plc如何算速度

在工业自动化领域，可编程逻辑控制器（PLC）的速度计算是系统设计与优化的核心。本文将深入探讨其计算原理，涵盖从脉冲计数与时间基准的获取，到高速计数器（HSC）的应用、扫描周期的影响，以及最终通过公式推导实际速度。文章还将解析编码器分辨率、滤波设置、中断处理等关键因素，并提供从基础到进阶的实用计算方法与编程实例，旨在为工程师提供一套完整的速度监控与性能提升解决方案。

       在自动化生产线上，一个电机带动传送带匀速运行，其速度的精确掌控直接关系到生产效率与产品质量。作为控制大脑的可编程逻辑控制器（PLC），它究竟是如何“感知”并“计算”出这个速度的呢？这并非一个简单的读数，而是一套融合了硬件感知、软件逻辑和数学计算的综合技术。理解PLC如何算速度，是进行设备精准控制、故障诊断和工艺优化的基础。本文将为您层层剥茧，从最底层的信号采集开始，直至最终的速度值呈现，完整揭示其中的原理与实践方法。

       

一、速度计算的基石：脉冲与时间

       PLC计算速度，无论是线性速度还是旋转速度，其本质都是测量“位移”与“时间”的比值。在工业现场，位移信息通常并非直接给出，而是通过传感器转化为一系列电脉冲信号。最常见的传感器就是旋转编码器，它安装在电机或运动轴的末端，轴每旋转一定角度，就输出一个或一组脉冲。因此，脉冲的数量就代表了机械装置走过的位移（角度或长度）。

       有了位移信息，还需要一个精确的时间尺度来衡量这些脉冲是在多长的时间内产生的。PLC内部拥有高精度的时钟（时基），可以以毫秒（ms）甚至微秒（μs）为单位进行计时。速度计算的核心公式便呼之欲出：速度 = （脉冲数 / 时间）。对于旋转运动，常计算为转速（单位：转/分钟，RPM）；对于直线运动，则结合机械传动比（例如丝杠导程）计算出线速度（单位：米/分钟或毫米/秒）。

       

二、高速计数器：捕捉高速脉冲的利器

       普通PLC的输入端子扫描速度有限，当脉冲频率较高时（如上千赫兹），很容易丢失脉冲，导致计数不准。此时，就必须动用PLC的专用硬件模块——高速计数器（High-Speed Counter， HSC）。高速计数器是独立于主程序扫描周期的硬件电路，它能够直接响应输入端的快速变化，实现精准无误的计数。用户需要在PLC的组态软件中对其进行配置，设定其工作模式（如单相计数、AB正交计数等）、预置值、复位方式等。

       

三、扫描周期的挑战与应对

       PLC程序采用循环扫描的工作方式，这意味着速度计算指令并非时刻在执行，而是每个扫描周期执行一次。如果直接在主程序中用“本次计数减去上次计数”再除以扫描时间来计算瞬时速度，结果会呈现阶梯状跳跃，非常不精确，且扫描周期本身也存在微小波动。为了解决这个问题，通常采用两种策略：一是使用定时中断，在固定的、较短的时间间隔（如10ms）触发一次速度计算，从而获得更平滑、更及时的速度值；二是利用高速计数器模块自带的速度测量功能，许多高端高速计数器能直接输出频率或周期值，这本质上已经是硬件计算好的速度相关信息。

       

四、从脉冲到实际速度的公式推导

       假设我们通过定时中断，在固定的时间间隔T（单位：秒）内，读取到高速计数器的脉冲数增量为ΔC。编码器每旋转一周发出的脉冲数为P（即编码器分辨率）。那么，在这段时间T内的平均转速n（单位：转/秒）为：n = (ΔC / P) / T。将其转换为常用的转每分钟（RPM）：转速（RPM）= (ΔC / P) / T 60 = (60 ΔC) / (P T)。

