【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器（encoder）是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。 編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來將采集來的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號(hào)用以通訊、傳輸和儲(chǔ)存。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。　　增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90176。，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過程無關(guān)。（REP） 編碼器工作原理有一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，由光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。 編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、HTL）,集電極開路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱A,A。B,B。Z,Z）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。　　對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。 　　對(duì)于HTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米。 編碼器結(jié)構(gòu)示意圖 編碼器的選定通過查找資料，考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性以及環(huán)境因素，選用OMRON光電旋轉(zhuǎn)增量式編碼器。 編碼器與PLC的連接信號(hào)連接—編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。 　　A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。 　　A、A，B、B，Z、Z連接，由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。 旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光電式旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置，它將被測(cè)的角位移直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（高速脈沖信號(hào)）。因些可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號(hào)直接輸入給PLC，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對(duì)其脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測(cè)量結(jié)果。不同型號(hào)的旋轉(zhuǎn)編碼器，其輸出脈沖的相數(shù)也不同，有的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B、Z三相脈沖，有的只有A、B相兩相，最簡(jiǎn)單的只有A相。 輸出兩相脈沖的旋轉(zhuǎn)編碼器與S7200系列PLC的連接,編碼器有5條引線，其中3條是脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線。編碼器的電源可以是外接電源，也可直接使用PLC的DC24V電源。電源“”端要與編碼器的COM端連接，“+ ”與編碼器的電源端連接。編碼器的COM端與PLC輸入COM端連接，A、B、Z相脈沖輸出線直接與PLC的輸入端連接，A、B為相差90度的脈沖，Z相信號(hào)在編碼器旋轉(zhuǎn)一圈只有一個(gè)脈沖，通常用來做零點(diǎn)的依據(jù),連接時(shí)要注意PLC輸入的響應(yīng)時(shí)間。有的旋轉(zhuǎn)編碼器還有一條屏蔽線，使用時(shí)要將屏蔽線接地。 編碼器如果是并行輸出的，可以直接連接PLC或上位機(jī)的輸入輸出接點(diǎn)I/O，其信號(hào)數(shù)學(xué)格式應(yīng)該是格雷碼。編碼器有多少位就要占用PLC的多少位接點(diǎn)，如果是24伏推挽式輸出，高電平有效為1，低電平為0；如果是集電極開路NPN輸出，則連接的接點(diǎn)也必須是NPN型的，其高電平有效，低電平為1。 傳感器的選用起重量的檢測(cè)需用到傳感器，傳感器選用電阻應(yīng)變式傳感器。傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。4. 起重機(jī)控制及保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 主電路圖 起升機(jī)構(gòu)起升機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)的控制方式多采用交流繞線式電機(jī)串電阻的方法啟動(dòng)和調(diào)速，缺陷是：由于長(zhǎng)期重載運(yùn)行，頻繁正、反轉(zhuǎn)，沖擊電流很大，再加上有些場(chǎng)合工作環(huán)境差，電機(jī)的滑環(huán)、炭刷及接觸器經(jīng)常損壞，接觸器的觸頭燒毀、炭刷冒火、電機(jī)及電阻燒毀現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，且線路復(fù)雜。