CN106444606B - 基于plc技术的增量式电子编码里程计装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置及其应用，该装置安装在有轨电车上，所述的里程计装置分别与有轨电车的车轮转速传感器、速度反馈电压传感器和车载控制器连接，所述的里程计装置包括增量编码器模块、AD转换模块、PLC模块、增量式脉冲发生器模块，所述的PLC模块分别与增量编码器模块、AD转换模块、增量式脉冲发生器模块连接，所述的增量编码器模块与车轮转速传感器连接，所述的AD转换模块与速度反馈电压传感器连接，所述的增量式脉冲发生器模块与车载控制器连接。与现有技术相比，本发明具有可扩展性大大增强等优点。

Description

基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种增量式电子编码里程计，尤其是涉及一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置及其应用。

背景技术

有轨电车信号***中列车的车载控制***(OBS)是及其重要的，有轨电车列车车载功能包括了有轨电车的ATP列车自动防护和DAC列车辅助驾驶，而无论是ATP功能或者是DAC功能，都是依赖于列车的测速和定位信息，分别需要用到里程计测速和信标定位。其中，目前的列车里程计基本都被国外公司所垄断，存在技术不透明、价格昂贵、使用不够灵活、设备损耗高、可扩展性差等缺点。因而在实际使用中，一种里程计难以匹配到所有类型的车辆上，且在实际安装使用中需要不断的调整和修正。

在现实使用中，由于种种原因，国内外对编码里程计的研究与开发在技术上还存在以下一些问题：

1)可扩展性：随着轨道交通需求的不断增大，不同路况和线路的复杂度也越来越高，因此列车对编码里程计的需求也在不断提高，传统的霍尔型编码里程计和光电型编码里程计难以适应多种不同的场景。

2)通用性：目前的轨道交通分为国家铁路，城市轨道交通，有轨电车三个方面，列车的型号和款式多种多样，列车对编码里程计的接口需求也不断增长，提供通用的电子编码里程计十分必要。

3)损耗性：传统编码里程计都有机械件的转动和摩擦，在日积月累的列车运行中，机械件会发生磨损和腐蚀的情况，不光会影响到机械件的寿命，并且会进一步影响到编码里程计的精度和准度。

4)可追溯性：传统的编码里程计当发生故障时，很难检测到故障发生原因和时间，必须用专用的里程计测试单元，检测效果也不是十分理想。

5)增量性转换和记录：传统的编码里程计只能对速度做出采集，没有位移记录和速度转换功能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置及其应用，在汲取了现有国外编码里程计技术不足的经验基础上，设计通用的PLC型增量型电子编码里程计，可以为有轨电车速度和定位信息的采集提供稳定可靠的数据来源，并对有轨电车车载信号***提供可靠的技术支撑和方便的研究平台，因此具有十分重要的意义。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，该装置安装在有轨电车上，所述的里程计装置分别与有轨电车的车轮转速传感器、速度反馈电压传感器和车载控制器连接，所述的里程计装置包括增量编码器模块、AD转换模块、PLC模块、增量式脉冲发生器模块，所述的PLC模块分别与增量编码器模块、AD转换模块、增量式脉冲发生器模块连接，所述的增量编码器模块与车轮转速传感器连接，所述的AD转换模块与速度反馈电压传感器连接，所述的增量式脉冲发生器模块与车载控制器连接。

所述的增量编码器模块为三通道增量式编码器，该编码器设有三路信号输出，分别为：A脉冲、B脉冲和Z脉冲，其中A脉冲在前，B脉冲在后，A与B脉冲相差90度，每圈发出一个Z脉冲，作为参考机械零位；轴端看编码器顺时针旋转为正转，即A脉冲超前B脉冲为90°，反之逆时针旋转为反转，即B脉冲超前A脉冲为90°。

