风扇性能测试系统设计学士学位论文.docx

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风扇性能测试系统设计学士学位论文

题目风扇性能测试检测系统设计

学院工业制造学院

专业测控技术与仪器

2013年6月4日

风扇性能测试检测系统设计

专业：

测控技术与仪器

摘要：

介绍风扇性能测试检测系统设计方案，对其软硬件的实现方法进行了介绍，该系统在实际工程应用中，具有较好的稳定性和精度。

电机扇热风扇转速是电动机重要的基本状态参数，在很多运动系统的测控中，都需要对风扇转速进行测量，测量的精度直接决定测试系统的可行性，只有转速的高精度检测才能得到准确的风扇性能指数。

目前工业中测量转速的方式主要有两种。

一种是将转速转化为模拟信号，对模拟信号进行测量。

如测速发电机是将转速直接转换为电压信号，然后测量其电压。

这种方法的缺点是被测信号易受电磁干扰和温度变化的影响。

另一种是将转速信号转化为脉冲信号，然后用数字系统内部的时钟来对脉冲信号的频率进行测量。

这种方法的优点在于抗干扰能力强、不受温度变化影响、稳定性好。

工业现场往往存在许多的干扰因素，因此工业测控系统中普遍采用数字式转速测量方法。

目前plc因其高可靠性已经成为工业控制的一个重要设备。

采用plc测量风扇和电机转速可以保证测量的稳定性和高精度。

关键词：

PLC；转速测量；稳定性；高精度

TheDesignofFanPerformanceTestingDetectionSystem

Specialty：

MeasurementandControlTechnologyandInstrumentation

StudentNumber：

Student：

Supervisor：

Abstract：

Fanperformancetestingdetectionsystemdesignscheme,thehardwareandsoftwareimplementationmethodareintroduced,thesysteminpracticalengineeringapplications,hasagoodstabilityandaccuracy.Motorheatfanfanspeedisanimportantbasicstateofmotorparameters,inalotofmovementsystemofmeasurementandcontrol,needforfanspeedmeasurement,theaccuracyofmeasurementdirectlydecidethefeasibilityofthetestsystem,canonlygettheexactfanrotationalspeedhighprecisiondetectionperformanceindex.Measuringspeedintheindustrytherearetwomainways:

oneistherotatingspeedisconvertedintoanalogsignals,theanalogsignalismeasured.Suchastachogeneratorisspeeddirectlyconvertedtovoltagesignal,andthenmeasuringthevoltage.Thedisadvantagetothisapproachisthemeasuredsignalissusceptibletoelectromagneticinterferenceandtheimpactoftemperaturechange;Anotherkindistherotationalspeedsignalintopulsesignal,andthenusedigitalsysteminternalclocktomeasurethefrequencyofpulsesignal.Theadvantageofthisapproachliesintheanti-interferenceabilityisstrong,isnotaffectedbychangesintemperature,goodstability.Industrialsiteoftenthereisalotofinterferencefactors,thusthedigitalspeedmeasurementmethodiswidelyusedinindustrialmeasurementandcontrolsystem.AtpresentbecauseofitshighreliabilityofPLChasbecomeanimportantindustrialcontrolequipment,PLCmeasurementfanandthemotorspeedcanensurethestabilityandhighprecisionmeasurement.

Keywords:

PLC;Speedmeasurement;Approach;Factors;Stability;Highprecision

绪论

1检测系统的发展现状

测量风扇速度的方法很多，但多数比较复杂。

目前，测量转速的方法主要有四种：

机械式、电磁式、光电式和激光式。

机械式主要利用离心力原理，通过一个随风扇转轴转动的阆定质量重锤带动自由轴蕓上下运动，根据不同转速对应不同轴位置获得测量结果原理简单直接，不需额外电器设备，适用于精度要求不高接触式的转速测量场合。

电磁式系统由电磁传感器和安装在轴上的风扇扇叶组成，主轴转动带动成叶旋转，康叶通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。

由于受扇叶最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证。

光电式结构类似于电磁式结构，把旋转扇叶换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果。

由于受条纹最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证，所测转速值和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值。

