焦炉四车定位检测技术设计研究毕业论.docx

摘要摘 要焦炉四车的连锁控制是焦炉移动机车自动化控制的一个重要组成部分，是焦化企业生产安全保障的控制核心。本文在对国内外现有的控制系统进行了深入详尽的对比和分析基础上，借鉴和传承了它们的成功经验。焦炉四车连锁自动控制系统是一个复杂的大型工业自动控制系统，其中包含的信息量大、涉及到的学科知识众多，因此这次设计只选取了其中的一部分来进行研究，即焦炉四车定位检测技术，本文将重点讨论以下几个关键技术问题：1.系统总体结构规划设计主要介绍了系统总体框架的组成，针对连锁控制过程中定位检测需要解决的关键技术（炉号识别和定位校正）的解决方案进行了比较与选择，以及其监控显示器与控制器的简介。2.炉号识别子系统主要介绍了焦车炉号识别功能的实现，采用的是基于增量式旋转编码器的解决方案，同时介绍了旋转编码器的实现原理与具体的硬件实现电路设计。3.定位校正子系统主要介绍了焦车定位校正功能的实现，分为自动校正与手动校正两部分。自动校正采用的是利用位置检测装置和定位遮光片配合工作进行焦车定位校正的控制；手动校正采用的是应用触摸屏的解决方案。4.监控显示器与控制器主要介绍系统对焦车运行情况的监控显示功能及其控制功能，采用触摸屏与PLC实现其功能。关键词：炉号识别；定位校正；监控显示器；控制器PLC IAbstractThe interlock control of four-car coke oven is an essential component of the automation control of the coke oven-transferring machine. It is also the major problem that coking enterprises should deal with in order to insure the security of production.this paper is based on the efficient experience learnt through the comparison and analysis of the present domestic and foreign control systems. The interlock control of four-car coke oven system is a complicated large industrial automatic control system, which contains a large amount of information related to the knowledge of the subject is numerous, so this design chose only one part to carry on the research, namely coke oven four vehicle location detection technology, this paper will focus on the following several key technical problems.1.overall structure of the system planning and designThis paper mainly introduces the system overall frame composition, against the chain control process positioning detection key technology to be solved ( oven number identification and positioning correction ) solutions were compared with the selection, as well as the monitor and controller.2.oven number identification systemMainly introduced the coke oven number identification function realization, uses is based on the incremental rotary encoder solutions, and introduces the realization principle of rotary encoder and the specific hardware circuit design. 