張 強(qiáng)，王福明，郭彥青

（中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲得生產(chǎn)設(shè)備的位置信息是車間安全、有效運(yùn)行的保障。以行車為例，行車定位的基本功能是在任何時(shí)刻、任何地方都能精確確定行車的具體位置，如何精確地檢測行車的位置以對(duì)行車進(jìn)行控制是企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的核心。在現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)中大多采用增量式編碼進(jìn)行定位，這種定位方式一旦傳感器信號(hào)線虛接，將使槽號(hào)混亂，導(dǎo)致產(chǎn)品廢品率增加，安全性與可靠性大大降低。本文介紹一種新型編碼方式進(jìn)行位置定位，可對(duì)行車位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位以滿足智能化、一體化的行車控制和調(diào)度指揮，這種新型編碼方式采用純二進(jìn)制絕對(duì)編碼方式，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，準(zhǔn)確度高，從而更加有效地提高行車效率和安全性。

1 系統(tǒng)的工作原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

目前的車間行車系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，行車對(duì)所有位置的識(shí)別只有一個(gè)接近傳感器。每一次運(yùn)行時(shí)，必須將行車移動(dòng)到起始端，通過計(jì)數(shù)方式來識(shí)別當(dāng)前位置，當(dāng)遇到突然斷電或者中途切斷電源，那么下一次開啟時(shí)必須從初始位置開始，非常不便，且故障率極高，其定位也不準(zhǔn)確，給企業(yè)生產(chǎn)制造帶來極大的影響，為保證工藝執(zhí)行的可靠，于是有了位置識(shí)別采用絕對(duì)定位方式構(gòu)思。

1.2 基本原理

這種方法的基本原理是將二進(jìn)制的8421碼作為行車在每個(gè)位置的號(hào)，不同的位置對(duì)應(yīng)著唯一的一組二進(jìn)制編碼數(shù)字，如表1所示。這樣，在數(shù)字為1的位置放置一鐵片，數(shù)字為0的位置不放鐵片，當(dāng)行車經(jīng)過或停在某一位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的一組數(shù)字就會(huì)被檢測裝置讀取，經(jīng)過控制電路絕定行車的下一個(gè)動(dòng)作。這就解決了增量式編碼方式每次運(yùn)行需退至初始位置的麻煩?；径ㄎ环桨溉鐖D1槽號(hào)的準(zhǔn)確定位對(duì)工藝的順利開展至關(guān)重要，為確保定位的準(zhǔn)確，每次運(yùn)行前，均進(jìn)行定位傳感器的故障診斷操作，確保當(dāng)前操作時(shí)定位傳感器能正常工作。

表1 行車位置編號(hào)對(duì)應(yīng)的編碼數(shù)字

圖1 槽號(hào)絕對(duì)定位方案

1.3 檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測裝置采用n個(gè)光電傳感器并排放置，為防止信號(hào)干擾，兩兩之間距離不小于100mm，三個(gè)傳感器可以檢測8個(gè)位置，四個(gè)傳感器可以檢測16個(gè)位置，以此類推，n個(gè)傳感器可以檢測2n個(gè)位置，如圖2所示，表示檢測到二進(jìn)制編碼“11111”代表數(shù)字“31”，即32號(hào)位置，此圖列舉了5個(gè)傳感器（下文同）定位32個(gè)位置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，在行車對(duì)應(yīng)的各個(gè)位置都安裝此裝置，根據(jù)位置號(hào)數(shù)的不同增減鐵片的個(gè)數(shù)，也可根據(jù)需求增加傳感器個(gè)數(shù)來增加所需定位位置個(gè)數(shù)。

圖2 檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)

2.1 定位系統(tǒng)控制方案

為實(shí)現(xiàn)行車定位的自動(dòng)化控制，此編碼定位裝置采用繼電器與PLC并行控制系統(tǒng)，本例采用S7-200PLC控制電路，通過PLC接收上位機(jī)指令后，經(jīng)輸入端把指令下達(dá)給行車，利用接近開關(guān)控制行車的升降啟停，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)手自雙控的效果，使產(chǎn)品可以不間斷的生產(chǎn)，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

2.2 定位系統(tǒng)檢測反饋電路

當(dāng)行車運(yùn)行過程中，傳感器感應(yīng)鐵片獲取檢測信號(hào)，此信號(hào)為一組二進(jìn)制編碼經(jīng)過PLC譯碼成為真實(shí)的位置編號(hào)。再直接傳遞給上位機(jī)進(jìn)行判定。在PLC存儲(chǔ)中，一個(gè)字有2個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)有8位，用一個(gè)字節(jié)即可存儲(chǔ)28個(gè)位置編號(hào)，所以選取PLC輸入端的一個(gè)字節(jié)連接五個(gè)傳感器。電器原理圖如圖3、圖4所示。