激光测速技术（LDV）是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。

通过改进已有的电磁式传感器，设计一种适于瞬时转速测量的新型传感器，在旋转机械瞬时状态分析中具有一定的实际意义。

本文以传统的电磁式系统为基础，加上一种使用红外辐射技术的新型转速测量仪，安装方便，对周围环境要求不高，可以很容易地完成转速的测量。

具有较宽的动态测量范围，测量精度较高

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

2研究的目的和意义

随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，检测技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广。

而风扇作为现代主要的散热工具，与人们的生活紧密相关，随着人们对其要求的提高，风扇得到了快速发展。

随着检测系统发展，风扇传动的稳定性也越来越好。

为了降低风扇功率消耗，减少噪声和磨损，防止发动机过冷，降低污染，将设计出能初步应用于离合器性能测试的PLC系统，对风扇性能时时显示。

1整体方案

1.1设计方案

本设计电路主要包括红外测速传感器、霍尔传感器、信号处理电路、plc以及数字显示部分。

其工作过程如下：

当扇叶旋转时由于扇叶的遮挡，红外发射管于接受管之间的红外光路时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示扇叶转过一个叶；再在电机主轴上安装磁片，每转一圈磁片就会输出一个脉冲信号，一个脉冲信号就表示主轴转一圈。

plc对脉冲进行计数，进而得出转速。

1.2方案论证与选择

在实际生产中，转速的测量有许多方法，如光电技术、测速发电机、等，但这些方法有的要求工作环境整洁，有的造价很高，这与工业生产的环境和低成本的要求不适应，采用集成霍尔元件、红外传感器检测具有成本低、灵敏度高及输出特性好的特点。

如图1-1所示。

图1-1原理图

在测速方面，有光电传感器和霍尔传感器可以选择，那么为什么测电机速度和主轴速度要用霍尔传感器，测风扇速度要要用光电传感器了，因为扇叶一般是不导磁的所以用光电好些，而电机的轴和主轴都导磁，按装永磁体方便，所以选择用霍尔传感器。

本设计电路主要包括红外测速传感器（由红外发射与接收电路和扇叶组成）、霍尔传感器、信号处理电路、plc以及数字显示部分。

其工作过程如下：

当扇叶旋转时，由于扇叶的遮挡，红外发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化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示扇叶转过一个叶。

plc对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收一定数R的脉冲计时，根据脉冲数H及所用时间就可计算出风扇的转速，最后通过数字显示部分将转速显示出来。

同理电机轴和主轴旋转时接受到永磁体的电脉冲信号，一个信号就表示电机轴和主轴旋转一圈，用plc进行计数，最后显示速度。

图1-2结构框图

1.3系统工作原理的顺序分析

霍尔传感器1和2分别接受电机和主轴的速度脉冲，光电传感器接受风扇的脉冲经放大整形电路放大整形后传送给西门子PLCs7-200分析处理，最后经人机界面显示。

2硬件设置

2.1PLC简介

可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器。

以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。

提出PLC概念的是美国通用汽车公司。

PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。

根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便[1]。

70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑（Logic）判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。

国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计[2]。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。