3.the positioning correction systemMainly introduced the coke truck position correction function realization, is divided into two parts automatic calibration and manual correction. Automatic correction is the use of position detection device and a positioning shading film work for coke truck position correction control; manual correction is used in applications of touch screen solutions.4. Monitor displays and controllerIntroduces the system focus car operation monitoring display function and control function, using the touch screen and PLC realize the function ofKeywords: oven number identification;location correction;Monitor display; controller目 录摘 要IAbstract第1章绪论11.1引言11.2焦车定位检测研究现状21.3论文的主要内容4第2章系统总体设计方案52.1炉号识别52.2定位校正62.3监控显示器与控制器7第3章硬件电路设计93.1炉号识别子系统93.1.1增量式旋转编码器简介93.1.2增量式旋转编码器应用问题、改进及选型143.2定位校正子系统173.2.1光电开关173.2.2定位遮光片183.3监控显示器193.3.1触摸屏简介193.3.2人机界面HMI简介233.4 控制器PLC243.4.1 PLC简介243.4.2 S7-200 高速计数器263.5电源29第4章软件编程设计324.1炉号识别PLC编程324.2位置校正PLC编程354.2.1自动校正PLC编程354.2.2手动校正PLC编程374.3人机界面HMI编程38谢 辞41参考文献42附 录431第1章绪论第1章绪论第1章绪论1.1引言焦炭是钢铁工业的重要原料，高炉炼一吨生铁大约需0.40.6吨的焦炭，随着我国钢铁产量的逐年攀升，焦炭的需求量也相应增长。过去我国焦化工业采用的粗放型生产控制模式已经无法满足当前的生产需要，采用精确可靠的自动控制技术的节约型控制是我国焦化工业的发展方向，也是摆在科技工作者面前的一个重要课题。焦炭生产过程首先是将焦煤置于在密闭的焦炉炉室内（炭化室）经过1418h的干馏后得到红焦，随后通过焦炉的移动机车将红焦从炉室移出送到熄焦室进行熄炭。焦炉移动机车主要包含：推焦车、拦焦车、熄焦车和装煤车。工作过程是：当焦炭己经炼成后，推焦车打开炉室机侧的炉门，拦焦车打开同一炉室焦侧的炉门并把导焦栅插入炉室中，熄焦车位于拦焦车下侧准备接焦，当三车都已准备就绪后，推焦车开始进行推焦操作，将红焦推到熄焦车的熄焦罐中，由熄焦车运送到熄焦室；而装煤车只负责将焦煤通过焦炉炉室顶部的装煤口送入到煤室中，其运行相对独立。随着科技的不断进步和发展，现代化的管理控制方式越来越广泛的被应用，工业控制计算机由于其优良的控制能力也已被越来越多的运用到工业测控领域，而在冶金炼焦行业中，由于其工艺过程的特性加上几十年来生产管理的习惯方式，使得其在自动化控制管理方面落后于其它专业，无论是生产设备还是监控管理软件，都没有形成一个完整成熟的体系。国内大部分的焦厂生产的移动机车自动化控制程度较低，很多仍停留在焦车人工的识别与定位，存在着严重的安全隐患。因此改变现状，将应用计算机技术的自动控制系统应用于焦炉生产的移动机车控制便显得极其重要。各国科技工作者相继研究开发了多种三车对位联锁自动控制系统并取得了很好的成绩，一定程度上解决了这一问题。然而国内焦厂已经应用的三车联锁控制系统大都是来自国外的产品，如日本、芬兰、德国等，虽然性能优异，但建设费用高（一般在250万人民币以上)、而且系统维护成本偏高。