所述的AD转换模块设有四个输入通道和32个缓存器，其中四个输入通道用于将接收模拟信号并将其转换成数字量，32个缓存器分配定义如下：

0#：通道初始化，缺省值H0000；

1#---4#：通道1---通道4的平均采样数，用于得到平均结果；

5#---8#:通道1---通道4采样数的平均输入值，即根据#1---#4规定的平均采样次数，得出所有采样的平均值；

9#---12#：通道1---通道4读入的当前值；

13#，14#：保留，不做定义；

15#：选择A/D转换速度，设为0则选择正常速度；设为1则选择高速(15ms/通道)；

16#---19#：保留，不做定义；

20#：复位到缺省值和预设，缺省值为0；

21#：禁止调整偏移、增益值；

22#：偏移，增益调整；

23#：偏移值，缺省值为0；

24#：增益值，缺省值为5000；

25#---28#：保留，不做定义；

29#：错误状态；

30#：识别码K2010；

31#：禁用。

所述的PLC模块包括CPU模块，该CPU模块包括以下功能：定时中断采集、模拟量输入采集和脉冲控制输出。

所述的模拟量输入采集包括采样处理和平均处理；

所述的采用处理具体为：按CPU模块的每个扫描对模拟输入进行A/D转换，每次都进行数字输出，并将值存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中；

所述的平均处理具体为：按每个通道对数字输出值进行平均处理，并将平均值存储到设定寄存器中。

所述的平均处理设有三种，分别为：

时间平均：按照设置时间进行A/D转换，对合计值进行平均，并存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中；设置时间内的处理次数因扫描时间而异，其中处理次数＝设置时间/扫描时间；

次数平均：以次数指定A/D转换值的平均处理，对除最大值和最小值以外的平均值进行数字输出，并存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中；基于次数平均的平均值被存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中的时间，因扫描时间而异；处理时间＝设置次数×扫描时间；

移动平均：指定A/D转换值的移位平均处理的次数，对该平均值进行数字输出，并存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中。

所述的脉冲控制输出具体为：首先设置输出端口号以及参数，设置脉冲输出的模式，选择PULSE/SIGN模式后进行脉冲输出。

一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置的应用，包括以下步骤：

1)当PLC模块上电后，进入PLC模块内部自检阶段，包括PLC模块检查CPU模块的硬件是否正常，以及复位监视定时器；

2)PLC模块初始化，即PLC模块加载梯形图程序，初始化所有定时器和寄存器；

3)当列车运行启动后，增量式编码器模块对列车车轮转速进行跟踪采集，并按照实际的转速和位移信息，对PLC模块的CPU模块内寄存器写入速度和位移信息；

4)当列车运行启动后，如果列车有速度电压输出，则AD转换模块对速度电压进行采集，并对PLC模块的CPU模块内寄存器写入速度和位移信息；

5)PLC模块处理阶段，按先上后下以及先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关映像寄存器中；

6)PLC模块的CPU模块根据程序指令，把单位时间内采集到的转动周数和速度模拟量电压根据PLC指令转换为速度脉冲信息；

7)PLC分配新的寄存器，写入脉冲数结果，并通过增量式脉冲发生器模块，对外发送脉冲信号；

8)定期对外发送单位时间内的脉冲数结果，表示单位时间内位移增量信息。

与现有技术相比，本发明通过采用PLC技术，该电子编码里程计可以完全满足轨道交通信号***的速度、位置采集的需求，所具备的优点和特点如下：

1)可扩展性大大增强：PLC型增量型编码里程计，组成的基本单元为PLC模块，故可以扩展增加不同功能的其他模块，如串口模块、网络模块、各类IO模块等，可以方便适应未来列车对里程计方面更多的需求；

2)良好的通用性：由于基本单元采用的是工业控制领域通用的PLC，因此适用范围广，在轨道交通方面可以通用应用于不同的车型，如有轨单车、地铁、高铁、城际铁路等；

3)低损耗性：电子编码里程计基本上没有物理转动和摩擦，PLC本身的平均寿命也为20年，因此磨损损耗非常低，寿命长，降低了使用成本；

4)可追溯性：PLC可对所有处理的数据进行记录，因此当列车速度采集发生故障时，通过PLC日志记录可对发生的问题做追查；

5)增量性转换和记录：PLC增量型电子编码里程计可对发生的脉冲做累加计算和记录，可直接转换为位移增量信息对外发送，可减少轨道交通中定位信标的数量；

6)安装维护便捷：PLC在工控领域安装方便，PLC型电子里程计不需要改变列车的传动机械机构即可方便安装使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为PLC的梯形图；