目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。

可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。

①可靠性高，抗干扰能力强；

②编程直观、简单；

③适应性好；

④功能完善，接口功能强。

目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

以下对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识做一简介。

2.2PLC连接

以下是本系统的PLC连接图

图2-1PLC连接图

2.3传感器简介

霍尔传感器是一种磁传感器。

用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。

霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。

霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

（1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

（2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

下面是本文所用的线性型霍尔传感器的特性

图2-2线性图

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：

发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光

束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回[3]。

图2-3光电传感器工作原理图

2.4传感器选型

测电机速度和主轴速度我选择n1h-5c-70霍尔测速传感器。

下面是n1h-5c-70霍尔测速传感器的性能指标：

（1）主要特性：

输出波形为方波；用于测量铁磁材质齿轮或凹槽，齿轮模数大于1；可测量的频率范围：

0.2至20,000hz，远远宽于无源感应式电磁传感器；可准确测量非常低的速度（接近零速），脉冲间隔非常大，优于无源感应式电磁传感器；不受外部的干扰，如：

错误的干扰信号，电机磁场，震动等。

这是感应式传感器不能比拟的；推挽式输出，输出电流大；安装位置：

无方向要求；高防护级别，不受外部严酷电子、电气环境影响；温度使用范围宽：

-40度-+120度。

（2）采用霍尔效应测量转速的原理

测量元件由霍尔元件和永磁体构成。

当铁磁材质的齿轮（或凹槽）依次经过霍尔元件表面时，霍尔电压产生变化，产生电压差，从而了一个测量脉冲信号。

这个信号的频率与转速成正比。

内置的电路还有电源处理和抗干扰功能，基本消除了外界因素（如：

震动，电机磁场，外界杂散电磁场等）的干扰。

此特点与电磁感应式传感器相比，有很大的优势。

同时，输出信号强度与转速无关，始终保持最佳状态，弥补了电磁感应式传感器在低速下的缺点，大大扩展了测量范围，可以测量出非常低的转速（甚至静止的物体）。

由于非常强的抗干扰能力，即使最低频率小于0.2hz，此传感器仍然可以测量出来。

（3）技术参数

表2-1霍尔传感器参数表

频率范围

0.2hz–20,000hz

测量原理

霍尔原理

探测距离（间隙）

0.2～3.5mm,根据扫描物体的形状确定。

扫描物体

铁磁体，齿轮模数m＞1；孔，直径d＞3mm；突起或沟槽，宽度w＞3mm

电压

直流10～32v，标称值：

直流24v

反向电压保护

内含

过电压

60v不超过2ms

电压降

下降100%大于10ms

无负荷时功率消耗

约15ma（24vdc）﹢启动电流

类型

标准脉冲方波

输出周波

推挽式输出

输出阻抗

130欧姆

输出电平

与输入电源电压有关

输出电流

npn：

50ma；pnp：

20ma

最大输入电压

36v

上升时间

≥10v/us

推荐电缆长度

1,000m/1khz@0.5mm2,屏蔽线

振动等级

4g@25～100hz，振幅：

1.6mm@2～25hz

抗震性

300m/s2@18ms

工作温度

-25℃-+120℃

壳体温度

-45℃-+85℃

相对湿度

96%

防护等级

ip59

安装方式

螺纹安装，m18×1.5

安装方向

无方向性

电气绝缘等级

＞60v

材料

壳体：

黄铜。

重量

约100～200g（根据长度和连接方式）

测风扇速度我选择LDM301红外线测速传感器，高精度红外线测速仪主要特点：

在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；有同步输入端，可多个传感器同步测量；测量范围广，响应时间短；外形设计紧凑，易于安装，便于操作.

下面是LDM301红外线测速传感器的性能指标:

表2-2红外线传感器参数表

测量间距m①

0.5~300（自然表面）②，0.5~3000（加反射板）

测量精度mm

±20（100Hz的输出频率），±60（2kHz的输出频率）

分辨率mm

1

距离响应时间ms

标准模式：

0.5，特殊模式：

0.1

测量速度m/s③

0~100

速度响应时间s

0.1~0.5

连接器

1个12针（BINDER423）M16，2个5针（BINDER766）M12

SSI接口

24位，格雷编码|1位有效位

总线

ProfibusDP-V0|IEC61158/IEC61784；传输速率9.6K～12M

串行接口

RS232或RS422，传输速率最高460.8kB/s

开关输出

2个，高变压开关|最大负载能力0.2A|永久短路保护|浮动窗口功能

模拟输出mA

4~20

同步触发装置

1个输入/输出触发端，触发电压≤30VDC，触发沿延迟可调

操作模式

单个数据和连续数据测量|平均值|外部触发|可调窗口

激光

905nm|激光等级1|EN60825-1:

2003-10

激光发散度

标准模式：

1.7mrad；特殊模式：

10mrad

辅助校准

航激光635nm激光等级2，可选：

望远镜适配器

供电VDC

10~30

功率损耗W

5（未使用加热器），11.5（使用加热器）

工作温度℃

-40~+60

储存温度℃

-40~+70

湿度%

15~90

尺寸mm

136×57×104

重量g

约800g（与配置有关）

保护等级

IP67

注：

①取决于被测物表面反射率、杂散光影响和大气情况；②自然漫反射表面；③距离被测物体距离：

0.5~700m

2.5人机界面基本概念

人机界面是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面，所以

图2-4人机界面图

人机结合面，嵌入式人机界面信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。

人机结合面是人机系统中的中心一环节，主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统工程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。

它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。

大量运用在工业与商业上，简单的区分为“输入”与“输出”两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达或保养维护等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命，而市面上所指的人机接口则多界狭义的指在软件人性化的操作接口上[4]。

2.6人机界面的设计原则

（1）以用户为中心的基本设计原则

在系统的设计过程中，设计人员要抓住用户的特征，发现用户的需求。

在系统整个开发过程中要不断征求用户的意见，向用户咨询。

系统的设计决策要结合用户的工作和应用环境，必须理解用户对系统的要求。

最好的方法就是让真实的用户参与开发，这样开发人员就能正确地了解用户的需求和目标，系统就会更加成功。

（2）顺序原则

即按照处理事件顺序、访问查看顺序（如由整体到单项，由大到小，由上层到下层等）与控制工艺流程等设计监控管理和人机对话主界面及其二级界面。

（3）功能原则

即按照对象应用环境及场合具体使用功能要求，各种子系统控制类型、不同管理对象的同一界面并行处理要求和多项对话交互的同时性要求等，设计分功能区分多级菜单、分层提示信息和多项对话栏并举的窗口等的人机交互界面，从而使用户易于分辨和掌握交互界面的使用规律和特点，提高其友好性和易操作性。

（4）一致性原则

包括色彩的一致，操作区域一致，文字的一致。

即一方面界面颜色、形状、字体与国家、国际或行业通用标准相一致。

另一方面界面颜色、形状、字体自成一体，不同设备及其相同设计状态的颜色应保持一致。

界面细节美工设计的一致性使运行人员看界面时感到舒适，从而不分散他的注意力。

对于新运行人员，或紧急情况下处理问题的运行人员来说，一致性还能减少他们的操作失误。

（5）频率原则

即按照管理对象的对话交互频率高低设计人机界面的层次顺序和对话窗口莱单的显示位置等，提高监控和访问对话频率。

（6）重要性原则

即按照管理对象在控制系统中的重要性和全局性水平，设计人机界面的主次菜单和对话窗口的位置和突显性，从而有助于管理人员把握好控制系统的主次，实施好控制决策的顺序，实现最优调度和管理。

（7）面向对象原则

即按照操作人员的身份特征和工作性质，设计与之相适应和友好的人机界面。

根据其工作需要，宜以弹出式窗口显示提示、引导和帮助信息，从而提高用户的交互水平和效率。

人机交互界面，无论是面向现场控制器还是面向上位监控管理，两者是有密切内在联系的，他们监控和管理的现场设各对象是相同的，因此许多现场设备参数在他们之间是共享和相互传递的。

人机界面的标准化设计应是未来的发展方向，因为它确实体现了易憧、简单、实用的基木原则，充分表达了以人为本的设计理念。

各种工控组态软件和编程工具为制作精美的人机交互界面提供了强大的支持手段，系统越大越复杂越能体现其优越性。

3软件设置

3.1放大整形电路

实际放大电路可采用反相比例放大器和施密特触发电路，如下图：

图3-1放大电路图

放大后直接接施密特就可以整形了。

如果信号频率较低，还可以在RF上并联一个小电容（此时推荐反向比例放大器），可以滤除高频毛刺。

传感器输出就接在反相比例放大器的输入端Ui[5]。

3.2I/O分配图

表3-2I/O分配表

名称

地址

名称

地址

启动（按钮）

I0.1

电机速度

VD100

停止（按钮）

I0.2

主轴速度

VD200

电机脉冲

I0.0

风扇速度

VD300

主轴脉冲

I0.6

风扇脉冲

I1.2

由上表可知，本系统至少需要输入口5个，输出口3个，由此可以估算系统所需的内存字数为10B，在选