国内目前大约有250个左右的焦化厂，其中年产量在100万吨以上的经济实力较强的大型焦化厂仅有17家，昂贵的初期建设费用使三车联锁控制系统的应用范围非常有限。虽然近年来三车联锁控制系统的国产化进程已经开始，但效果不十分理想，控制精度、稳定可靠性都不尽人意。因此，转换设计思路，加速焦炉三车联锁自动控制系统的国产化进程，改变我国焦化工业普遍落后生产状况，研制出适应我国国情的经济实用的新型控制系统便显得十分迫切。1.2焦车定位检测研究现状焦炉机车运行轨道长度一般长达100200m，焦炉机车按照生产工序的要求，需要处于一种“运行一对正停车一运行”的往复行走状态。如何能使焦车能自动停车定位在指定的炉号位置，是实现联锁自动控制的关键。焦炉生产处于露天工作环境，受天气的影响较大，加之车辆是在温度高、粉尘大、腐蚀性气体严重的恶劣环境中作业，车辆分散、活动频繁、运行时自身振动大，使系统的准确检测与定位控制难以保证，相互间信息联系不能及时可靠的传递。针对这些问题各国工作者相继提出多种解决方案，值得我们借鉴使用。国内最早的应用是将光电传感器，一般采用旋转编码器，安装在车轮上用来检测车辆运行位置，通过对旋转编码器输出的两路脉冲进行辨向，后接可逆计数器就能实现焦车绝对位置的检测。这种方式具有设计难度低、电路设汁简单、成本低廉、安装调试方便、运行维护成本低等优点。基于此，很多设计方案都采用了这一思路。由于焦车是大型机械，而且是露天工作，在附雪天气的影响下，在焦车运行时不可避免的会产生滑移，同时在常年高温岛热的环境下焦车轨道容易出现变形，难以避免产生检测误差和累积误差。即使增加位置校正系统，也无法保证对正精度的要求，但是如果仅用于炉号的识别，在此基础上增加必要的误差补偿装置，还是可以采用的。另一种低成本的解决方案是在铁轨旁安装齿条，用齿轮带动旋转编码器的办法，可以达到同步运转，然而由于焦炉环境恶劣，铁轨不直不平，车辆横向窜动，落焦堵塞、粉尘、振动等原因，经常造成齿轮脱啮，而不能正常使用。系统运行可靠的前提是设计出一套能够适应焦车运行状况的一套联动装置，这本身就会增加系统的设计难度、同时也增加系统不稳定因素，使可靠性降低。采用对射方式组成的红外线编码识别系统是90年代我国出现的一种炉号识别方法，它采用了绝对编码，理论上没有累积误差，在南京梅山焦化厂等就是采用了这种方法。由于是光路混合，在焦炉恶劣环境中烟雾粉尘会产生干扰，并带来较突出的维护工作量，但总体上这还是一个较可靠实用的识别方式。用接近开关加金属码牌进行炉号识别对位是克服粉尘干扰采取的一种方案。由于接近开关有效感应距离短，不超过10cm，使接近开关与码牌间的距离难以控制，不能保证对正精度。但接近开关的低成本、易维护、以及非接触性非常合适于焦车这种振动非常强烈工作形式下的炉号识别。存在的不足是金属码牌不能实现绝对编码，使炉号识别的软件工作量和系统的不稳定因素增加。感应无线技术是发达国家七十年代末兴起的一项新技术，目前仅日本住友等几个大公司掌握该技术，该技术主要应用于大型机车的数据通信、地址检测，并结合计算机技术、自动化技术达到自动控制的目的。感应无线技术将无线通讯与炉号位置识别合于一体，能实现大型移动设备的定位和与地面通讯，能适应恶劣的环境，在技术上是较好的解决方案，己在武汉钢厂使用，效果非常理想。但这种方案的最大缺点是技术非常复杂，成本昂贵，且焦侧(拦焦车侧)电缆易于损坏，一旦损坏，维修困难，维修时间长，影响焦炉的连续生产，而且维修费用高。编码电缆位移传感技术是在八十年代初世界上为解决炼焦、仓储、堆料场的移动车辆的地址检测和相互通信问题而发展起来的一门专用技术，中文也有称为诱导母线技术。该项技术是针对工业生产上大型移动机械的自动化而研制的，具有很高的可靠性与抗干扰能力。该项技术在1997年后开始在国内研制成功，并成功的用在焦炉四大车的自动控制系统和其他工业大型控制系统上。射频识别技术(RFID)是90年代兴起的一项新型自动识别技术，它的突出优点是利用无线射频方式进行非接触双向通一讯，从而达到识别目标和数据交换的目的，利用电子标签的信息标示可以完成多目标识别，RFID技术己应用于交通、商业自动化等领域。利用RFID技术进行焦炉炉号识别将具有固定编号的电子标签设于每孔焦炉，利用车上的读写器来识别和确定车辆的绝对地址，是解决焦炉车辆定位的行之有效的方法。它具有成本低，适应性强，绝对码址无积累误差，抗干扰能力强，预埋标签无源等优点，其缺点是对正精度偏低，但如果射频识别仅用于炉号的识别还是完全能够满足系统的精度要求的，是值得推荐的方式。