【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 手指觸摸 ” 而八仙過(guò)海各顯神通的。 PLC，運(yùn)用其高速計(jì)數(shù)器記錄旋轉(zhuǎn)編碼器輸入的脈沖數(shù)，再通過(guò) PLC的其它指令計(jì)算出焦車行走的距離，由此判斷出焦車所在爐室；又與光電開關(guān)組成校正系統(tǒng)，通過(guò)焦車經(jīng)過(guò)爐室，光電開關(guān)遇到定位遮光片輸入到 PLC 的脈沖，使 PLC 程序進(jìn)入中斷程序，從而進(jìn)行對(duì)焦車進(jìn)行位置校正。 目前生產(chǎn) PLC 的廠家較多。但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均能生產(chǎn)的不算太多。較有影響的，在中國(guó)市場(chǎng)占有較大份額的公司有： 德國(guó)西門子公司 ：有 SS系列的產(chǎn)品。有 SS－ 95U、 100U、 115U、 135U及 155U。 135U、 155U為大型機(jī)，控制點(diǎn)數(shù)可達(dá) 6000 多點(diǎn)，模擬量可達(dá) 300 多路。最近還推出 S7 系列機(jī)，有 S7200（小型）、 S7300（中型）及 S7400 機(jī)（大型）。性能比 S5 大有提高。 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 8 日本 OMRON 公司：它有 CPM1A 型機(jī)， P 型機(jī)， H 型機(jī)， CQM CVM、 CV 型機(jī)， Ha 型、 F 型機(jī)等，大、中、小、微均有，特別在中、小、微方面更具特長(zhǎng)，在中國(guó)及世界市場(chǎng)，都占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。 美國(guó) GE 公司、日本 FANAC 合資的 GE－ FANAC 的 90－ 70 機(jī)也是很吸引人的。據(jù)介紹。它具有 25 個(gè)特點(diǎn)。諸如，用軟設(shè)定代硬設(shè)定，結(jié)構(gòu)化編程，多種編程語(yǔ)言，等等。它有 91 781／ 78 771／ 77 731／ 732 等多種型號(hào)。另外，還有中型機(jī) 90－ 30 系列，其型號(hào)有 34 3332 321 多種；還有 90－ 20 系列小型機(jī)，型號(hào)為 211。 美國(guó)莫迪康公司 (施奈德 )的 984 機(jī)也是很有名的。其中 E984－ 785 可安 31 個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)，總控制規(guī)模可達(dá) 63535 點(diǎn)。小的為緊湊型的，如 984120，控制點(diǎn)數(shù)為 256 點(diǎn)，在最大與最小之間，共 20 多個(gè)型號(hào)。 美國(guó) AB（ Alien－ Bradley）公司創(chuàng)建于 1903 年，在世界各地有 20 多個(gè)附屬機(jī)構(gòu)， 10 多個(gè)生產(chǎn)基地?？删幊炭刂破饕彩撬闹匾a(chǎn)品。它的 PLC－ 5 系列是很有名的，其下有 PLC－5/10， PLC－ 5/11， ??PLC － 5/250 多種型號(hào)。另外，它也有微型 PLC， SLC－ 500 即為其中一種。有三種配置， 30 及 40 I/O 配置選擇， I/O 點(diǎn)數(shù)分別為 12/ 18/12 及 24/16 三種。 日本三菱公司的 PLC 也是較早推到我國(guó)來(lái)的。其小型機(jī) FI 前期在國(guó)內(nèi)用得很多，后又推出 FXZ 機(jī)，性能有很大提高。它的中、大型機(jī)為 A系列。 AIS、 AZC、 A3A等。 日本日立公司也生產(chǎn) PLC，其 E系列為箱體式的。基本箱體有 E E2 E－ E－ 64。其 I/O 點(diǎn)數(shù)分別為 12/ 16/1 24/16 及 40/24。另外，還有擴(kuò)展箱體，規(guī)格與主箱體相同其 EM 系列為模塊式的，可在 16～ 160 之間組合。 日本東芝公司也生產(chǎn) PLC，其 EX小型機(jī)及 EX－ PLUS 小型機(jī)在國(guó)內(nèi)也用得很多。它的編程語(yǔ)言是梯形圖 ，其專用的編程器用梯形圖語(yǔ)言編程。另外，還有 EX100 系列模塊式 PLC，點(diǎn)數(shù)較多，也是用梯形圖語(yǔ)言編程。 日本松下公司也生產(chǎn) PLC。 FPI 系列為小型機(jī)，結(jié)構(gòu)也是箱體式的，尺寸緊湊。 FP3 為模塊式的，控制規(guī)模也較大，工作速度也很快，執(zhí)行基本指令僅 0178。l 微秒。 日本富士公司也有 PLC。其 NB 系列為箱體式的，小型機(jī)。 NS系列為模塊式。 美國(guó) IPM 公司的 IP1612 系列機(jī)，由于自帶模擬量控制功能，自帶通訊口，集成度又非常之高，雖點(diǎn)數(shù)不多，僅 16 入， 12 出，但性價(jià)比還是高的，很適合于系統(tǒng)不大，但又有模擬量需控制的場(chǎng)合 。新出的 lP3416 機(jī)， I/O 點(diǎn)數(shù)擴(kuò)大到 34 入、 12 出，而且還自帶一個(gè)簡(jiǎn)易小編程器，性能又有改進(jìn)。 國(guó)內(nèi) PLC廠家規(guī)模多不大。最有影響的算是無(wú)錫的華光。