由于異步電機(jī)有著無可倫比的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、價(jià)格便宜、易于維護(hù)，因此采用變頻器拖動(dòng)三相異步電機(jī)的控制方式取代傳統(tǒng)調(diào)速方式，可以從根本上解決塔機(jī)故障率高的問題，而且技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能顯著，是塔式起重機(jī)理想的傳動(dòng)控制裝置。起升機(jī)構(gòu)電路圖如下圖所示 起升機(jī)構(gòu)電路圖 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是大慣量負(fù)載，其工作方式不允許過快啟動(dòng)和停車，更不允許在運(yùn)行中進(jìn)行制動(dòng)，否則不僅運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，嚴(yán)重的還會(huì)造成塔機(jī)折臂，對(duì)人身和設(shè)備都會(huì)造成傷害。傳統(tǒng)的控制方式是采用繞線電機(jī)、力矩電機(jī)或多速電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，并在機(jī)械結(jié)構(gòu)中加裝液力耦合器這一軟連接方式來改善塔機(jī)的穩(wěn)定性。這種控制方式在起停過程中由于無法進(jìn)行平滑的調(diào)速會(huì)造成旋轉(zhuǎn)臂的抖動(dòng)。目前較好的解決辦法是采用變頻調(diào)速方式進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，使其在起停過程中更為平滑，從而避免塔臂抖動(dòng)現(xiàn)象。并且采用變頻器控制以后使系統(tǒng)控制更為簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)具有多重保護(hù)，使系統(tǒng)更加安全可靠?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電路圖如下圖所示 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電路圖 變幅機(jī)構(gòu)變幅機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)的控制方式是采用多速電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，該調(diào)速方式在起重過程中起停容易造成重物在空中晃動(dòng)，理想的取代方式為改用普通鼠籠電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)變幅機(jī)構(gòu)的無級(jí)調(diào)速使其運(yùn)行更加平穩(wěn)。變幅機(jī)構(gòu)電路圖如下圖所示 變幅機(jī)構(gòu)電路圖 報(bào)警機(jī)構(gòu)HL1為運(yùn)行指示燈，HL2為限位警告燈，HL3為超載警告燈，HL4為電源指示燈，HL5為變頻故障警告燈。上面幾張圖中，F(xiàn)R1~FR3為熱繼電器，F(xiàn)U1~FU6為熔斷器，PE為保護(hù)地線，KA1~KA15為各變頻器用繼電器，M1為起升電機(jī)，M2為回轉(zhuǎn)電機(jī),M3為變幅電機(jī)。 I/O點(diǎn)數(shù)的分配及PLC外部接線圖 I/O點(diǎn)數(shù)的估算根據(jù)對(duì)起重機(jī)基本控制及保護(hù)要求分析，需要吊鉤上升下降輸入，小車前進(jìn)后退輸入，起重機(jī)左旋右旋輸入，及三個(gè)動(dòng)作相應(yīng)的速度調(diào)節(jié)，電源及禁止操作按鈕，三個(gè)變頻器故障輸入，上升限位，下降限位，小車前進(jìn)限位，后退限位，標(biāo)定和工作狀態(tài)按鈕。輸出有上升下降前進(jìn)后退左旋右旋及相應(yīng)的速度，電源，三個(gè)變頻故障停止，超載停止，電源指示燈，運(yùn)行指示燈，超載警告燈，限位警告燈，變頻故障警告燈。編碼器輸入A相B相，及傳感器模擬量輸入。綜上所述，需要28個(gè)輸入點(diǎn)，25個(gè)輸出點(diǎn)?？删幊炭刂破鱏7200的CPU226輸入及輸出點(diǎn)為24/16，選用數(shù)字量輸入輸出模塊EM223，輸入及輸出點(diǎn)為16/16，選用模擬量輸入模塊EM231。 輸入/輸出的分配I/O分配如下表：序號(hào)名稱輸入點(diǎn)序號(hào)名稱輸出點(diǎn)0編碼器A相0電源1編碼器B相1超載停止2小車后退限位2吊鉤上升3啟動(dòng)電源3吊鉤下降4停止開關(guān)4升降低速5吊鉤上升限位5升降中速6吊鉤下降限位6升降高速7小車前進(jìn)限位7升降變頻故障停止8吊鉤上升按鈕8左轉(zhuǎn)9吊鉤下降按鈕9右轉(zhuǎn)10升降低速10旋轉(zhuǎn)低速11升降中速11旋轉(zhuǎn)中速12升降高速12旋轉(zhuǎn)高速13左轉(zhuǎn)按鈕13旋轉(zhuǎn)變頻故障停止14右轉(zhuǎn)按鈕14小車前進(jìn)15旋轉(zhuǎn)低速15小車后退16旋轉(zhuǎn)中速16小車低速17旋轉(zhuǎn)高速17小車中速18小車前進(jìn)按鈕18小車高速19小車后退按鈕19小車變頻故障停止20小車低速20限位警告燈21小車中速21超載警告燈22小車高速22運(yùn)行指示燈23升降變頻故障23電源指示燈24旋轉(zhuǎn)變頻故障24變頻故障警告燈25小車變頻故障26標(biāo)定27工作. I/0分配 PLC外部接線圖本系統(tǒng)采用可編程控制器S7200系列，CPU選型226，選用模塊數(shù)字量輸入輸出模塊EM223，模擬量輸入模塊EM231。