圖3 傳感器接線原理圖

圖4 PLC接收信號(hào)原理圖

3 故障分析與修正

3.1 系統(tǒng)使用前的故障檢測

在行車上固定5個(gè)接近開關(guān)，接近開關(guān)隨著行車一起運(yùn)動(dòng)，行車工作時(shí)，絕對(duì)定位接近開關(guān)首先經(jīng)過“傳感器故障檢測”響應(yīng)塊，如果接近開關(guān)信號(hào)有交替變化現(xiàn)象，則認(rèn)為該傳感器工作正常，如果有接近開關(guān)響應(yīng)無變化，則可認(rèn)為該傳感器工作不正常，從而給出傳感器故障提示信息，并提示維護(hù)人員進(jìn)行維修。當(dāng)接近開關(guān)工作正常時(shí)，通過絕對(duì)編碼響應(yīng)塊的解析，即可確定行車的位置。

3.2 信號(hào)保持問題

在行車運(yùn)行過程中，需要時(shí)刻在上位機(jī)中監(jiān)視到行車所在的位置編號(hào)，這就要求絕對(duì)編碼裝置所檢測到的信號(hào)一直保留，知道下一組信號(hào)被檢測到才會(huì)更新，而上述設(shè)計(jì)的絕對(duì)編碼系統(tǒng)只能在當(dāng)前位置時(shí)才會(huì)顯示對(duì)應(yīng)位置編號(hào)，當(dāng)行車離開被檢測裝置時(shí)，由于信號(hào)未被檢測到而導(dǎo)致信號(hào)中斷，在上位機(jī)顯示的位置編號(hào)也變?yōu)?。如圖5所示。針對(duì)這一問題，在PLC讀取信號(hào)端添加上升沿符號(hào)，使得位置編號(hào)可以保留到下一個(gè)信號(hào)觸發(fā)。

圖5 信號(hào)中斷圖

3.3 硬件故障問題

在進(jìn)行絕對(duì)定位過程中，可能會(huì)由于運(yùn)行時(shí)間過長，設(shè)備更新較晚，導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)故障，這就會(huì)導(dǎo)致在定位過程中直接獲取了錯(cuò)誤的位置編號(hào)，造成行車運(yùn)行紊亂，影響了企業(yè)的生產(chǎn)效益。為了解決這一問題，此系統(tǒng)結(jié)合了增量式編碼方式簡單不易損壞的優(yōu)點(diǎn)對(duì)二進(jìn)制絕對(duì)編碼進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，一旦檢測到編碼傳感器故障信號(hào)自動(dòng)切換到增量編碼方式計(jì)數(shù)方式，這樣，保證了產(chǎn)品可以繼續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品合格率也不會(huì)由于傳感器故障而降低。增量式編碼方式與絕對(duì)編碼方式相結(jié)合的編碼方法是本次設(shè)計(jì)的一大突破，使得定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高。

3.4 防抖動(dòng)問題

定位系統(tǒng)的防抖動(dòng)問題是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定關(guān)鍵在于其受到外界干擾時(shí)能否保持一個(gè)良好的狀態(tài)，讀取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在本次設(shè)計(jì)中經(jīng)過無數(shù)次的試驗(yàn)得出定位系統(tǒng)的抖動(dòng)問題大致可以分為兩類：一類為行車停止時(shí)的抖動(dòng)問題；第二類是行車行走過程中的抖動(dòng)問題。

第一類抖動(dòng)問題發(fā)生在行車定位停止時(shí)，由于慣性原因?qū)е滦熊囃＼嚥环€(wěn)定而產(chǎn)生輕微的車身抖動(dòng)，從而引起定位裝置的抖動(dòng)，造成信號(hào)采集短暫性混亂，如圖6所示，行車在4號(hào)位置停止，信號(hào)發(fā)生抖動(dòng)，待行車停穩(wěn)后信號(hào)又會(huì)恢復(fù)正常。信號(hào)暫時(shí)的紊亂影響上位機(jī)的監(jiān)控，上位機(jī)接收新的位置編號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)繼續(xù)發(fā)出新的命令造成行車啟動(dòng)。嚴(yán)重影響操作者的安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定。針對(duì)這一問題采取了通電延時(shí)計(jì)時(shí)法，即當(dāng)行車停止運(yùn)行時(shí)，信號(hào)不會(huì)馬上采集當(dāng)前位置信號(hào)，而是在停止后計(jì)時(shí)3秒，此時(shí)行車已經(jīng)停穩(wěn)再讀取位置信息，此時(shí)上位機(jī)得到的位置編號(hào)方可保證是正確的信息。

