PLC（可编程逻辑控制器）控制电机测速系统是一种常见的工业自动化解决方案，通过PLC采集电机转速信号并实现闭环控制，可广泛应用于输送带、风机、泵类等设备的速度监测与调节。以下是系统设计、实现及优化的详细指南：
一、系统组成与工作原理
1. 核心组件
PLC：作为控制核心，负责信号采集、逻辑处理与输出控制（如西门子S7-1200、三菱FX5U）。
测速传感器：将电机转速转换为电信号，常见类型包括：
增量式编码器：输出A/B相脉冲信号，通过计数脉冲数计算转速（如每转1000脉冲）。
霍尔传感器：检测电机旋转产生的磁场变化，输出开关量信号（如每转6个脉冲）。
测速发电机：输出与转速成正比的模拟电压信号（如0-10V）。
执行机构：根据PLC输出控制电机速度（如变频器、伺服驱动器）。
人机界面（HMI）：显示实时转速、设置目标值及报警信息（如威纶通TK系列）。
2. 工作流程
信号采集：传感器将电机转速转换为脉冲或模拟量信号，输入至PLC。
数据处理：PLC通过高速计数器（HSC）或模拟量输入模块计算实际转速（公式：
转速 = 脉冲数 / (每转脉冲数 × 时间)）。闭环控制：比较实际转速与目标值，通过PID算法输出控制信号至变频器/伺服驱动器，调整电机速度。
监控与报警：HMI显示转速曲线，超限时触发报警（如超速、低速）。
二、硬件选型与接线
1. PLC选型要点
高速计数能力：选择支持高速计数（HSC）的PLC型号（如西门子S7-1200的HSC功能）。
模拟量输入：若使用测速发电机或模拟量编码器，需配置模拟量输入模块（如4-20mA/0-10V兼容）。
通信接口：支持与变频器/伺服驱动器的通信（如Modbus RTU、Profinet、EtherCAT）。
2. 传感器接线示例
增量式编码器接PLC：
A相 → PLC高速计数器输入端（如I0.0）。
B相 → 另一高速计数器输入端（如I0.1），用于辨向。
Z相（可选）→ 复位信号输入端（如I0.2），用于原点复位。
电源 → 编码器供电（如24V DC）。
霍尔传感器接PLC：
信号输出 → PLC普通输入端（如I0.0），每转产生固定脉冲数。
3. 执行机构接线
PLC控制变频器：
数字量输出 → 变频器启停信号（如DO0 → DI1）。
模拟量输出 → 变频器速度设定端（如AO0 → AI1，0-10V对应0-50Hz）。
通信接口 → 通过Modbus RTU或Profinet连接，实现参数读写。
三、PLC程序设计（以西门子S7-1200为例）
1. 高速计数器配置
硬件组态：
在TIA Portal中添加S7-1200 PLC，启用高速计数器（HSC1）。
设置计数模式为“A/B相正交计数”，每转脉冲数（如1000）。
程序逻辑：
使用
HSC指令读取当前脉冲数，存储至数据寄存器（如DB1.DBD0）。通过定时器（如
TON）定时（如1s）触发转速计算：lad// 转速计算（单位：转/分钟）Speed_RPM := (DB1.DBD0 * 60) / 1000; // 1000为每转脉冲数
2. PID控制实现
PID指令调用：
使用
PID_Compact指令块，配置输入（实际转速）、设定值（目标转速）和输出（模拟量或通信信号）。参数整定：
比例增益（P）：提高响应速度，但过大易振荡（建议从1开始调试）。
积分时间（Ti）：消除稳态误差，但过长导致响应迟缓（建议10-100s）。
微分时间（Td）：抑制超调，但噪声敏感（建议0-10s）。
3. 报警与保护逻辑
超速报警：
lad// 若实际转速 > 设定值 + 阈值（如10%），触发报警IF Speed_RPM > (Target_RPM + 10) THEN Alarm_OverSpeed := TRUE; END_IF;
低速保护：
lad// 若实际转速 < 设定值 - 阈值（如20%），停机保护IF Speed_RPM < (Target_RPM - 20) THEN Motor_Stop := TRUE; END_IF;
四、HMI界面设计
1. 核心功能
实时监控：显示当前转速、目标转速及运行状态（如运行/停止）。
参数设置：通过数值输入框修改目标转速、PID参数等。
报警记录：显示历史报警信息（如超速、传感器故障）。
趋势曲线：绘制转速变化曲线，便于分析动态响应。
2. 界面示例（威纶通TK系列）
主界面：
数值显示框：
当前转速（单位：RPM）。数值输入框：
目标转速（范围：0-3000 RPM）。按钮：
启动/停止、参数设置。参数设置界面：
数值输入框：
P增益、Ti积分时间、Td微分时间。按钮：
保存、返回。
五、常见问题与解决方案
1. 转速测量不准确
原因：
传感器安装松动导致信号丢失。
脉冲计数受干扰（如电磁噪声）。
解决：
重新紧固传感器，确保与电机轴同轴。
对编码器信号线加屏蔽层，并单端接地。
2. PID控制振荡
原因：
PID参数整定不当（如P过大、Ti过小）。
机械系统存在共振点。
解决：
使用“临界比例度法”重新整定PID参数。
在变频器中设置跳频功能，避开共振频率。
3. 通信中断
原因：
通信线接触不良或干扰。
PLC与变频器地址冲突。
解决：
检查通信线接线，更换屏蔽双绞线。
确认设备地址唯一（如Modbus地址不重复）。
六、优化建议
抗干扰设计：
对模拟量信号使用隔离模块（如隔离放大器）。
PLC电源加装滤波器，减少电源噪声。
冗余设计：
采用双编码器互为备份，提高可靠性。
关键控制回路使用双PLC热备。
远程监控：
通过OPC UA或MQTT协议将数据上传至云平台，实现远程诊断。