利用射线传播的强穿透性和直线性实现三车联锁是近年来出现的一个新方法。射线适应环境的能力强，可在-2050的温度下稳定工作，对正的精度非常高，已经应用于宝钢，效果非常理想。但射线具有放射性，对保护装置安全保障装置要求较高，使得系统维护复杂、成本高。同时由于人们对射线的恐惧心理，也使得这项技术的推广受到限制。采用激光对正技术是国内的另一个创新技术，即在炉室旁按照炉室的距离预置一排特定高度的钢辊，并在焦车上装一鼓轮机构，当焦车行驶进入炉室区域后，钢辊会沿着鼓轮表面的螺旋沟槽移动，从而拨动鼓轮旋转，带动鼓轮机构中增量式旋转编码器，由焦车控制器完成炉号的读取和识别。其主要部件都是无源的机械机构。精确对位是利用三灯显示激光对射装置进行检测，在炉室的对应区域埋入遮光板，通过三束激光的对射和不同的反射结果，从而提高机车对正的精度。31.3论文的主要内容本次设计基于解决焦化企业生产过程中出现的实际问题也是一个亟待改进课题：焦炉四车定位检测问题。现阶段，寻找一个适合中国国情的切入点，转换思路，对已有方案进行改进，设计开发出新型自动控制系统是一项非常紧迫的任务。焦炉四车连锁自动控制系统是一个复杂的大型工业自动控制系统，其中包含的信息量大、涉及到的学科知识众多，因此这次设计只选取了其中的一部分来进行研究，即焦炉四车定位检测技术，本文将重点讨论以下几个关键技术问题：1.系统总体结构规划设计主要介绍了系统总体框架的组成，针对连锁控制过程中定位检测需要解决的关键技术（炉号识别和定位校正）的解决方案进行了比较与选择，以及其监控显示器与控制器的简介。2.炉号识别子系统主要介绍了焦车炉号识别功能的实现，采用的是基于增量式旋转编码器的解决方案，同时介绍了旋转编码器的实现原理与具体的硬件实现电路设计。3.定位校正子系统主要介绍了焦车定位校正功能的实现，分为自动校正与手动校正两部分。自动校正采用的是利用位置检测装置和定位遮光片配合工作进行焦车定位校正的控制；手动校正采用的是应用触摸屏的解决方案。4.监控显示器与控制器主要介绍系统对焦车运行情况的监控显示功能及其控制功能，采用触摸屏与PLC实现其功能。第2章系统总体方案设计第2章系统总体设计方案焦炉四车（推焦车、拦焦车、熄焦车和装煤车）的连锁控制，尤其是在推焦前的连锁控制，是焦炉生产安全的重要保障措施。由于本次设计主要针对中小型焦化厂，所设计系统需具有结构简单，检测精度高，建设成本低廉等优点，因此本系统通过位置检测装置来实现焦炉四车定位检测。在大车运行时，机械齿轮有间隙、车轮打滑等因素，都会引起位置检测误差，影响测量精度，因此，在轨道中需要设置校正装置。本系统的设计主要是实现焦炉四车定位检测，可将焦炉四车连锁自动控制的定位检测关键技术归纳为两点：炉号识别和定位校正。1.炉号识别：准确获得焦车所处的有效炉室区域的炉号，这对焦车的连锁控制是至关重要的，尤其在推焦前的炉号识别不能有任何的差错。2.定位校正：焦车始终处在运动、停车切换的状态，当焦车获得操作指令后，能在最短的时间内自动或手动校正对正在指定炉号的炉室位置，同时保证焦车对证标志与炉室的对正点的偏差小于系统的允许精度（国内焦炉推荐的精度是10mm）。之于此本次设计的总体设计方框图如下：图2-1总体设计方框图2.1炉号识别自动识别技术在工业控制领域应用的较为广泛，技术种类也较多，其中对于焦炉炉号识别而言，采用位置编码的识别方法是比较可取的。这里有以下几种方案：1、感应无线技术感应无线位置检测技术是从70年代开始发展起来的一项新的应用技术，其特点是：非接触式、连续地进行绝对位置检测，它利用固定于地面的轨道旁的一根按一定编码排列的感应电缆与机车上的天线间的电磁感应作为行走位置检测手段，具有分辨率高(1cm)的特性，可实现髙精度的对正自动控制。同时由于感应电缆对位置是绝对编码，所以系统运行可靠性高，误识别可能性小。感应无线技术目前国外采用的比较多，国内的应用也己经开始，效果比较理想。但缺点也是同时存在的：技术难度复杂，系统的整体建设成本和维护成本的偏高，同时由于感应无线技术本身的限制，如果使系统精度提高（1cm情况下）建设成本将大幅增加。由于焦炉生产环境恶劣，感应电缆容易损坏，前不久邯钢的一条感应电缆就被掉落的红焦灼损。一般情况下，采用此方案的初期建设成本不少于150万，这对于广大的国内中小焦厂而言，具有一定的推广阻力。2、红外线编码识别红外线编码识别技术也是一种绝对编码识别方法，采用对射方式的光电传感器组，90年代初被应用于炉号识别领域中。在南京梅山焦化厂等就是采用了这种方法，使用效果一般。