CN110488039A - 速度超差报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种速度超差报警装置。该装置包括微控制器、与微控制器连接的数字逻辑控制单元、及与数字逻辑控制单元连接的外部编码器信号输入单元和外部设置单元。外部编码器信号输入单元用于将外部编码器信号转换为数字逻辑控制单元能利用的形式。外部设置单元用于设置速度报警阀值。数字逻辑控制单元用于将外部编码器信号输入单元输入的外部编码器信号和外部设置单元输入的速度报警阀值分别转换为微控制器能利用的形式。微控制器用于由数字逻辑控制单元交互进的信息计算当前速度，并将算出的当前速度与速度报警阀值比较，当满足报警条件时发送报警信号。该装置实时性强，精度高，反应快，可扩展性高，分立器件少，集成度高，整机工作可靠性高。

Description

速度超差报警装置

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种速度超差报警装置。

背景技术

速度超差报警装置广泛应用于钢铁冶金、港口码头(货场)、水利、厂区等大型起重运输机械的卷扬机构中，主要用于系统运动电机的实时速度以及物料搬运位置监视，以保障整个系统设备运行的安全性与可靠性。目前现有的低速机械式速度超差报警器，通过增速机构提高转速，以保证离心开关的吸合，结构繁琐，控制精度低，控制误差较大；电子式速度超差报警器，分立器件多，系统集成度不高，整机可靠性差。无硬件逻辑器件，软件任务全部由微控制器承担，造成信号处理实时性弱、控制精度低、响应慢。另外，无位置脉冲信号输出，功能单一，可扩展性差，速度参数设置不够直观和人性化，没有配置标准通讯总线，难以实现现场多机组网监视。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种速度超差报警装置，以解决传统机械式速度超差报警器和现有的电子式速度超差报警器结构复杂、速度不可调或不方便调节、控制精度差、响应慢的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本公开提出一种速度超差报警装置。所述速度超差报警装置包括微控制器、与所述微控制器连接的数字逻辑控制单元、以及与所述数字逻辑控制单元连接的外部编码器信号输入单元和外部设置单元，其中，所述外部编码器信号输入单元用于将外部编码器信号转换为所述数字逻辑控制单元能够利用的形式；所述外部设置单元用于设置速度报警阀值；所述数字逻辑控制单元用于将所述外部编码器信号输入单元输入的所述外部编码器信号和所述外部设置单元输入的所述速度报警阀值分别转换为所述微控制器能够利用的形式；所述微控制器用于由数字逻辑控制单元交互进的信息计算当前速度，并将计算出来的当前速度与所述速度报警阀值比较，当满足报警条件时发送报警信号。

可选地，所述速度超差报警装置还包括与所述微控制器连接的继电器驱动单元，包括继电器模块和继电器驱动模块，用于收到所述微控制器发送的报警信号时接通所述继电器模块中的继电器。

可选地，对于所述速度超差报警装置，所述外部设置单元包括两组旋转编码开关，分别用于低速超差报警和高速超差报警两种速度阀值设定；所述继电器驱动单元中所述继电器模块包括两组继电器，分别为低速超差报警继电器和高速超差报警继电器，与所述外部设置单元中的所述两组旋转编码开关一一对应，构成高速和低速速度超差报警双通道。

可选地，所述速度超差报警装置还包括与所述微控制器连接的通讯单元，用于与所述速度超差报警装置的外部进行数据通讯。

可选地，对于所述速度超差报警装置，所述通讯单元包括TVS保护电路、光耦隔离电路、DC隔离电源电路、以及RS485芯片。

可选地，所述速度超差报警装置还包括与所述数字逻辑控制单元连接的调制后编码器信号输出单元，用于对所述数字逻辑控制单元输入的所述外部编码器信号进行形式转换，以推挽形式输出。

可选地，对于所述速度超差报警装置，所述外部编码器信号输入单元包括差分转换模块和电平转换模块。

可选地，对于所述速度超差报警装置，所述数字逻辑控制单元包括数字滤波模块、高频计数模块和分频计算模块。

可选地，对于所述速度超差报警装置，所述数字逻辑控制单元与所述微控制器之间通过高速并行总线连接。

可选地，对于所述速度超差报警装置，外部编码器通过一体式连接方式或者分体式连接方式与所述速度超差报警装置连接。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