、它也生產(chǎn)多種型號(hào)與規(guī)格的 PLC，如 SU、 SG等，發(fā)展也很快，在價(jià)格上很有優(yōu)勢(shì)。相信會(huì)在世界 PLC 之林中一定有其位置的。 按應(yīng)用規(guī)模分類： 超小型 PLC，小型 PLC，中型 PLC，大型 PLC， 超大型 PLC。 本次設(shè)計(jì)中 只需要用小型的 PLC 就能夠滿足使用需求，因此選用 西門子 S7200，主要是相比較其他品牌 的 PLC，對(duì)其比較熟悉。 第 3 章硬件電路設(shè)計(jì) 9 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 爐號(hào)識(shí)別子系統(tǒng) 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器簡(jiǎn)介 所謂編碼器即是將某種物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的裝置。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的編碼器的作用是將位置和角度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量?？刹捎秒娊佑|、磁效應(yīng)、電容效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換等機(jī)理，形成各種類型的編碼器。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的編碼器是光電編碼器。 光電 編碼器如以信號(hào)原理來(lái)分，有增量 式 編碼器，絕對(duì) 式 編碼器 ； 根據(jù)其用途的不同 又可分為旋轉(zhuǎn)光電編碼器和直線光電編碼器，分別用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度和直線尺寸 。 本次設(shè)計(jì)使用增量式 旋轉(zhuǎn)光電 編碼器。 光電編碼器的關(guān)鍵部件是光電編碼裝置，在旋轉(zhuǎn)光電編碼器中是圓形的碼盤 (codewheel或 codedisk)，而在直線光電編碼器中則是直尺形的碼尺 (codestrip)。碼盤和碼尺根據(jù)用途和成本的需要，可由金屬、玻璃和聚合物等材料制作，其原理都是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生代表運(yùn)動(dòng)位置的數(shù)字化的光學(xué)信號(hào)。增量編碼器的碼盤 如下圖所示。 圖 31 增量編碼器的碼盤 在現(xiàn)代高分辨率碼盤上，透光和遮光部分都是很細(xì)的窄縫和線條 ，因此也被稱為圓光柵。相鄰的窄縫之間的夾角稱為柵距角，透光窄縫和遮光部分大約各占柵距角的 1/2。碼盤的分辨率以每轉(zhuǎn)計(jì)數(shù) (CPRcounts per revolution)表示，亦即碼盤旋轉(zhuǎn)一周在光電檢測(cè)部分可產(chǎn)生的脈沖數(shù)。在碼盤上，往往還另外安排一個(gè)（或一組）特殊的窄縫，用于產(chǎn)生定位 (index)或河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 10 零位 (zero)信號(hào)。測(cè)量裝置或運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可利用這個(gè)信號(hào)產(chǎn)生回零或復(fù)位操作。 圖 32 增量碼盤與擋板 增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤比絕對(duì)編碼器碼盤要簡(jiǎn)單得多且分辨率更高 。一般只需要三條碼道，這里的碼道實(shí)際上已不具有絕對(duì)編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。它的碼盤的外道和中間道有數(shù)目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū)（光柵），但是兩道扇區(qū)相互錯(cuò)開半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的輸出信號(hào)是相位差為 90176。 的 A 相和 B 相脈沖信號(hào)以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)（它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù) 系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位信號(hào)）。從 A， B兩個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。由圖 （ a）可見(jiàn)，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)， A 道脈沖波形比 B 道超前 π/ 2，而反轉(zhuǎn)時(shí) ， A道脈沖比 B 道滯 后 π/ 2。圖 （ b）是一實(shí)際電路，用 A 道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài) 產(chǎn)生的正脈沖與 B 道整形波相 ‘ 與 ’ ，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據(jù)輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)來(lái)確定碼盤 的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對(duì)角位移量。