       如果需要计算直线速度，假设丝杠的导程为L（单位：毫米/转），那么线速度v（单位：毫米/秒）为：v = n L = (ΔC L) / (P T)。可以看到，所有计算都依赖于三个关键参数：测量的脉冲增量ΔC、编码器分辨率P和测量时间窗口T。

       

五、编码器分辨率的关键作用

       编码器分辨率P是计算中的核心常数，它的精度直接决定了速度计算的精度。一个1000线的编码器，每转产生1000个脉冲；而一个17位绝对值的编码器，每转则产生131072个脉冲。分辨率越高，对相同物理位移的“度量尺”刻度越细，计算出的速度就越精确，系统对低速的检测能力也越强。在选择编码器时，需要根据所需的速度控制精度和最低可测速度来权衡分辨率。

       

六、测量时间窗口的选取艺术

       时间窗口T的选取是一个权衡的艺术。T越长，采集到的脉冲数ΔC越多，对脉冲计数的随机误差（如干扰毛刺）的平滑效果越好，计算出的速度值越稳定，但速度响应的实时性变差。T越短，实时性高，能反映速度的快速变化，但脉冲计数少，单个脉冲的误差会被放大，导致速度值跳动剧烈。在实践中，需要根据对象的惯性大小和速度波动频率来选择合适的T。对于变化缓慢的大惯性负载，T可取100ms至1秒；对于需要快速响应的伺服系统，T可能需在10ms以下。

       

七、硬件滤波与信号质量

       现场电磁环境复杂，编码器信号可能掺杂噪声。如果这些噪声脉冲被高速计数器误采集，将直接导致速度计算错误。因此，在PLC输入端子上设置合适的硬件滤波时间常数至关重要。滤波时间设置过长会滤掉有效的高频脉冲，设置过短则无法抑制噪声。通常需要观察信号波形或通过实验，找到一个既能有效滤除噪声，又不影响正常高速脉冲通过的滤波值。

       

八、中断服务程序的编写要点

       当采用定时中断进行速度计算时，中断服务程序（ISR）的编写必须高效、简洁。其核心步骤应包括：安全读取当前高速计数器值并存储；计算与上一次值的差值ΔC；根据上述公式计算速度；更新用于下一次计算的“上一次计数器值”；最后将计算出的速度值存入一个全局变量供主程序使用。务必确保中断程序执行时间远小于中断周期，否则会引起系统时序混乱。

       

九、速度值的处理与滤波

       即使采用了合理的时间窗口，计算出的原始速度值仍可能存在抖动。在软件层面，可以对这一序列的速度值进行数字滤波以获得更平滑的输出。最简单有效的方法是移动平均滤波，即取最近N个速度值的算术平均值作为输出。更高级的方法还包括一阶低通数字滤波（惯性滤波），它通过算法模拟一个惯性环节，能有效平滑噪声且相位滞后较小。滤波参数的选择需要结合实际控制需求进行调整。

       

十、方向判断与双向速度

       在许多应用中，电机需要正反转。如何计算带方向的速度？这依赖于编码器和高速计数器的模式。对于单通道编码器配合方向信号，高速计数器可根据方向信号决定是递增计数还是递减计数，计数值本身有正负，计算出的速度也就自带符号。对于双通道正交编码器（A/B相），两路脉冲相位差90度，高速计数器能通过识别相位关系自动判断旋转方向，实现四倍频计数，同时提高分辨率与方向判断能力。

       

十一、利用频率测量模式

       部分高速计数器提供直接的频率测量模式。在该模式下，硬件会自动测量输入脉冲的频率（单位：赫兹），并存储在指定的寄存器中。此时，速度计算简化为：转速（RPM）= （测量频率值 / P） 60。这种方法将脉冲计时和计算任务交给了专用硬件，减轻了CPU负担，且测量通常更精确、实时性更高，是推荐的首选方法，前提是所使用的PLC模块支持该功能。

       