图4为PULSE/SIGN模式的脉冲输出信号图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，该装置安装在有轨电车上，所述的里程计装置分别与有轨电车的车轮转速传感器6、速度反馈电压传感器7和车载控制器5连接，所述的里程计装置包括增量编码器模块1、AD转换模块2、PLC模块3、增量式脉冲发生器模块4，所述的PLC模块3分别与增量编码器模块1、AD转换模块2、增量式脉冲发生器模块4连接，所述的增量编码器模块1与车轮转速传感器6连接，所述的AD转换模块2与速度反馈电压传感器7连接，所述的增量式脉冲发生器模块4与车载控制器5连接。

具体内容如下：

1)增量型编码器的应用与开发：所选用的增量型编码器有三路信号输出：A脉冲、B脉冲和Z脉冲，采用TTL电平，A脉冲在前，B脉冲在后，A,B脉冲相差90度，每圈发出一个Z脉冲，可作为参考机械零位。利用A超前B或B超前A进行判向，增量型编码器定义为轴端看编码器顺时针旋转为正转，A超前B为90°，反之逆时针旋转为反转B超前A为90°；

2)PLC AD模拟量转换模块的应用与开发：选用的速度电压模拟值范围是-10V到10VDC(分辨率：5mV)，对于AD模块的32个缓冲存储器(0～31)分配定义如下：

0#：通道初始化，缺省值H0000

1#---4#：通道1---通道4的平均采样数(1---4096)，用于得到平均结果。缺省值高设为8(正常速度)，高速操作可选择1.

5#---8#:通道1---通道4采样数的平均输入值，即根据#1---#4规定的平均采样次数，得出所有采样的平均值。

9#---12#：通道1---通道4读入的当前值。

13#，14#：保留，不做定义。

15#：选择A/D转换速度，设为0(缺省值)则选择正常速度(15ms/通道)；设为1则选择高速(15ms/通道)。

16#---19#：保留，不做定义。

20#：复位到缺省值和预设，缺省值为0。

21#：禁止调整偏移、增益值。缺省值为(0，1)允许状态。

22#：偏移，增益调整。

23#：偏移值，缺省值为0。

24#：增益值，缺省值为5000。

25#---28#：保留，不做定义。

29#：错误状态。

30#：识别码K2010。

31#：禁用。

3)CPU模块的编程与开发：PLC程序要满足三个需求点：即定时中断采集、模拟量输入采集和脉冲控制输出。PLC的梯形图程序如图3所示：

4)定时中断采集：设置定时中断I28的中断触发时间为100ms，这种方法可以保证循环读取模拟输入端的值；

5)PLC模拟量输入：即A/D转换，转换的方式有采样处理和平均处理两种方法：

采样处理：按CPU模块的每个扫描对模拟输入进行A/D转换，每次都进行数字输出并将值存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视。

平均处理：按每个通道对数字输出值进行平均处理，并将平均值存储到特殊寄存器中。平均处理有以下3种：

时间平均：按照设置时间进行A/D转换，对合计值进行平均，并存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中。设置时间内的处理次数因扫描时间而异。处理次数＝设置时间/扫描时间；

次数平均：以次数指定A/D转换值的平均处理，对除最大值和最小值以外的平均值进行数字输出，并存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中。基于次数平均的平均值被存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中的时间，因扫描时间而异。处理时间＝设置次数×扫描时间；

移动平均：可以指定A/D转换值的移位平均处理的次数，对该平均值进行数字输出，并存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中。

6)脉冲输出控制：在模拟量处理模块完成A/D转换，将模拟量转换成数字量以后，再使用定位模块生成脉冲输出。首先需要设置输出端口号以及相关参数，设置脉冲输出的模式，这里我们选择PULSE/SIGN模式，如图4所示：

如图2所示，本发明的工作流程包括以下步骤：

1)当PLC上电后，进入PLC内部自检阶段，在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其他内部工作；