通常，若編碼器有 N 個(gè)（碼道）輸出信號(hào)，其相位差為 π/ N ，可計(jì)數(shù)脈沖為 2N 倍光柵數(shù)，現(xiàn)在 N=2。圖 電路的缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差， 這種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號(hào)處于 “ 高 ” 或 “ 低 ” 電平狀態(tài)，而另一道信號(hào)正處于 “ 高 ” 和 “ 低 ” 之間的往返變化狀態(tài)，此時(shí)碼盤雖然未產(chǎn)生 位移，但是會(huì)產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。 第 3 章硬件電路設(shè)計(jì) 11 圖 33 增量光電編碼器基本波形和電路 圖 34 四倍計(jì)數(shù)方式的波形和電路 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 12 圖 是一個(gè)既能防止誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細(xì)分電路。在這里，采用了有記憶功能 的 D型觸發(fā)器和時(shí)鐘發(fā)生電路。由圖 可見(jiàn)，每一道有兩個(gè) D觸發(fā)器串接，這樣，在時(shí)鐘脈 沖的間隔中，兩個(gè) Q端（如對(duì)應(yīng) B道的 74LS175 的第 7 引腳）保持前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸入 狀態(tài)，若兩者相同，則表示時(shí)鐘間隔中無(wú)變化；否則，可以根據(jù)兩者關(guān)系判斷出它的變化方 向，從而產(chǎn)生 ‘ 正向 ’ 或 ‘ 反向 ’ 輸出脈沖。當(dāng)某道由于振動(dòng)在 ‘ 高 ’ 、 ‘ 低 ’ 間往復(fù)變化 時(shí)，將交替產(chǎn)生 ‘ 正向 ’ 和 ‘ 反向 ’ 脈沖，這在對(duì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器取代數(shù)和時(shí)就可消除它們的影 響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn)）。由此可見(jiàn)，時(shí)鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動(dòng)頻率的可能 最大值。由圖 還可看出，在原一個(gè)脈沖信號(hào)的周期內(nèi)，得到了四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。 增量式光電編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)于一個(gè)增量位移，但是不能通過(guò)輸出脈沖區(qū)別出在哪個(gè)位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號(hào)，其作用是提供一種對(duì)連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量，不能夠直接檢測(cè)出軸的絕對(duì)位置信息。一般來(lái)說(shuō)，增量式光電編碼器輸出A、 B 兩相互差 90176。 電度角的脈沖信號(hào)（即所謂的兩組正交輸出信號(hào)），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)還有用作參考零位的 Z 相標(biāo)志（指示）脈沖信號(hào)，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。標(biāo)志脈 沖通常用來(lái)指示機(jī)械位置或?qū)Ψe累量清零。 優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。 基本技術(shù)規(guī)格 在增量式光電編碼器的使用過(guò)程中，對(duì)于其技術(shù)規(guī)格通常會(huì)提出不同的要求，其中最關(guān)鍵的就是它的分辨率、精度、輸出信號(hào)的穩(wěn)定性、響應(yīng)頻率、信號(hào)輸出形式。 （ 1）分辨率 光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)基本周期數(shù)來(lái)表示的，即脈沖數(shù) /轉(zhuǎn)（ PPR）。碼盤上的透光縫隙的數(shù)目就等于編碼器的分辨率，碼盤上刻的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。在工業(yè)電氣傳動(dòng)中，根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，可選擇分辨率通常在500~6000PPR 的增量式光電編碼器，最高可以達(dá)到幾萬(wàn) PPR。交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中通常選用分辨率為 2500PPR 的編碼器。