的A引脚相连，SN65HVD1176D芯片的GND引脚与DB9连接器的pin5相连后与DGND相连；其中，DB9连接器用于提供Profibus-DP物理接口，可以插入Profibus-DP电缆插头。

本实施例中，第一电容C1和第二电容C2选用高频特性良好的电容，如瓷介质或钽电容，而且应尽量放在VCC和GND引脚附近不要超过1cm的位置，用来吸收电源线上的纹波，还可减小光耦输入端开关工作时对电源的冲击。

本实施例的基本工作流程如下：如图6所示，处理器模块中的STM32F103VCT6初始化后，会配置其内部的定时器TIM3为中断模式，定时周期为0.01毫秒，配置其内部的定时器TIM2为输入捕获模式，采用四倍计数模式对光栅编码器、磁栅编码器、旋转编码器等传感器输出的信号进行计数；在每个0.01毫秒定时器周期开始时，TIM3定时器归零并开始计时，定时器TIM2开始对输入脉冲进行计数，当TIM3定时器计时到0.01毫秒周期时，会通知程序进入定时器中断服务程序，同时TIM3定时器归零，开始重新计时，这个过程中，定时器TIM3并不会在等待定时器中断服务程序而停止工作，而是并行运行；如图7所示，中断服务程序运行的时候，定时器TIM2是不会停止工作的，而是继续对输入信号进行输入捕获，定时器中断服务程序利用上个定时周期捕获到的脉冲计数num_enc乘以每个脉冲之间对应的距离dis_pal，二者乘积就是在0.01毫秒运动的距离dis_cyc，该距离dis_cyc除以0.01毫秒，就得到了当前的速度值speed_cyc，该速度值发送到APC3的数据总线上，会转换成为Profibus-DP通信协议的数据向外传输。