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西门子6AV6648-0DE11-3AX0详细说明
为了扩展数控系统逻辑功能的可编程能力，通常在数控系统中配置
PLC功能。并采用立PLC或内置式PLC两种方式。但目前内置式PLC一般使用软件实现。有一套特有的编程与配置方法，这对使用者熟悉新功能提出了额外的要求。现场可编程逻辑器件FPGA具有很强的在线逻辑编程能力。常被应用于实现某些逻辑控制中。比如交通信号灯控制：近来也有用FPGA实现PLC的尝试。即将与需要实现的控制功能对应的梯形图直接做成FPGA硬连线逻辑。但这些应用都没有脱离FPGA本身的现场可编程特性。用户如需修改控制逻辑。就需要掌握VHDL语言及FPGA的EDA设计方法。否则不能提供加友好、通用的
PLC编程界面。
本文介绍了一种新的数控系统中内置式PLC的FPGA实现方法。它能较好地解决上述技术难题，也便于实际应用。
1 基于ARM和FPGA的数控系统
机床数控系统由控制系统、伺服驱动系统和
伺服电机组成。控制系统生成的坐标轴运动指令，被发送到伺服驱动系统。然后由伺服驱动系统形成伺服电机的运转控制令。从而使伺服电机完成相应的动作。
图1是基于ARM+FPGA的数控系统的FPGA部分结构框图，下载接口、配置器件及FPGA 3个部分组成了FPGA自身的开发调试环境。可以方便地与PC组成开发调试平台。机床控制单元MCU使用32位的ARM嵌入式处理器。运行uC／0S实时操作系统，实现控制系统的大量分析和计算工作。比如G代码解析，根据加工要求形成坐标轴的运动指令以及数控系统的
人机界面等。FPGA除了完成对运动指令进行细插补之外。同时还实现了数控系统键盘电路的扫描模块、编码计数器模块和驱动器控制模块的功能。本文要介绍的数控系统内置式PLC也是在FPGA内部实现的。
图1 数控系统中的FPGA结构框图
2 用FPGA实现PLC的软硬件架构
为了有好的人机界面。符合工程习惯。采用与主流商业PLC兼容的编程语言进行编程。内置式PLC可以接受终用户输入的PLC指令表(一个特定的子集)。并终实现相应的逻辑控制功能。FPGA内部是硬件逻辑。显然无法识别PLC指令，因此，为了实现这种构想。设计一套指令集。该指令集定义了FPGA可以执行的小操作的集合。然后根据指令集来设计编译器和FPGA内部的PLC逻辑。其软硬件架构如图2所示。PLC指令被编译后，生成FPGA可执行的指令代码。然后将指令代码下载到FPGA内部，由执行逻辑对代码进行逐条执行。终实现PLC的逻辑控制功能。
图2 基于FPGA的PLC软硬件架构
PLC逻辑是一个状态机。可以根据不同的输入指令执行不同的操作。在设计中。应确定需要执行的指令集合，即状态机的指令集设计。然后根据指令集来设计编译器和PLC逻辑功能。PLC指令编译器源程序使用C语言编写。这样。此编译器可以方便地移植到PC、ARM或别的任何支持C编程的平台上。基于图2中的软硬件架构的PLC不能立运行。需要MCU对其进行相应的设置和辅助。如图3所示。在MCU端。需要一个专门处理与PLC接口的任务(对于多任务操作系统)或程序。
图3 PLC逻辑的工作过程
在MCU端，可以提供相应的PLC人机界面，提供
PLC梯形图或指令表的编辑、编译甚至排错界面，当编译完成后。生成可供FPGA内部的PLC逻辑执行的“PLC中间操作码”。当要执行PLC功能时，MCU配置FPGA处于“代码下载状态”。并由MCU将编译后的代码下载到FPGA的RAM中：下载完成后。MCU将FPGA设置为“PLC运行状态”。开始依次读入输入和输出端口的状态。并根据所要执行的指令新状态。后输出刷新状态。FPGA还有一个“监控状态”。此时。ARM处理器可以直接设置PLC的输入输出10寄存器的值。并可以单步运行PLC中间操作码。ARM结合返回信息。并配合相应的界面，即实现了对PLC的调试。
3 PLC逻辑的EDA设计方法
新型FPGA器件及新的EDA设计软件和工具是这种数控系统内置式PLC实现方式的前提。没有EDA设计流程和方法的支撑。是很难完成相应设计工作的。