此外對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，可以得到 2 倍頻或 4 倍頻的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)一步提高分辨率。 （ 2）精度 增量式光電編碼器的精 度與分辨率完全無(wú)關(guān)，這是兩個(gè)不同的概念。精度是一種度量在所選定的分辨率范圍內(nèi)，確定任一脈沖相對(duì)另一脈沖位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒來(lái)表示。編碼器的精度與碼盤透光縫隙的加工質(zhì)量、碼盤的機(jī)械旋轉(zhuǎn)情況的制造精度因素有關(guān)，也與安裝技術(shù)有關(guān)。 （ 3）輸出信號(hào)的穩(wěn)定性 編碼器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性是指在實(shí)際運(yùn)行條件下，保持規(guī)定精度的能力。影響編碼器輸出信號(hào)穩(wěn)定性的主要因素是溫度對(duì)電子器件造成的漂移、外界加于編碼器的變形力以及光源特性第 3 章硬件電路設(shè)計(jì) 13 的變化。由于受到溫度和電源變化的影響，編碼器的電子電路不能保持規(guī)定的輸 出特性，在設(shè)計(jì)和使用中都要給予充分考慮。 （ 4）響應(yīng)頻率 編碼器輸出的響應(yīng)頻率取決于光電檢測(cè)器件、電子處理線路的響應(yīng)速度。當(dāng)編碼器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果其分辨率很高，那么編碼器輸出的信號(hào)頻率將會(huì)很高。如果光電檢測(cè)器件和電子線路元器件的工作速度與之不能相適應(yīng)，就有可能使輸出波形嚴(yán)重畸變，甚至產(chǎn)生丟失脈沖的現(xiàn)象。這樣輸出信號(hào)就不能準(zhǔn)確反映軸的位置信息。所以，每一種編碼器在其分辨率一定的情況下，它的最高轉(zhuǎn)速也是一定的，即它的響應(yīng)頻率是受限制的。編碼器的最大響應(yīng)頻率、分辨率和最高轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如 下 公式所示 。 （ 5）信號(hào)輸出形式 在大多數(shù)情況下，直接從編碼器的光電檢測(cè)器件獲取的信號(hào)電平較低，波形也不規(guī)則，還不能適應(yīng)于控制、信號(hào)處理和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。所以，在編碼器內(nèi)還必須將此信號(hào)放大、整形。經(jīng)過(guò)處理的輸出信號(hào)一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號(hào)容易進(jìn)行數(shù)字處理，所以這種輸出信號(hào)在定位控制中得到廣泛的應(yīng)用。采用正弦波輸出信號(hào)時(shí)基本消除了定位停止時(shí)的振蕩現(xiàn)象，并且容易通過(guò)電子內(nèi)插方法，以較低的成本得到較高的分辨率。 3． 光電編碼器的應(yīng)用 （ 1） 角度測(cè)量 汽車駕駛模擬器，對(duì)方向盤旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量選用光電編碼器作為傳感器。重力測(cè)量?jī)x，采用光電編碼器，把他的轉(zhuǎn)軸與重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕軸相連，扭轉(zhuǎn)角度儀，利用編碼器測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度變化，如扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)、漁竿扭轉(zhuǎn)釣性測(cè)試等。 擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，利用編碼器計(jì)算沖擊是擺角變化。 （ 2） 長(zhǎng)度測(cè)量 計(jì)米器，利用滾輪周長(zhǎng)來(lái)測(cè)量物體的長(zhǎng)度和距離。 拉線位移傳感器，利用收卷輪周長(zhǎng)計(jì)量物體長(zhǎng)度距離。 聯(lián)軸直測(cè)，與驅(qū)動(dòng)直線位移的動(dòng)力裝置的主軸聯(lián)軸，通過(guò)輸出脈沖數(shù)計(jì)量。 介質(zhì)檢測(cè)，在直齒條、轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條的鏈輪、同步帶輪等來(lái)傳遞直線位移信息。 （ 3） 速 度測(cè)量 線速度，通過(guò)跟儀表連接，測(cè)量生產(chǎn)線的線速度 角速度，通過(guò)編碼器測(cè)量電機(jī)、轉(zhuǎn)軸等的速度測(cè)量 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 14 （ 4） 位置測(cè)量 機(jī)床方面，記憶機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，如鉆床等 自動(dòng)化控制方面，控制在牧歌位置進(jìn)行指定動(dòng)作。如電梯、提升機(jī)等 （ 5） 同步控制 通過(guò)角速度或線速度，對(duì)傳動(dòng)環(huán)