【正文】 置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖 1所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90186。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 的兩路脈沖信號(hào)。 編碼器 分類及特點(diǎn) 根據(jù)檢測(cè)原理，編碼 器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。 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 90186。，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)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每 條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可 讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 N條碼道。目前國內(nèi)已有 16 位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。 絕對(duì)式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方 式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是： 1） 可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值； 2） 沒有累積誤差； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 26 3） 電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有 10位、 14 位等多種。 混合式絕對(duì)值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能；另一組則完全同增量式 編碼器的輸出信息。 光電編碼器是一種角度（角速度）檢測(cè)裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠 ,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。 由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(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、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 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)。 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。 兩相聯(lián)接，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。 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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 28 第三章 控制方案的確定及其實(shí)現(xiàn)方法 自動(dòng)稱重配料系統(tǒng)控制要求 控制要求：使 皮帶 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著 上位機(jī)給定而 改變，使得 電機(jī)轉(zhuǎn)速和重量 兩者之積滿 足所要所需要的控制值（給定值）。 系統(tǒng)被控制對(duì)象： 皮帶 電機(jī) 被控制量： 皮帶 電機(jī)轉(zhuǎn)速、稱重傳感器的測(cè)量值。 控制量： PID 所發(fā)出的控制信號(hào)。 控制裝置： S7200 PLC。 執(zhí)行裝置：富士變頻器。 控制方法：無靜差 的 PID 控制方式及 變頻調(diào)速方式。 控制方式 :單閉環(huán) 控制 。 控制功能：皮帶電機(jī)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)功能；自動(dòng) /手動(dòng)的轉(zhuǎn)換功能；故障報(bào)警功能；故障手動(dòng)復(fù)位功能等。 設(shè)計(jì)任務(wù) ① 畫出主電路，控制系統(tǒng)圖； ② 分配 I/O 地址，列出元件表； ③ 設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制的程序框圖； ④ 根據(jù)程序框圖設(shè)計(jì)該系統(tǒng) 的控制梯形圖，寫出指令表； ⑤ 實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信功能； ⑥ 上機(jī)、實(shí)驗(yàn)調(diào)試通過。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 29 皮帶配料自動(dòng)稱重系統(tǒng) 的原理圖如 圖 所示 上 位 機(jī) P I D 變 頻 器 皮 帶 電 機(jī)流 量 運(yùn)算速 度 傳 感 器重 量 傳 感 器皮 帶 秤P L C 圖 系統(tǒng)框圖 不難看出控制核心在 PLC，而變頻器只是交流電機(jī)調(diào)速的執(zhí)行器。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制環(huán)節(jié)由稱重傳感器和速度傳感器兩部分結(jié)合而成。 本設(shè)計(jì)的目的是：實(shí)現(xiàn)皮帶傳輸?shù)暮?流量控制 ；控制實(shí)現(xiàn) 手段： PLC 的 PID 編程、變頻器控制； 功能要求： 實(shí)現(xiàn) 電機(jī)的 手動(dòng)自動(dòng)控制 、啟動(dòng)、停止；給定值的輸入功能；電機(jī) 轉(zhuǎn)速的 PID 控制功能；故障報(bào)警功能。 電機(jī)的啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、停止功能是電機(jī)控制的基本控制要求 ，主要通過 PLC 來控制；對(duì) 電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制要通過 PLC 的 PID 程序和變頻器 控制來實(shí)現(xiàn)；報(bào)警信號(hào)主要由 變頻器的報(bào)警輸出端輸送到 PLC 來實(shí)現(xiàn)。 由于本系統(tǒng) 所選擇的 電機(jī) 類型是異步電 動(dòng) 機(jī)，所以，要達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的 單有 PID 算法還不行，還必須有 一個(gè)變頻調(diào)速裝置，即變頻器。雖然要實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的調(diào)速目的，控制的方法有很多，但變頻調(diào)速是最為科學(xué)有效的。 此外，還要有必要的測(cè)量裝置。 第一個(gè)需要的裝置就是測(cè)速裝置。當(dāng)前較為精確 、使用較為普 遍的測(cè)速裝置是光電碼盤。 光電編碼器通過編碼的方式直接測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。 通過轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 ，我們就可以通過運(yùn)算得到 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 第二個(gè)需要的裝置就是稱重傳感器。稱重傳感器，可以測(cè)出傳送到皮帶上的物料的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 30 重量。稱重傳感器測(cè)出的一般為較弱的電壓信號(hào) 0～ 30mV， 因此 ， 控制系統(tǒng)還需要一個(gè)變送器來放大該電壓信號(hào)， 使之轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，以供輸入 PLC 使用。 