圖6 信號(hào)抖動(dòng)圖

第二類抖動(dòng)問題發(fā)生在行車運(yùn)行過程中由于周圍環(huán)境的影響使得行車發(fā)生輕微抖動(dòng)，在大多數(shù)情況下這種情況是可以忽略的，但是當(dāng)遇到大的振動(dòng)影響行車的信號(hào)采集還是會(huì)受到一定的影響。如行車在五號(hào)位置行車發(fā)生抖動(dòng)，信號(hào)采集到的數(shù)據(jù)可能會(huì)是8，行車?yán)^續(xù)往前走，到6號(hào)位置時(shí)行車又恢復(fù)到正常情況，如圖7所示。這種狀態(tài)下雖然不影響行車的運(yùn)行，但是上位機(jī)監(jiān)控會(huì)出現(xiàn)混亂，造成監(jiān)控者的判斷失誤。而當(dāng)行車的目標(biāo)位置就在受影響的位置時(shí)更會(huì)對(duì)行車停止位置做出錯(cuò)誤的判斷，造成行車定位不準(zhǔn)，影響產(chǎn)品的生產(chǎn)。針對(duì)這一問題，在此系統(tǒng)中添加判斷，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)突然跳變，而不是一一遞增，則判定編碼器故障，此時(shí)據(jù)對(duì)編碼需要用增量式編碼方式進(jìn)行修正。這樣就確保了行車的穩(wěn)定運(yùn)行。修正后平穩(wěn)準(zhǔn)確的信號(hào)，如圖8所示。

圖7 信號(hào)跳變圖

圖8 信號(hào)穩(wěn)定圖

4 軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，首先，在保證行車可以精確定位的前提下，還必須考慮到環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響；其次，系統(tǒng)應(yīng)做好足夠的安全防護(hù)措施，保證發(fā)生突發(fā)情況時(shí)操作者的人身安全，對(duì)各種可能發(fā)生的故障應(yīng)添加報(bào)警信號(hào)功能；最后，定位系統(tǒng)應(yīng)做到持久耐用，穩(wěn)定可靠?；谝陨锨闆r的考慮，本設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。為方便行車的控制，將行車系統(tǒng)設(shè)計(jì)為現(xiàn)場執(zhí)行系統(tǒng)，完全受主控系統(tǒng)控制。每個(gè)行車系統(tǒng)通過接受主控系統(tǒng)的指令實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的傳遞和位置定位。整個(gè)行車系統(tǒng)包括：主調(diào)度模塊、手動(dòng)控制模塊、停車控制模塊、運(yùn)行保護(hù)模塊、槽號(hào)定位模塊、時(shí)間計(jì)算模塊等，各模塊的關(guān)系如圖9所示。

圖9 行車控制模塊結(jié)構(gòu)圖

圖9中，主調(diào)度模塊接受來自操作箱及主控制柜的信號(hào)指令；自動(dòng)操作模塊主要將行車移動(dòng)到指定槽號(hào)位置；停止控制模塊實(shí)現(xiàn)行車的精確停車；運(yùn)行保護(hù)模塊主要通過限位開關(guān)等方式對(duì)行車的運(yùn)行過程提供保護(hù)，防止行車出現(xiàn)撞車事故；槽號(hào)定位模塊通過絕對(duì)定位傳感器實(shí)現(xiàn)行車的位置定位，為確保定位準(zhǔn)確，可采用相對(duì)定位與絕對(duì)定位互相校驗(yàn)的方式進(jìn)行，絕對(duì)定位裝置實(shí)時(shí)對(duì)定位信息進(jìn)行修正，確保了系統(tǒng)運(yùn)行的健壯性；時(shí)間計(jì)算模塊則依據(jù)行車的運(yùn)行速度，實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)行到指定位置編號(hào)所需要的時(shí)間，并反饋給操作人員，為實(shí)際操作提供決策依據(jù)。采用S7-200編寫部分程序中的槽號(hào)定位模塊如下：

：

：

//信號(hào)接收

LDN I2.0

= M18.0

LDN I2.1

= M18.1

LDN I2.2

= M18.2

LDN I2.3

= M18.3

LDN I2.4

= M18.4

//信號(hào)獲取

MOVB MB18，MB0

ANDB 31，MB0

LD SM0.0

MOVB MB0，MB1

LDB= MB0，MB1

AB＜＞ MB1，MB2

MOVB MB0，MB20

LD SM0.0

MOVB MB1，MB2

：

：

//故障防護(hù)

LDB= MB3，MB5

LD I1.1

O I1.2

ALD

A I0.7

TON T45，30

：

：

5 結(jié)束語

采用二進(jìn)制絕對(duì)編碼方式進(jìn)行編碼有效的解決了增量編碼方式所存在的故障率高、定位不準(zhǔn)、操作不便的缺陷，并且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，大大降低了企業(yè)的投資成本。該定位系統(tǒng)操作簡便、定位位置準(zhǔn)確。加之與增量編碼方式相結(jié)合，經(jīng)過長久的試驗(yàn)與應(yīng)用證明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于工廠車間的行車定位，在自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

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