2)PLC程序初始化阶段，即PLC加载梯形图程序，初始化所有定时器和寄存器；

3)当列车运行启动后，增量式编码器对列车车轮转速进行跟踪采集，并按照实际的转速和位移信息，对PLC的CPU模块内寄存器写入速度和位移信息；

4)当列车运行启动后，如果列车有速度电压输出，则PLC模拟量采集模块对速度电压进行采集，并对PLC的CPU模块内寄存器写入速度和位移信息；

5)PLC程序处理阶段，按先上后下，先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关映像寄存器中；

6)PLC的CPU模块根据程序指令，把单位时间内采集到的转动周数和速度模拟量电压根据PLC指令转换为速度脉冲信息；

7)PLC分配新的寄存器，写入脉冲数结果，并通过脉冲发送模块，对外发送脉冲信号；

8)定期对外发送单位时间内的脉冲数结果，表示单位时间内位移增量信息。

如图1所示，一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，该装置具体包括增量编码器模块、AD转换模块、PLC模块、增量式脉冲发生器模块。

对各模块进行阐述：

1、增量式编码器：

增量式编码器是一种采用光电等方法将轴的机械转角转换为数字信号输出的精密传感器，工作原理如下：随转轴一起转动的脉冲码盘上有均匀刻制的光栅，在码盘上均匀地分布着若干个透光区段和遮光区段。增量式编码器没有固定的起始零点，输出的是与转角的增量成正比的脉冲，需要用计数器来计脉冲数。每转过一个透光区时，就发出一个脉冲信号，计数器当前值加1，计数结果对应于转角的增量。

所选用的三通道增量式编码器内部除了有双通道增量式编码器的两对光电耦合器外，在脉冲码盘的另外一个通道有1个透光段，每转1圈，输出1个脉冲，该脉冲称为Z相零位脉冲，用做***清零信号，或坐标的原点，以减少测量的积累误差。如果编码器输出脉冲的周期大于PLC的扫描循环时间的两倍，通过在B相脉冲的上升沿判断A相脉冲信号的0、1状态，可以判断编码器旋转的方向。

2、AD转换模块：

FX2N-4AD模拟特殊模块有四个输入通道。输入通道接收模拟信号并将其转换成数字量，这称为A/D转换。FX2N-4AD最大分辨率是12位。基于电压或电流的输入/输出的选择通过用户配线来完成，可选用的模拟值范围是-10V到10VDC(分辨率5mV),并且/或者4到20mA,-20到20mA(分辨率：20μA).FX2N-4AD和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N-4AD共有32个缓冲存储器(每个16位).FX2N-4AD占用FX2N扩展总路线的8个点.这8点可以分配成输入或输出.FX2N-4AD消耗FX2N主单元成有源扩展单元5V电源糟30mA的电流。

3、PLC的CPU模块：

CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。

CPU模块用于存储和执行PLC梯形图程序，按照用户的梯形图指令进行运算和执行。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据***所赋予的功能(***程序存储器的解释编译程序)，把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。

4、脉冲发生器模块：

利用PLC的晶体管IO高频输出，外加一路电源以产生数字脉冲波形。在PLC的第一个扫描周期，M1常闭触点闭合，所以M1线圈能得电；第二个扫描周期，因在上一个扫描周期Ml线圈已得电，所以M1的常闭触点断开，因此使M1线圈失电。因此，Ml线圈得电时间为一个扫描周期。M1线圈不断连续地得电、失电，其常开触点也随之不断连续地闭合、断开，就产生了脉宽为一个扫描周期的连续脉冲信号输出，可适用于与有轨电车车载速度信号的采集。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，该装置安装在有轨电车上，其特征在于，所述的里程计装置分别与有轨电车的车轮转速传感器、速度反馈电压传感器和车载控制器连接，所述的里程计装置包括增量编码器模块、AD转换模块、PLC模块、增量式脉冲发生器模块，所述的PLC模块分别与增量编码器模块、AD转换模块、增量式脉冲发生器模块连接，所述的增量编码器模块与车轮转速传感器连接，所述的AD转换模块与速度反馈电压传感器连接，所述的增量式脉冲发生器模块与车载控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，其特征在于，所述的增量编码器模块为三通道增量式编码器，该编码器设有三路信号输出，分别为：A脉冲、B脉冲和Z脉冲，其中A脉冲在前，B脉冲在后，A与B脉冲相差90度，每圈发出一个Z脉冲，作为参考机械零位；轴端看编码器顺时针旋转为正转，即A脉冲超前B脉冲为90°，反之逆时针旋转为反转，即B脉冲超前A脉冲为90°。