有了光電碼盤測(cè)出的電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng) 頻率和稱重傳感器測(cè)得壓力信號(hào) ，系統(tǒng)可運(yùn) 算出皮帶送傳輸?shù)奈锪狭髁?。將物料流量給定值與此流量值進(jìn)行比較 ， 就 可 得到 PID 控制所需要的偏差值，然后就 可以進(jìn)行 PID 控制。 PID 控制信號(hào)輸入變頻器，變頻器根據(jù)該信號(hào)的大小來控制電機(jī)的頻率，從而達(dá)到了對(duì)皮帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 最后一點(diǎn)就是 流量值的給定輸入，流量值的給定 可以 通過上 位機(jī)實(shí)現(xiàn)，也可以通過鍵盤輸入給定。在這里我們采用常見的前者實(shí)現(xiàn)給定的輸入。這樣整個(gè)系統(tǒng)的控制思想已經(jīng)基本構(gòu)成 。 測(cè)速環(huán)節(jié) 測(cè)速環(huán)節(jié)主要由光電碼盤來完成速度掃描，通過 PLC 中的高速計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。由式（ ）可算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。 2512Sf rn Tp180。= （ ） 式中： n—— 電機(jī)轉(zhuǎn)速； ｒ —— 圓盤電機(jī)的半徑； ST—— 高速計(jì)數(shù)器 HSC0 的掃描時(shí)間。 光電編碼器 是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的 機(jī)械 幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或 數(shù)字 量的 傳感器 。光電碼盤是目前應(yīng)用較 多的傳感器，光電編碼器是由 光柵盤 和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 31 機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī) 旋轉(zhuǎn) 時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90? 的兩路脈沖信號(hào) 。 本設(shè)計(jì)用到電機(jī)正轉(zhuǎn) PID 控制 ，反轉(zhuǎn) 檢修點(diǎn)動(dòng)控制不需要測(cè)速 ，所以將光電碼盤的A 相接入 PLC 的輸入接口，通過 PLC 內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器來讀出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率。再根據(jù)式（ ）算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 稱重系統(tǒng) 稱重系統(tǒng)由稱重傳感器構(gòu)成。其 工作原理 ：如圖 所示， 該配料系統(tǒng)采用閉環(huán)控制 ，用稱重傳感器 在線自動(dòng)測(cè)量給料機(jī)的給料量 ， 并 輸出 0～ 30mV 電壓信號(hào)， 然后由計(jì)算機(jī)或控制儀表對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理 ， 按照一定的控制算法對(duì)給料機(jī)進(jìn)行反饋控制。 圖 稱重傳感器 稱重控制主要由 PLC 通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式來簡(jiǎn)介實(shí)現(xiàn)。 電機(jī)的 PID調(diào)速 PID 調(diào)速在電機(jī)經(jīng)過啟動(dòng)時(shí)間后才開始的。 PLC 執(zhí)行 PID 控制程序，發(fā)出相應(yīng)的 PID控制信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行控制。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 32 變頻器控制環(huán)節(jié) 變頻器是把工頻電源 (50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備， 主要是由主電路、控制電路組成 。 主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分 。 控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的 “ 運(yùn)算電路 ” ，主電路的 “ 電壓、電流檢測(cè)電路 ” ，電動(dòng)機(jī)的 “ 速度檢測(cè)電路 ” ，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的 “ 驅(qū)動(dòng)電路 ”， 以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的 “ 保護(hù)電路 ” 組成。 變頻器根據(jù) PLC 所輸入的 PID 信號(hào)來控制。整個(gè)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)稱重傳感器和速度傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行的流量運(yùn)算值進(jìn)行變頻器調(diào)速控制，進(jìn)而控制電機(jī)調(diào)速。在整個(gè)系統(tǒng)中，變頻器環(huán)節(jié)主要是一個(gè)執(zhí)行器的作用。變頻器的功能 主要包括電機(jī)的起動(dòng)、停機(jī)、 PID 調(diào)速、 手自動(dòng)轉(zhuǎn)換 及故障復(fù)位 功能。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及實(shí)現(xiàn)的功能，表 、 對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出量進(jìn)行了整理。 表 輸入量統(tǒng) 計(jì) 序號(hào) 采樣信號(hào)名稱 性質(zhì) 來源 占用硬件資 源 1 總啟動(dòng)信號(hào) 開 關(guān)量 按鈕 PLC 輸入點(diǎn) 1 2 停止信號(hào) 開關(guān)量 按鈕 PLC 輸入點(diǎn) 2 3 自動(dòng) 運(yùn)行 開關(guān)量 按鈕 PLC 輸入點(diǎn) 3 4 檢修運(yùn)行 開關(guān)量 按鈕 PLC 輸入點(diǎn) 4 5 復(fù)位信號(hào) 開關(guān)量 變頻器輸出 PLC 輸入點(diǎn) 5 6 變頻器正常 開關(guān)量 變頻器輸出 PLC 輸入點(diǎn) 6 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 33 運(yùn)行 7 變頻器故障 開關(guān)量 變頻 器輸出 PLC 輸入點(diǎn) 7 8 光電編碼器 A相脈沖 直接相連 編碼器輸出 PLC 輸入點(diǎn) 8 9 稱重信號(hào) 直接相連 稱重運(yùn)放輸出 PLC 模 塊輸入點(diǎn) 9 10 給定 信號(hào) 直接相連 PLC 輸出 PLC模塊輸入點(diǎn) 10 11 上位機(jī)信號(hào) 直接相連 上位機(jī)輸出 PLC模塊輸入點(diǎn) 11 12 變頻器模擬給定 直接相連 PLC 輸出 變頻器輸入點(diǎn) 12 表 輸出量統(tǒng)計(jì) 序號(hào) 采樣信號(hào)名稱 性質(zhì) 來源 占用硬件資源 1 系統(tǒng)就緒 開關(guān)量 線圈 PLC 輸出點(diǎn) 1 2 正轉(zhuǎn)運(yùn)行 開關(guān)量 線圈 PLC 輸出點(diǎn) 2 3 反轉(zhuǎn)運(yùn)行 開關(guān)量 線圈 PLC 輸出點(diǎn) 3 4 復(fù)位信號(hào) 開關(guān)量 線圈 PLC 輸出點(diǎn) 4 5 就緒信號(hào)燈 開關(guān)量 指示燈 PLC 輸出點(diǎn) 5 6 檢修信號(hào)燈 開關(guān)量 指示燈 PLC 輸出點(diǎn) 6 7 手動(dòng)信號(hào)燈 開關(guān)量 指示燈 PLC 輸出點(diǎn) 7 8 報(bào)警 信號(hào) 開關(guān)量 喇叭 PLC 輸出點(diǎn) 8