本公开实施例的速度超差报警装置硬件结构主要包括微控制器和数字逻辑控制单元，软件编程与硬件编程结合，针对外部传感器输入信号，基于纯硬件语言编程，进行数字滤波、高频计算、和/或分频计算；针对其他系统任务，基于软件编程，进行速度算法计算、超差判定、外部通讯、和/或参数管理等。整个系统实时性强，精度高，反应快，可扩展性高，分立器件少，系统集成度高，结构设计紧凑、小巧，整机工作可靠性高。本公开实施例的速度超差报警装置反应灵敏，具有多功能，能够实现可靠报警保护，能够推挽输出分频后的增量式位置脉冲信号，参数设置灵活便捷。另外，本公开实施例的速度超差报警装置配置有标准RS485通讯接口，遵循标准Modbus/RTU总线协议，易于实现现场多机组网监视。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本公开实施例1提供的速度超差报警装置的功能实现框图；

图2为本公开实施例2提供的速度超差报警装置的功能实现框图；

图3A、图3B、图3C和图3D分别为一个示例提供的外部编码器信号输入单元的端口、外部编码器信号输入单元中的差分转换模块U6、以及外部编码器信号输入单元中的电平转换模块U7和U9的电路结构图；

图4为一个示例提供的外部设置单元的电路结构图；

图5为一个示例提供的数字逻辑控制单元的电路结构图；

图6为一个示例提供的微控制器的电路结构图；

图7A和图7B分别为一个示例提供的继电器驱动单元中的继电器模块和继电器驱动模块U8的电路结构图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1为本公开实施例1提供的速度超差报警装置的功能实现框图。如图1所示，本公开实施例1提供的速度超差报警装置包括微控制器110、与微控制器110连接的数字逻辑控制单元120、以及与数字逻辑控制单元120连接的外部编码器信号输入单元130和外部设置单元140。其中，外部编码器信号输入单元130用于将外部编码器信号转换为数字逻辑控制单元能够利用的形式。外部设置单元140用于设置速度报警阀值。数字逻辑控制单元120用于将外部编码器信号输入单元130输入的外部编码器信号和外部设置单元140输入的速度报警阀值分别转换为微控制器能够利用的形式。微控制器110用于由数字逻辑控制单元交互进的信息计算当前速度，并将计算出来的当前速度与速度报警阀值比较，当满足报警条件时发送报警信号。

外部编码器信号输入单元130可以包括差分转换模块和电平转换模块。外部编码器信号输入单元的输出端与数字逻辑控制单元连接，外部编码器信号输入外部编码器信号输入单元130后经过差分转换、电平转换，然后送入数字逻辑控制单元120。

外部设置单元140可以包括两组编码开关，分别用于低速超差报警和高速超差报警两种速度阀值设定，通过设备开窗对外显示，参数设置直观、便捷。外部设置单元140与数字逻辑控制单元120连接，向数字逻辑控制单元120传递速度报警阀值。

数字逻辑控制单元120可以包括数字滤波模块、高频计数模块、以及分频计算模块。数字逻辑控制单元120接收外部编码器信号输入单元130处理后的编码器信号，经过数字滤波、高频计数、分频计算后，将当前周期内的计数值送入微控制器110，供速度计算调用。外部设置单元140中所设置的速度报警阀值在系统运行初始化阶段送入微控制器110，供速度报警判定使用。

微控制器110与数字逻辑控制单元120交互，初始化阶段接收数字逻辑控制单元120输送来的速度报警阀值，运行阶段实时接收数字逻辑控制单元120输送的计数值，经内部速度计算，然后根据速度报警阀值判定是否产生报警动作。微控制器110计算当前速度的速度计算算法可以基于改进型M/T(测周期/频率)算法。M算法是通过计算采样周期Ts内的脉冲个数M来计算转速n。T算法是通过检测两个脉冲之间的时间间隔△T来计算转速n。

数字逻辑控制单元120和微控制器110之间可以通过高速并行总线进行交互，数字逻辑控制单元120实时将当前周期内的计数值输送到微控制器110。

图2为本公开实施例2提供的速度超差报警装置的功能实现框图。如图2所示，本公开实施例2提供的速度超差报警装置包括微控制器210和与微控制器210连接的数字逻辑控制单元220、继电器驱动单元250以及通讯单元260，还包括与数字逻辑控制单元220连接的外部编码器信号输入单元230、外部设置单元240以及调制后编码器信号输出单元270。其中，外部编码器信号输入单元230用于将外部编码器信号转换为数字逻辑控制单元220能够利用的形式。外部设置单元240用于设置速度报警阀值。数字逻辑控制单元220用于将外部编码器信号输入单元230输入的当前周期的计数值和外部设置单元240输入的速度报警阀值分别转换为微控制器210能够识别的形式。微控制器210用于根据当前周期的计数值计算当前速度，并将计算出来的当前速度与所述报警阀值比较，当满足报警条件时发送报警信号。继电器驱动单元250包括继电器模块和继电器驱动模块，用于收到微控制器210发送的报警信号时接通继电器模块中的继电器。通讯单元260用于与速度超差报警装置外部进行标准数据通讯。调制后编码器信号输出单元270用于对数字逻辑控制单元220输入的外部编码器信号进行形式转换，以推挽形式输出。