3.根据权利要求1所述的一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，其特征在于，所述的AD转换模块设有四个输入通道和32个缓存器，其中四个输入通道用于将接收模拟信号并将其转换成数字量，32个缓存器分配定义如下：

0#：通道初始化，缺省值H0000；

1#---4#：通道1---通道4的平均采样数，用于得到平均结果；

5#---8#:通道1---通道4采样数的平均输入值，即根据#1---#4规定的平均采样次数，得出所有采样的平均值；

9#---12#：通道1---通道4读入的当前值；

13#，14#：保留，不做定义；

15#：选择A/D转换速度，设为0则选择正常速度；设为1则选择高速，速度为15ms/通道；

16#---19#：保留，不做定义；

20#：复位到缺省值和预设，缺省值为0；

21#：禁止调整偏移、增益值；

22#：偏移，增益调整；

23#：偏移值，缺省值为0；

24#：增益值，缺省值为5000；

25#---28#：保留，不做定义；

29#：错误状态；

30#：识别码K2010；

31#：禁用。

4.根据权利要求1所述的一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，其特征在于，所述的PLC模块包括CPU模块，该CPU模块包括以下功能：定时中断采集、模拟量输入采集和脉冲控制输出。

5.根据权利要求4所述的一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，其特征在于，所述的模拟量输入采集包括采样处理和平均处理；

所述的采样处理具体为：按CPU模块的每个扫描对模拟输入进行A/D转换，每次都进行数字输出，并将值存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中；

所述的平均处理具体为：按每个通道对数字输出值进行平均处理，并将平均值存储到设定寄存器中。

6.根据权利要求5所述的一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，其特征在于，所述的平均处理设有三种，分别为：

时间平均：按照设置时间进行A/D转换，对合计值进行平均，并存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中；设置时间内的处理次数因扫描时间而异，其中处理次数＝设置时间/扫描时间；

次数平均：以次数指定A/D转换值的平均处理，对除最大值和最小值以外的平均值进行数字输出，并存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中；基于次数平均的平均值被存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中的时间，因扫描时间而异；处理时间＝设置次数×扫描时间；

移动平均：指定A/D转换值的移位平均处理的次数，对该平均值进行数字输出，并存储到数字输出值、数字运算值及模拟输入值监视中。

7.根据权利要求4所述的一种基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置，其特征在于，所述的脉冲控制输出具体为：首先设置输出端口号以及参数，设置脉冲输出的模式，选择PULSE/SIGN模式后进行脉冲输出。

8.一种如权利要求1所述的基于PLC技术的增量式电子编码里程计装置的应用，其特征在于，包括以下步骤：

1)当PLC模块上电后，进入PLC模块内部自检阶段，包括PLC模块检查CPU模块的硬件是否正常，以及复位监视定时器；

2)PLC模块初始化，即PLC模块加载梯形图程序，初始化所有定时器和寄存器；

3)当列车运行启动后，增量式编码器模块对列车车轮转速进行跟踪采集，并按照实际的转速和位移信息，对PLC模块的CPU模块内寄存器写入速度和位移信息；

4)当列车运行启动后，如果列车有速度电压输出，则AD转换模块对速度电压进行采集，并对PLC模块的CPU模块内寄存器写入速度和位移信息；

5)PLC模块处理阶段，按先上后下以及先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关映像寄存器中；

6)PLC模块的CPU模块根据程序指令，把单位时间内采集到的转动周数和速度模拟量电压根据PLC指令转换为速度脉冲信息；

7)PLC分配新的寄存器，写入脉冲数结果，并通过增量式脉冲发生器模块，对外发送脉冲信号；

8)定期对外发送单位时间内的脉冲数结果，表示单位时间内位移增量信息。

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