图4是典型的EDA设计流程。主要包括设计输入、功能、综合与优化、映射和布局布线以及后的下载验证等环节。EDA设计流程中。重要的环节便是。因为所设计的对象在FPGA内部很难在硬件上进行测试。利用诸如Active—HDL。ModelSim等工具进行功能、综合后以及布局布线后。设计过程和过程是交叉同步进行的。而且设计一个模块。即对一个模块的功能进行，确保其正确后，才可以集成到高层面的设计中去。的主要任务就是检验HDL是否能满足设计所提的要求。检验的方式是编写测试平台。在测试平台上给模块输入条件。观察或检验其输出。从而验是否满足设计要求。Active—HDL的Generate TestBench功能还可以生成测试向量的模板。大大加速了设计过程。
图4 EDA设计流程
图5 PLC原型机逻辑结果
总之，掌握并正确使用EDA设计方法。是使用FPGA进行逻辑设计成功的关键。
4 在数控系统中的实现与分析
基于FPGA的PLC实现方法在我们的基于ARM+FPGA的数控系统中得到了应用。形成了PLC原型机，实现了基本的PLC逻辑控制功能。能够与数控系统集成在一起。结合相应的控制界面。可以对机床的各逻辑开关量进行PLC编程控制。重要的是。这种框架下的PLC具有开放式结构。可根据需要不断完善。实现复杂的功能。如图5所示，PLC有2个主要状态。即输入输出刷新(pc status=0)和运行状态(pc status=1)。在pc status=0时，输入被采样，输出映像被置位：当pc status=1时，PLC开始运行，pc pointer为PLC内部指令的指针，在每个时钟周期，PLC执行一条指令，并将指令指针后移，当执行完所有指令后，outputfresh置高，允许输出映像寄存器的输出到端口
plc io out中去。以上过程反复进行，便实现了PLC的基本逻辑功能。
针对数控系统中各种内置式PLC的实现方式。基于FPGA的解决方案在以下一些方面做了特别的处理：
(1)复位问题。当FPGA一上电时，其内部的PLC逻辑即令其自身进入了一个自复位状态。此时如果没有外部MCU给予正确的操作指令。FPGA将不会进入其他任何状态。从而确保PLC不会产生任何的误动作。
(2)响应时间。PLC程序会得到周而复始的执行，当输入状态(in image)改变时，输出状态会在下一个允许输出信号有效时(outputfresh=1)得到新。PLC的大响应周期取决于所执行的指令条数。对于绝大多数指令而言。PLC可在每个时钟周期执行一条语句。在后一条语句执行完成后的下一个时钟上升沿输出得到刷新，同时在此刷新时钟周期内。PLC进行循环复位的初始化工作。差的情况时。输入信号在上次采集刚刚结束后发生变化。需要在下一次采样并执行完成后才能反映到输出上。即响应时间为Tresponse=(PLC指令条数+1)×2×时钟周期，本文使用的时钟周期为50ns，因此有：Tresponse=(PLC指令条数+1)×2×50ns：受FPGA内部的EAB(bbbbbded Arrav B10ck。一种专门用来综合成RAM的内部资源)数量的限制。只能综合出约2k bvte RAM(除非设置必要的控制寄存器)。当执行约有2 000条PLC指令时。大响应时间为0。2ms量级。
对于一般以软件方式实现的PLC。多使用一个特定的任务来实现PLC逻辑控制功能。在嵌入式操作系统中。任务的上下文切换时间一般在斗s量级；而且随着系统中其他任务的就绪。PLC任务将面临被暂时挂起。在这种情形下。其响应时间将进一步变长。当然。如果使用高频率运行下的嵌入式处理器(60MHz以上)，在指令条数较多时，其响应时间也可接受。但数控系统中的PLC功能一般都只实现对机床的简单逻辑控制。控制环境比较简单。指令条数有限。因此使用FPGA方式实现还是有其特有的优势的。