图3A、图3B、图3C和图3D分别为一个示例提供的外部编码器信号输入单元的端口、外部编码器信号输入单元中的差分转换模块U6、以及外部编码器信号输入单元中的电平转换模块U7和U9的电路结构图。如图3A、图3B、图3C和图3D所示，外部编码器信号由外部编码器信号输入单元230的端口J1引入，经过差分转换模块，然后流入电平转换模块，电平转换模块输出信号进入数字逻辑控制单元220。差分转换模块可以为芯片U6，主要功能为将RS422差分信号转换为单路CMOS电平信号。电平转换模块可以为芯片U7和U9，主要功能为将5V电平信号转换为3.3V电平信号。为保证接口互连的可靠性，端口J1可以采用DB9母插头。

外部设置单元240与数字逻辑控制单元220连接，向数字逻辑控制单元220传递设置的速度报警阀值。图4为一个示例提供的外部设置单元的电路结构图。如图4所示，外部设置单元240可以包括两组旋转编码开关，分别用于低速超差报警和高速超差报警两种速度阀值设定，与继电器驱动单元250中的报警动作继电器一一对应，构成双通道速度超差报警。两组旋转编码开关可以包括8个旋转编码开关SP1_4、SP1_3、SP1_2、SP1_1、SP2_4、SP2_3、SP2_2、SP2_1，每一个旋转编码开关均为0～9共10位编码，其输入值代表个、十、百、千位中的一位值，每4个旋转编码开关组成一个4位BCD码，这样在系统初始化阶段，有两个4位BCD码送入数字逻辑控制单元220，分别代表高、低速报警阀值，设置数据范围为0～9999，单位为转/分钟。为保证每个旋转编码开关引脚的输入电平为有效状态，每个旋转编码开关均接有下拉电阻。外部设置单元240可以通过装置开窗对外显示，使得两通道速度报警阀值设置便捷、观测直观。

图5为一个示例提供的数字逻辑控制单元的电路结构图。如图5所示，数字逻辑控制单元220可以包括芯片U2，芯片U2可以为大规模可编程逻辑芯片(CPLD，ComplexProgrammable Logic Device)，主要负责数字滤波、高频计数和/或分频计算等。

图6为一个示例提供的微控制器的电路结构图。如图6所示，微控制器210可以包括MCU芯片U1，主要负责速度算法计算、超差判定、外部通讯和/或参数管理等。微控制器210与数字逻辑控制单元220之间可以通过高速并行总线连接。

图7A和图7B分别为一个示例提供的继电器驱动单元中的继电器模块和继电器驱动模块U8的电路结构图。如图7A和图7B所示，继电器驱动单元250可以包括继电器模块和继电器驱动模块。继电器模块可以包括两组继电器，两组继电器可以分别为继电器K1和K2，分别为低速超差报警继电器和高速超差报警继电器，与外部设置单元240中的两组旋转编码开关一一对应，构成高速和低速速度超差报警双通道。高速和低速速度超差报警通道可以由用户自由指定，功能灵活。继电器驱动模块可以包括达林顿驱动芯片U8，驱动负载能力强。在速度超差报警条件成立时，由微控制器210发出报警信号，送入芯片U8，芯片U8输出驱动信号，驱动继电器K1和K2的线圈，使继电器K1和K2吸合。根据现场具体使用情况，由继电器的常开1触点NO1、常闭1触点NC1、公共端1触点COM1、常开2触点NO2、常闭2触点NC2、公共端2触点COM2引出的接线孔出线到外围被控电路。

通讯单元260与微控制器210连接，用于与外部进行数据链路通讯。通讯单元260可以包括瞬态电压抑制(TVS，Transient Voltage Suppression)保护电路、光耦隔离电路、DC隔离电源电路、以及RS485芯片，遵循RS485/Modbus RTU标准总线协议。