十二、低速测量的特殊处理

       当设备运行速度极低时，在固定的短时间窗口T内，可能采集不到任何脉冲（ΔC=0），这会计算出零速度，无法反映真实的低速状态。解决低速测量问题有两种思路：一是延长测量时间窗口T，直到有足够脉冲被采集，但这牺牲了实时性；二是采用周期测量法，改为测量两个相邻脉冲之间的时间间隔，然后根据这个时间计算瞬时速度。后者在极低速时精度更高，但高速时时间间隔太短，测量误差大。因此，一些智能的系统会根据速度范围自动切换测量模式。

       

十三、实际编程示例解析

       以一个主流的西门子S7-1200系列PLC为例，简要说明步骤。首先在博途（TIA Portal）软件中组态高速计数器，选择“频率测量”模式，并设定时基。在程序中，配置一个循环中断组织块（如OB30），设置中断周期为50ms。在该中断块中，直接读取高速计数器提供的频率测量值“HSC_FREQ”。然后，根据公式：实际转速 = (HSC_FREQ 60) / 编码器分辨率，进行计算。最后，可以将计算结果通过移动平均滤波后，送到人机界面（HMI）显示或用于后续控制。

       

十四、误差来源分析与校准

       PLC计算出的速度值与真实速度之间存在误差，主要来源有：1. 编码器本身的分辨率误差与安装同心度误差；2. 高速计数器的±1个脉冲计数误差；3. 时间基准的晶振误差；4. 扫描周期或中断周期的抖动。为了获得更可信的速度，可以进行系统校准。例如，让电机在固定转速（用高精度转速表测量）下运行，记录PLC计算值，计算出一个校准系数，在后续计算中乘上该系数进行补偿。

       

十五、速度计算在闭环控制中的应用

       计算速度不仅仅是为了显示。在更高级的运动控制中，它构成速度闭环反馈。PLC或专用的运动控制器将计算得到的实际速度，与系统给定的目标速度进行比较，其偏差送入比例积分微分（PID）调节器，调节器的输出再控制变频器或伺服驱动器的输出，从而形成一个闭环，使实际速度紧紧跟随设定值，抵抗负载波动带来的影响。此时，速度计算的快速性、准确性和稳定性直接决定了整个控制系统的性能。

       

十六、多轴同步与速度关联计算

       在复杂的机器中，多个运动轴需要保持严格的速度比例关系，如印刷机的多个辊筒。这时，需要实时计算并监控每个轴的速度，并通过主控器动态调整各轴的设定速度，以确保同步。计算各轴之间的速度比、速度差，并以此作为同步控制的依据，是多轴协调运动的基础。这要求PLC不仅要有强大的高速计数能力，还要有高效的数据处理和通信能力。

       

十七、通过通讯获取速度信息

       在现代分布式架构中，速度计算不一定发生在主PLC中。智能伺服驱动器本身就能精确计算电机转速，并通过现场总线（如PROFINET， EtherCAT）或工业以太网将速度值作为过程数据周期性地发送给PLC。PLC直接读取这个“现成”的速度值，无需自己进行脉冲计数和计算。这种方法简化了PLC编程，提高了精度，但依赖于驱动器的性能和通讯网络的实时性。

       

十八、维护与故障诊断中的速度分析

       持续监控的速度数据是设备健康状态的“听诊器”。速度值的异常波动可能暗示着机械传动部件磨损（如皮带打滑）、编码器连接松动、或负载突变。通过趋势图分析速度历史数据，可以预测性维护。例如，在空载运行时，速度波动范围逐渐增大，可能意味着轴承润滑不良。因此，将速度计算功能与数据记录、报警功能结合，能极大提升设备的可维护性与运行可靠性。

       综上所述，PLC计算速度是一个从物理信号到数字信息的精密转换过程。它始于一个微小的脉冲，历经硬件的精准捕获、软件的巧妙计算，最终化为一个代表设备运行状态的关键数值。掌握其原理与方法，不仅能帮助工程师完成基本的监控任务，更是迈向高性能运动控制、智能诊断与优化生产的必经之路。随着技术的发展，计算的职责可能在不同硬件间迁移，但其核心——对位移与时间的精确度量，始终是工业自动化领域不变的追求。