(3)PLC运行阶段的性。PLC是将编译后的可执行指令放到FPGA内部的RAM中运行。只要完成必要的配置。PLC便立运行，不再需要外部MCU的干预。换言之，此时。即使MCU死机或程序跑飞，也不会影响正在执行中的PLC功能。因此。使用FPGA来实现PLC功能。对于提高数控系统的整体性是有优势的。
(4)PLC指令长度的支持。由于FPGA内部的EAB资源有限，因此能够容纳的PLC指令长度有限。同时。每次PLC运行前都由MCU将代码下载到FPGA中。然后才可控制PLC开始运行。即FPGA不能自实现PLC功能。为了解决这一问题，可考虑为FPGA专门配置非易失性的存储器。比如Flash。这样不但可以扩大PLC指令长度。而且还可实现上电自动运行PLC程序。甚至不需要MCU的辅助和干预，但这将需=要诸如编程器之类的部件的支持。
１ 机型的选择
ＰＬＣ机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择、维护使用方便以及性能价格比的优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的ＰＬＣ；其它情况则选用模块式结构的ＰＬＣ。
对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带Ａ／Ｄ转换、Ｄ／Ａ转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。
而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机。其中机主要用于大规模过程控制、全ＰＬＣ的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，表１列出了ＰＬＣ的几种功能选择。
表
1 PLC 的功能及应用场合
序 号
应用对象
功 能 要 求
应 用 场 合
1
替代继电器
继电器触点输入 / 输出、逻辑线圈、定时器、计数器
替代传统使用的继电器，完成条件控制和时序控制功能
2
数学运算
四则数学运算、开方、对数、函数计算、双倍精度的数学运算
设定值控制、流量计算； PID 调节、定位控制和工程量单位换算
3
数据传送
寄存器与数据表的相互传送等
数据库的生成、信息管理、 BAT-CH （批量）控制、诊断和材料处理等
4
矩阵功能
逻辑与、逻辑或、异或、比较、置位（位修改）、移位和变反等
这些功能通常按“位”操作，一般用于设备诊断、状态监控、分类和报警处理等
5
功能
表与块间的传送、校验和、双倍精度运算、对数和反对数、平方根、 PID 调节等
通信速度和方式、与上位计算机的联网功能、调制解调器等
6
诊断功能
PLC 的诊断功能有内诊断和外诊断两种。内诊断是 PLC 内部各部件性能和功能的诊断，外诊断是处理机与 I/O 模块信息交换的诊断
－－
7
串行接口（ RS-232C ）
一般中型以上的 PLC 都提供一个或一个以上串行标准接口（ RS-232C ），以例连接打印机、 CRT 、上位计算机或另一台 PLC
－－
8
通信功能
现在的 PLC 能够支持多种通信协议。比如现在比较流行的工业以太网等
对通信有特殊要求的用户
对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的ＰＬＣ模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各立系统的多台ＰＬＣ联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理
控制类产品名目繁多，各家叫法不一。通常使用的控制类产品包括DCS、PLC两大类。我们又将DCS的概念拓展到FCS。
DCS（DistributedContorlSystem）,集散控制系统，又称分布式控制系统。
PLC（ProgramLogicControl）,可编程逻辑控制器。
FCS（FieldBusContorlSyestem），现场总线控制系统