调制后编码器信号输出单元270与数字逻辑控制单元220连接，数字逻辑控制单元220实时将分频后的外部编码器信号送入调制后编码器信号输出单元270，经硬件信号形式转换，以推挽形式输出供外部使用。如果该实施例的速度超差报警装置装配在卷扬机构高速端比如主电机尾端或者减速机高速轴轴端，编码器信号多用于速度闭环控制，直接接入变频器；如果该实施例的速度超差报警装置装配在低速端比如卷扬机构尾端或者减速机低速轴轴端，编码器信号多用于位置反馈，直接接入PLC或者高度仪表。

外部编码器，也称为外部传感器，可以采用两种方式与本实施例的速度超差报警装置连接，一种是一体式连接，另一种是分体式连接。一体式连接时，外部编码器通过DB9插头与本实施例的速度超差报警装置可靠连接。分体式连接时，外部编码器的引线可以接入本实施例的速度超差报警装置的接线端子上，在这种连接方式下，本实施例的速度超差报警装置还起到对外部编码器信号中继放大的作用。因此，外部编码器的连接安装方式包括两种，与本实施例的速度超差报警装置进行一体化或分体式灵活组合，适用性强。

下面，对该实施例的速度超差报警装置的主要工作过程进行说明。数字逻辑控制单元220接收经过硬件调理后的外部编码器信号和外部设置单元240设置的速度报警阀值信号，经过数字滤波、高频计数、以及分频计算后，数字逻辑控制单元220与微控制器210通过高速并行总线进行交互，实时将当前周期内的计数值送入微控制器210，微控制器210根据速度计算算法，快速计算当前速度，然后根据与数字逻辑控制单元220交互得到的速度报警阀值，判定是否产生报警动作。如果报警条件成立，则微控制器210将报警信号送入继电器驱动单元250，驱动继电器吸合。由焊盘接线孔引出控制线到外围。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的权利要求保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种速度超差报警装置，其特征在于，包括微控制器、与所述微控制器连接的数字逻辑控制单元、以及与所述数字逻辑控制单元连接的外部编码器信号输入单元和外部设置单元，其中，

所述外部编码器信号输入单元用于将外部编码器信号转换为所述数字逻辑控制单元能够利用的形式；

所述外部设置单元用于设置速度报警阀值；

所述数字逻辑控制单元用于将所述外部编码器信号输入单元输入的所述外部编码器信号和所述外部设置单元输入的所述速度报警阀值分别转换为所述微控制器能够利用的形式；

所述微控制器用于由数字逻辑控制单元交互进的信息计算当前速度，并将计算出来的当前速度与所述速度报警阀值比较，当满足报警条件时发送报警信号。

2.如权利要求1所述的速度超差报警装置，其特征在于，还包括与所述微控制器连接的继电器驱动单元，包括继电器模块和继电器驱动模块，用于收到所述微控制器发送的报警信号时接通所述继电器模块中的继电器。

3.如权利要求2所述的速度超差报警装置，其特征在于，

所述外部设置单元包括两组旋转编码开关，分别用于低速超差报警和高速超差报警两种速度阀值设定；

所述继电器驱动单元中所述继电器模块包括两组继电器，分别为低速超差报警继电器和高速超差报警继电器，与所述外部设置单元中的所述两组旋转编码开关一一对应，构成高速和低速速度超差报警双通道。

4.如权利要求1所述的速度超差报警装置，其特征在于，还包括与所述微控制器连接的通讯单元，用于与所述速度超差报警装置的外部进行数据通讯。

5.如权利要求4所述的速度超差报警装置，其特征在于，所述通讯单元包括TVS保护电路、光耦隔离电路、DC隔离电源电路、以及RS485芯片。

6.如权利要求1所述的速度超差报警装置，其特征在于，还包括与所述数字逻辑控制单元连接的调制后编码器信号输出单元，用于对所述数字逻辑控制单元输入的所述外部编码器信号进行形式转换，以推挽形式输出。

7.如权利要求1所述的速度超差报警装置，其特征在于，所述外部编码器信号输入单元包括差分转换模块和电平转换模块。

8.如权利要求1所述的速度超差报警装置，其特征在于，所述数字逻辑控制单元包括数字滤波模块、高频计数模块和分频计算模块。

9.如权利要求1所述的速度超差报警装置，其特征在于，所述数字逻辑控制单元与所述微控制器之间通过高速并行总线连接。

10.如权利要求1所述的速度超差报警装置，其特征在于，外部编码器通过一体式连接方式或者分体式连接方式与所述速度超差报警装置连接。