具體PLC外部接線如下圖所示 PLC外部接線圖5. 起重機(jī)控制及保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)流程圖 超載保護(hù)流程圖 吊鉤升降動(dòng)作流程圖 小車變幅動(dòng)作流程圖 回轉(zhuǎn)動(dòng)作流程圖 回轉(zhuǎn)動(dòng)作流程圖 部分程序梯形圖解釋及調(diào)試 電源保護(hù)只有在上升下降等動(dòng)作按鈕沒有在按下時(shí)，才能接通電源，起到安全保護(hù)。梯形圖如下 電源保護(hù)梯形圖 重物標(biāo)定過程重物標(biāo)定過程，首先需要標(biāo)定開關(guān)接通，如果工作開關(guān)接通則標(biāo)定開關(guān)斷開。采集一噸重物的模擬量經(jīng)過轉(zhuǎn)換數(shù)字量傳送存入VD100，將1000KG存入VD104，采集三頓重物的模擬量經(jīng)過轉(zhuǎn)換數(shù)字量傳送存入VD108，將3000KG存入VD112。列函數(shù)Y=kX+b，已知一噸的重物時(shí)的Y、X和三頓重物的Y、X，求出k、b，將k存入VD124，b存入VD132。編碼器的距離標(biāo)定跟重物標(biāo)定過程類似。 重物標(biāo)定梯形圖 傳感器采集得重物重量處于工作狀態(tài)時(shí)，傳感器采集得模擬量轉(zhuǎn)換得數(shù)字量，經(jīng)過函數(shù)Y=kX+b，得到重量（KG）。 傳感器采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得重物重量梯形圖 高速計(jì)數(shù)器設(shè)置選用高速計(jì)數(shù)器HSC0，工作方式10，A/B相正交計(jì)數(shù)器，A相、,通過判斷A相B相脈沖前后進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，從而進(jìn)行電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)。初始化高速計(jì)數(shù)器，將控制字FC存入高速計(jì)數(shù)器控制字節(jié)SMB37，具體內(nèi)容是：復(fù)位低電平有效，啟動(dòng)高電平有效，1倍頻模式，加計(jì)數(shù)，可更新計(jì)數(shù)方向，更新預(yù)置值，更新當(dāng)前值，允許HSC。將VD48存入SMD38是為了斷電保存數(shù)據(jù)，斷電后下次計(jì)數(shù)從當(dāng)前位置開始。同時(shí)編寫復(fù)位以及改變方向中斷程序。復(fù)位中斷的觸發(fā)點(diǎn)是后退限位點(diǎn)，小車到達(dá)后退限位時(shí)，限位開關(guān)斷開，復(fù)位中斷觸發(fā)，將0存入計(jì)數(shù)器當(dāng)前值SMD38。改變方向中斷時(shí)，將F5存入SMD37，具體內(nèi)容是：復(fù)位低電平有效，啟動(dòng)高電平有效，1倍頻模式，減計(jì)數(shù)，可更新計(jì)數(shù)方向，更新預(yù)置值，更新當(dāng)前值，允許HSC。 查表計(jì)算得到當(dāng)前位置的最大起重量事先在數(shù)據(jù)塊給數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)塊賦值，賦的值是事先設(shè)定好的起重機(jī)在不同幾個(gè)幅度可承受的幾個(gè)最大起重量，根據(jù)編碼器采得當(dāng)前位置，取出在一個(gè)區(qū)間內(nèi)的兩個(gè)數(shù)，經(jīng)過差值計(jì)算得到在當(dāng)前位置能承受的最大起重量。 運(yùn)算得當(dāng)前位置最大起重量 數(shù)據(jù)塊賦值 比較重物重量及當(dāng)前位置最大起重量判斷是否超載比較重物重量及當(dāng)前位置最大起重量，如果重物重量大于最大起重量的90%，則進(jìn)行超載停止動(dòng)作，同時(shí)進(jìn)行超載警告。 重物比較梯形圖 起升動(dòng)作控制 起升動(dòng)作控制梯形圖6. 監(jiān)控畫面設(shè)計(jì) 組態(tài)王的簡(jiǎn)介組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。使用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真的基本方法：(1)圖形界面的設(shè)計(jì) 　　(2)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù) 　　(3)建立動(dòng)畫連接 　　(4)運(yùn)行和調(diào)試 　　使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個(gè)特點(diǎn): 　　(1)實(shí)驗(yàn)全部用軟件來實(shí)現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn),從而大大減少購(gòu)置儀器的經(jīng)費(fèi)。 　　(2)該系統(tǒng)是中文界面,具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)用戶而言,操作簡(jiǎn)單易學(xué)且編程簡(jiǎn)單,參數(shù)輸入與修改靈活,具有多次或重復(fù)仿真運(yùn)行的控制能力,可以實(shí)