发展到现在，DCS和PLC之间没有一个严格的界线，在大多数人看来，大的系统就是DCS，小的系统就叫PLC。当然，这么说也不是不可以，但是还不对。现在我们来重新建立这个观念。，DCS和PLC之间有什么不同？
1、从发展的方面来说：
DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来。因此，DCS从先天性来说较为侧重仪表的控制，比如我们使用的YOKOGAWACS3000DCS系统甚至没有PID数量的限制（PID,比例微分积分算法，是调节阀、变频器闭环控制的标准算法，通常PID的数量决定了可以使用的调节阀数量）。
PLC从传统的继电器回路发展而来，初的PLC甚至没有模拟量的处理能力，因此，PLC从开始就强调的是逻辑运算能力。2、从系统的可扩展性和兼容性的方面来说：
市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC，均有很多厂商在生产和销售。对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。一般来讲，PLC也很少有兼容性的要求，比如两个或以上的系统要求资源共享，对PLC来讲也是很困难的事。而且PLC一般都采用的网络结构，比如西门子的MPI总线网络，甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高。
DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS系统，比如横河YOKOGAWA、霍尼维尔、ABB等等，虽说系统内部（过程级）的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网络，采用标准或变形的TCP/IP协议。这样就提供了很方便的可扩展能力。在这种网络中，控制器、计算机均作为一个节点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减节点数量和布置节点位置。另外，基于bbbbbbs系统的OPC、DDE等开放协议，各系统也可很方便的通讯，以实现资源共享。
3、从数据库来说：
DCS一般都提供统一的数据库。换句话说，在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中，就可在任何情况下引用，比如在组态软件中，在软件中，在趋势图中，在报表中……而PLC系统的数据库通常都不是统一的，组态软件和软件甚至归档软件都有自己的数据库。为什么常说西门子的S7400要到了414以上才称为DCS？因为西门子的PCS7系统才使用统一的数据库，而PCS7要求控制器起码到S7414-3以上的型号。
4、从时间调度上来说：
PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行。（现在一些新型PLC有所改进，不过对任务周期的数量还是有限制）而DCS可以设定任务周期。比如，快速任务等。同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用200ms的任务周期采样，而温度传感器的滞后时间很大，我们可以用2s的任务周期采样。这样，DCS可以合理的调度控制器的资源。
5、从网络结构发面来说：
一般来讲，DCS惯常使用两层网络结构，一层为过程级网络，大部分DCS使用自己的总线协议，比如横河的Modbus、西门子和ABB的Profibus、ABB的CANbus等，这些协议均建立在标准串口传输协议RS232或RS485协议的基础上。现场IO模块，特别是模拟量的采样数据（机器代码，213/扫描周期）十分庞大，同时现场干扰因素较多，因此应该采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。基于RS485串口异步通讯方式的总线结构，符合现场通讯的要求。IO的采样数据经CPU转换后变为数据或实形数据，在操作级网络（二层网络）上传输。因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中、传输速度快、连接方便的网络标准，同时因操作级网络一般布置在控制室内，对抗干扰的要求相对较低。因此采用标准以太网是选择。TCP/IP协议是一种标准以太网协议，一般我们采用100Mbit/s的通讯速度。
PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要不过程级网络简化成模件之间的内部连接。PLC不会或很少使用以太网。
6、从应用对象的规模上来说：
PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一般都是DCS。当然，这个概念不太准确，但很直观，习惯上我们把大于600点的系统称为DCS，小于这个规模叫做PLC。我们的热泵及QCS、横向产品配套的控制系统一般就是称为PLC。
说了这么多PLC与DCS的区别，但我们应该认识到，PLC与DCS发展到今天，事实上都在向彼此靠拢，严格的说，现在的PLC与DCS已经不能一切开，很多时候之间的概念已经模糊了。现在，我们来讨论一下彼此的相同（似）之处。
1、从功能来说：
PLC已经具备了模拟量的控制功能，有的PLC系统模拟量处理能力甚至还相当强大，比如横河FA-MA3、西门子的S7400、ABB的ControlLogix和施耐德的Quantum系统。而DCS也具备相当强劲的逻辑处理能力，比如我们在CS3000上实现了一切我们可能使用的工艺联锁和设备的联动启停。
2、从系统结构来说:
PLC与DCS的基本结构是一样的。PLC发展到今天，已经移植到计算机系统控制上了，传统的编程器早就被淘汰。小型应用的PLC一般使用触摸屏，大规模应用的PLC使用计算机系统。和DCS一样，控制器与IO站使用现场总线（一般都是基于RS485或RS232异步串口通讯协议的总线方式），控制器与计算机之间如果没有扩展的要求，也就是说只使用一台计算机的情况下，也会使用这个总线通讯。但如果有不止一台的计算机使用，系统结构就会和DCS一样，上位机平台使用以太网结构。这是PLC大型化后和DCS概念模糊的原因之一。
3、PLC和DCS的发展方向:
小型化的PLC将向化的使用角度发展，比如功能加有针对性、对应用的环境有针对性等等。大型的PLC与DCS的界线逐步淡化，直至融和。
DCS将向FCS的方向继续发展。FCS的除了控制系统加分散化以外，特别重要的是仪表。FCS在国外的应用已经发展到仪表级。控制系统需要处理的只是信号和提供人机界面以及逻辑控制，整个模拟量的控制分散到现场仪表，仪表与控制系统之间传统电缆连接，使用现场总线连接整个仪表系统。(目前国内有横河在中海壳牌石化项目中用到了FCS,仪表级采用的是智能化仪表例如:EJX等，具备世界的控制水准)。
如何正确对待PLC和DCS？
我个人从不强调PLC和DCS之间孰优孰劣，我把它们使用了一个新名词“控制类产品”。我们提供给用户的是适合用户的控制系统。绝大多数用户不会因为想使用一套DCS而去使用DCS，控制类产品定位在满足用户的工艺要求的基础之上。其实提出使用DCS还是PLC的用户大抵是从没接触过自控产品或有某种特殊需求的。过分强调这个东东只会陷入口舌之争。
从PLC与DCS之间的区别和共同之处我们了解了控制类产品的大抵情况。注意，作为人士，我们自己不要为产品下PLC还是DCS的定义，自己的心理上不能把产品这样来区别对待。
本文介绍了西门子公司的S7-200系列中的CPU212可编程程序控制器的特点，给出了应用它设计多路流量积算和显示系统的总体设计方案，说明了该系统的性能和使用特点。
1. 内部结构特点及工作原理
CPU212由处理器(CPU)、输入/输出接口(I/O)、I/O扩展接口、定时器、计数器和编程口等组成。
1.1 CPU212特点
●程序存储量为512字节(存储在非易失的读/写存储区)；
●数据存储量512字节(其中的64字节可以存储在非易失的读/写存储区)；
●PLC基本单元中有8个开关量输入和6个开关量输出；