但缺点非常明显，由于是光路耦合，在焦炉恶劣环境中烟雾粉尘会产生干扰，容易受到焦炉恶劣生产环境的影响，并带来较突出的维护工作量，由于没有成型的技术产品，系统的技术实现存在一定的难度。光电传感器价格偏高，这增加了系统的建设成3、射频识别技术射频识别技术(RFID)是90年代兴起的一项新型自动识别技术，它的突出优点是利用无线射频方式进行非接触双向通一讯，从而达到识别目标和数据交换的目的，利用电子标签的信息标示可以完成多目标识别，RFID技术己应用于交通、商业自动化等领域。利用RFID技术进行焦炉炉号识别将具有固定编号的电子标签设于每孔焦炉，利用车上的读写器来识别和确定车辆的绝对地址，是解决焦炉车辆定位的行之有效的方法。它具有成本低，适应性强，绝对码址无积累误差，抗干扰能力强，预埋标签无源等优点，其缺点是对正精度偏低，但如果射频识别仅用于炉号的识别还是完全能够满足系统的精度要求的，是值得推荐的方式。4.旋转编码器国内最早的应用是将光电传感器，一般采用旋转编码器，安装在车轮上用来检测车辆运行位置，通过对旋转编码器输出的两路脉冲进行辨向，后接可逆计数器就能实现焦车绝对位置的检测。这种方式具有设计难度低、电路设汁简单、成本低廉、安装调试方便、运行维护成本低等优点。基于此，很多设计方案都采用了这一思路。基于本次设计主要是针对中小型企业，所设计系统需具有结构简单、检测精度高、安装调试方便、建设成本低廉等优点，因此采用旋转编码器具有一定的优势，本次设计最终采用的是旋转编码器。2.2定位校正定位校正本身的内容包含对正精度满足系统要求和停车对正的自动实现，也就是精确性和自动性，这两方面内容。定位校正的控制基础是位置检测技术。位置校正装置是对焦车运行位置和定位精度的进行检测的过程，由于是对运行中的焦车 进行位置校正，所以首选非接触的位置传感器来实现。常用的非接触位置传感器的常用种类较多：高频振荡（电感式）位置开关，霍尔位置开关，光电开关，超声波位置开关等。考虑到位置校正的精度和控制信号实时性要求，光电开关更适用于焦车的校正，理想的光电开关检测精5第2章系统总体设计方案度可达1mm以下，甚至微米级，动作反应快，信号输出反应时间可达0.1ms以下，这是其它种类的位置传感器无法比拟的。因此，选择光电开关作为位置传感器。光电开关根据检测方式的不同，可分为漫反式、镜反射式、对射式、槽式、光纤式等几种。对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光束，被接收器接收，变为电信号。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠、检测精度最高的检测模式。基于此，光电开关的使用是与自行设计的定位遮光片相配合使用的，利用定位遮光片的割断光路而使光电开关输出的状态变化达到位置校正的目的。其具体做法是：炉室炉号中带有5、9的炉室都对应一个定位遮光片，定位遮光片的位置固定在焦车轨道一侧，其缝隙中心点与相应的炉室中心点重合，这样当安装了对射式光电开关的焦车经过时，由于定位遮光片的遮挡会使光电开关的输出状态发生变化，从而获得轿车的位置信息，根据位置信息进行焦车位置的校正，将其位置数据转换为对应炉室中心的绝对位置。2.3监控显示器与控制器1.在本次设计中的监控显示器采用触摸屏实现其功能，触摸屏的作用分为两个方面：一是显示出焦车所对应的炉室炉号、焦车位置及校正炉室炉号；二是可利用触摸屏来进行手动校正。触摸屏是一套透明的绝对定位系统，首先它必须保证是透明的，因此它必须通过材料科技来解决透明问题，像数字化仪、写字板、电梯开关，它们都不是触摸屏；其次它是绝对坐标，手指摸哪就是哪，不需要第二个动作，不像鼠标，是相对定位的一套系统，我们可以注意到，触摸屏软件都不需要光标，有光标反倒影响用户的注意力，因为光标是给相对定位的设备用的，相对定位的设备要移动到一个地方首先要知道现在在何处，往哪个方向去，每时每刻还需要不停的给用户反馈当前的位置才不至于出现偏差。这些对采取绝对坐标定位的触摸屏来说都不需要；再其次就是能检测手指的触摸动作并且判断手指位置，各类触摸屏技术就是围绕“检测手指触摸”而八仙过海各显神通的。 2.系统中的控制器为PLC，运用其高速计数器记录旋转编码器输入的脉冲数，再通过PLC的其它指令计算出焦车行走的距离，由此判断出焦车所在炉室；又与光电开关组成校正系统，通过焦车经过炉室，光电开关遇到定位遮光片输入到PLC的脉冲，使PLC程序进入中断程序，从而进行对焦车进行位置校正。目前生产PLC的厂家较多。但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有：德国西门子公司：有SS系列的产品。有SS95U、100U、115U、135U及155U。135U、155U为大型机，控制点数可达6000多点，模拟量可达300多路。最近还推出S7系列机，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400机（大型）。性能比S5大有提高。日本OMRON公司：它有CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM、CV型机，Ha型、F型机等，大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长，在中国及世界市场，都占有相当的份额。美国GE公司、日本FANAC合资的GEFANAC的9070机也是很吸引人的。据介绍。它具有25个特点。诸如，用软设定代硬设定，结构化编程，多种编程语言，等等。它有914、781782、771772、731732等多种型号。另外，还有中型机9030系列，其型号有344、331、323、321多种；还有9020系列小型机，型号为211。美国莫迪康公司(施奈德)的984机也是很有名的。其中E984785可安31个远程站点，总控制规模可达63535点。小的为紧凑型的，如984-120，控制点数为256点，在最大与最小之间，共20多个型号。美国AB（AlienBradley）公司创建于1903年，在世界各地有20多个附属机构，10多个生产基地。可编程控制器也是它的重要产品。它的PLC5系列是很有名的，其下有PLC5/10，PLC5/11，PLC5/250多种型号。另外，它也有微型PLC，SLC500即为其中一种。有三种配置，20、30及 40 I/O配置选择，I/O点数分别为 12/8、18/12及 24/16三种。日本三菱公司的PLC也是较早推到我国来的。其小型机FI前期在国内用得很多，后又推出FXZ机，性能有很大提高。它的中、大型机为A系列。AIS、AZC、A3A等。日本日立公司也生产PLC，其E系列为箱体式的。基本箱体有E-20、E-28、E40、E64。其 I/O点数分别为 12/8、16/12、24/16 及 40/24。另外，还有扩展箱体，规格与主箱体相同其EM系列为模块式的，可在16160之间组合。日本东芝公司也生产PLC，其EX小型机及EXPLUS小型机在国内也用得很多。它的编程语言是梯形图，其专用的编程器用梯形图语言编程。另外，还有EX100系列模块式PLC，点数较多，也是用梯形图语言编程。日本松下公司也生产PLC。FPI系列为小型机，结构也是箱体式的，尺寸紧凑。FP3为模块式的，控制规模也较大，工作速度也很快，执行基本指令仅0l微秒。日本富士公司也有PLC。其NB系列为箱体式的，小型机。NS系列为模块式。美国IPM公司的IP1612系列机，由于自带模拟量控制功能，自带通讯口，集成度又非常之高，虽点数不多，仅16入，12出，但性价比还是高的，很适合于系统不大，但又有模拟量需控制的场合。新出的lP3416机，I/O点数扩大到34入、12出，而且还自带一个简易小编程器，性能又有改进。国内PLC厂家规模多不大。最有影响的算是无锡的华光。、它也生产多种型号与规格的PLC，如SU、SG等，发展也很快，在价格上很有优势。相信会在世界PLC之林中一定有其位置的。按应用规模分类：超小型PLC，小型PLC，中型PLC，大型PLC， 超大型PLC。本次设计中只需要用小型的PLC就能够满足使用需求，因此选用西门子S7-200，主要是相比较其他品牌的PLC，对其比较熟悉。7第3章硬件电路设计第3章硬件电路设计3.1炉号识别子系统3.1.1增量式旋转编码器简介1.编码器概念所谓编码器即是将某种物理量转换为数字格式的装置。运动控制系统中的编码器的作用是将位置和角度等参数转换为数字量。可采用电接触、磁效应、电容效应和光电转换等机理，形成各种类型的编码器。运动控制系统中最常见的编码器是光电编码器。 光电编码器如以信号原理来分，有增量式编码器，绝对式编码器；根据其用途的不同又可分为旋转光电编码器和直线光电编码器，分别用于测量旋转角度和直线尺寸。本次设计使用增量式旋转光电编码器。光电编码器的关键部件是光电编码装置，在旋转光电编码器中是圆形的码盘(codewheel或codedisk)，而在直线光电编码器中则是直尺形的码尺(codestrip)。