●可以额外连接两个I/O扩展模块(包括模拟量模块)；
●大开关量I/O点数为30，大模拟量通道数6AI/2AO；
●64个定时器(2个1ms,8个10ms，54个100ms)；
●64个计数器(48个加计数器，16个加/减计数器)；
●128个内存标志位、368个标志位；
●四则算术运算能力；
●中断能力：
为用户定义的协议(自由口通信)接收和发送中断；
1个由上升沿或下降沿触发的输入中断；
1个时间中断；
1个高速计数器中断；
●1个2kHz的高速计数器；
●快速的布尔逻辑执行速度(1.3μs/指令)；
●由级电容供电的数据存储区可维持50小时(电池)；
●3级口令保护。
CPU212内部结构如图1所示。
1.2 CPU212的结构及工作原理
CPU212的工作原理是建立在下列单元的基上的：，程序存储器中存储用户程序；二，处理器周期性扫描程序，即在一个周期开始时，处理器将所有的输入端的信号读入，存储于过程输入映象寄存器(PII)，然后，在内部计数器、位存储器和定时器的控制下逐步扫描程序，接着处理器将新的信号状态和过程输出到映象寄存器(PIQ)中，并从这里传送到输出端。CPU212的结构及工作原理示意图如图2所示。
1.3 CPU212的外部特征
CPU212外部包括输入点、输出点、编程口、面版状态指示灯。CPU是PLC的大脑，它根据编制的应用程序作出相应的决定，而输入/输出是PLC的控制点。输入用于监视现场装置，如开关、传感器等，输出用于控制其它装置，如电机、泵、开关等；编程口用于连接编程装置，如一台计算机或手持编程器等。要装载SETP7－MICRO/DOS软件才能对CPU212进行编程。由于CPU212的编程口传输信号采用的是RS－485标准，而计算机串行通讯口采用的是RS－232标准，因此连接时需要使用PC/PPI电缆将CPU212和计算机连接起来。由于PC/PPI电缆自带转换器，可完成两种不同标准信号的转换。如图3所示。
CPU212的面板状态指示灯用于显示CPU的运行方式和I/O状态。所有状态指示灯每秒刷新多次，并用于指示CPU212内部诊断测试结果。I/O指示灯用于指示传感器输入状态和CPU控制的输出状态(导通则亮)。如图4所示。
若I/O点未接，在通电时只有CPU状态指示灯显示CPU运行方式。当系统出现内部错误时，红色的SF指示灯亮，此时应切断电源，故障。
2. 多路流量积算和系统软件编程
2.1 软件编程
由于系统需要测量瞬时流量和累积流量，若采用转子流量计，可按体积流量计算。
瞬时体积流量
Q=αCH·(2Vfg/Af)1/2(ρf－ρ)/ρ
累积体积流量
W=Qdt
式中，Vf为转子体积；ρf为转子材料密度；ρ为被测流体密度；g为重力加速度；Af为转子的大横截面；H为转子在锥管中的高度；C为与锥形管锥度有关的比例系数。
在PLC编程方面，系统具有主控模块、数据示模块、瞬时流量和累积流量计算模块等等。
本系统所具有的的优点是：利用的编程技巧，使CPU212的512个字节程序存储区得以充分利用，完成相对功能强大的多路流量积算和显示功能；同时，将程序的扫描周期降至1ms，满足了实时要求。系统采用STEP7－MICRO/DOS编程语言。主控模块中只完成对多路流量输入计数，由扫描显示器控制每路流量计算的相应按键，若有键按下，则调用相应的子程序以完成流量的计算功能，这样就可以达到降低扫描周期的目的。内部计数器利用输入脉冲的上升沿计数，并用定时器限制脉冲宽度以排除计数脉冲的干扰信号。
2.2 多路流量积算和显示系统硬件组成
本系统由1个可编程控制器(PLC)、1个显示器和多个流量计组成。如图5所示。
3. 系统性能
● 流量脉冲频率：小于50Hz。对应于各种流量计的流量范围如表1所列。
● 精度：主要取决于流量计精度，即SPX系列为±1％满量程；WTX系列为±0.75％满量程，系列流量脉冲频率>50Hz时，会产生附加误差。
● 电源：交流220V。
4. 系统主要功能
本系统可以计算和分路显示瞬时流量和累积流量，其显围为：0.0000?2949.0000(l/m)
系统通过显示器将CPU212中的各路瞬时流量和累积流量显示出来，并可清零及设置K系数，其设置方法为：K=3.7854/K′，式中K′为流量计标签上的K系数，按四舍五入法则取K的小数点后4位数。
5. 结束语
本系统在工业生产中有广泛的应用前景。可以计算和显示多路瞬时流量和累积流量，度高；使用可编程程序控制器使系统的性能价格比较高，同时由于使用了显示器，系统用户界面非常友好。
转速监控装置是水轮发电机组重要的自动化装置，本文根据小型水电站的特点，提出了在控制机组运行的PLC上增加部分硬件，实现转速监控功能的方法，该方法既解决了测速装置的性问题，又降低了系统的成本，是一种较为理想的方案。
1系统硬件构成
系统硬件是利用控制机组运行PLC的8个晶体管输出点和一个高速输入点，增加LED的译码和驱动电路，组成转速监控装置的硬件系统。
系统由转速信号单元、PLC（三菱FX2N系列）和LED速度显示电路三部分组成(如图1所示)。其中转速信号单元由光电码盘组成，光电码盘将机组转速转换成电脉冲信号，输入到PLC的高速输入端（如：X0），PLC程序按单位时间内脉冲数计算发电机的实际转速，并显示在LED数码显示器上。
2转速测量的软件设计
2.1转速计算方法
目前常用的转速计算方法有以下几种：
(1)M法：是在一定时间间隔内，对光电码盘输出脉冲数进行计数，并计算出转速，适用于发电机转速的高速测量。
(2)T法：是通过测量光电码盘的脉冲周期来计算电机转速的一种测量方法。
(3)M/T法：是结合了M法和T法的优点，在低速及高速段均有较高的分辨能力和测量精度。
(4)E/T法：其原理是从T法出发，只是为了克服T法高速时的精度问题。
结合FX2NPLC和该水电站水轮发电组的测速范围（0～600r/min），以及M法测速对硬件要求简单的特点，本文采用M法进行转速测量与计算。
设与发电机同轴连接的光电码盘每旋转一周，输出脉冲数为P，电机的转速为n(r/min)，检测时间为T(s)，在T内的计数脉冲数为m，则电机的转速n为：
n=60m/pt
在检测时间T内其误差大为1个脉冲，则M法转速分辨率Q为：
Q=60(m 1）/pt-60m/pt=60/pt
可见采用M法测速时，其分辨率与速度的大小无关，要想提高分辩率，除选用每转输出脉冲数多的光电码盘外，只有尽可能的增大检测时间，但是时间过大，转速的反馈延滞作用越严重，将严重影响系统的动、静态性能。
2.2转速的软件设计
2.2.1转速脉冲
将光电码盘的脉冲信号输入到PLC的高速输入端口X0上（X0为高速输入端，其频率为：2kHz）,利用PLC的测速功能指令“SPD”将100ms中的脉冲数存入PLC数据单元D0中，并进一步计算出发电机的转速。其梯形图如图2所示。
2.2.2转速计算
为了简化计算将光电码盘每转一圈的脉冲数设计为60个、检测时间T=1s,则发电机的转速n即为D0中的脉冲数
n=60D0/pt=60D0/60=D0
2.2.3转速处理和显示
PLC程序对机组转速进行实时，非凡是转速达到额定转速35、80、95、140时产生相应的机组控制信号，控制机组进行工况的转变。转速比较判定程序如图3所示。
其中D0为转速数据单元，K210为35的额定转速值（35×600）、M0～M2分别为转速小于210r/min,等于210r/min和大于210r/min控制标志位。
此外，测量的转速数据一方面通过RS232通讯接口上传到电站计算机监控系统，另一方面通过PLC的输出端口在LED显示器上就地显示。就地显示的PLC程序梯形图如图4所示。
梯形图中Y0表示PLC的输出以Y0～Y3输出显示数据信号（BCD码）、Y4～Y7输出位选信号的，参数n表示选用数码管组数（4位为1组）。
本系统在鹅项颈水电站转速测量及保护系统中使用后效果良好。表明该系统具有结构简单、、精度较高、运行等优点，可以推广到其他高性的转速信号测量系统中。
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