码盘和码尺根据用途和成本的需要，可由金属、玻璃和聚合物等材料制作，其原理都是在运动过程中产生代表运动位置的数字化的光学信号。增量编码器的码盘如下图所示。图3-1增量编码器的码盘在现代高分辨率码盘上，透光和遮光部分都是很细的窄缝和线条，因此也被称为圆光栅。相邻的窄缝之间的夹角称为栅距角，透光窄缝和遮光部分大约各占栅距角的1/2。码盘的分辨率以每转计数(CPR-counts per revolution)表示，亦即码盘旋转一周在光电检测部分可产生的脉冲数。在码盘上，往往还另外安排一个（或一组）特殊的窄缝，用于产生定位(index)或零位(zero)信号。测量装置或运动控制系统可利用这个信号产生回零或复位操作。图3-2增量码盘与挡板增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高 。一般只需要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数脉冲。它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位差为90的A相和B相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数 系统提供一个初始的零位信号）。从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。由图3.3（a）可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前/2，而反转时 ，A道脉冲比B道滞后/2。图3.3（b）是一实际电路，用A道整形波的下沿触发单稳态 产生的正脉冲与B道整形波相与，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘 的转动方向和相对角位移量。通常，若编码器有N个（码道）输出信号，其相位差为/ N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。图3.3电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差， 这种情况出现在当某一道信号处于“高”或“低”电平状态，而另一道信号正处于“高”和 “低”之间的往返变化状态，此时码盘虽然未产生位移，但是会产生单方向的输出脉冲。图3-3增量光电编码器基本波形和电路图3-4四倍计数方式的波形和电路11河北联合大学电气工程学院图3.4是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。在这里，采用了有记忆功能 的D型触发器和时钟发生电路。由图3.4可见，每一道有两个D触发器串接，这样，在时钟脉 冲的间隔中，两个Q端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保持前两个时钟期的输入 状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根据两者关系判断出它的变化方 向，从而产生正向或反向输出脉冲。当某道由于振动在高、低间往复变化 时，将交替产生正向和反向脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影 响（下面仪器的读数也将涉及这点）。由此可见，时钟发生器的频率应大于振动频率的可能 最大值。由图3.4还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。2.增量式光电编码器基本技术规格在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。 （1）分辨率 光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在5006000PPR 的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为2500PPR 的编码器。此外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2 倍频或4 倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。 （2）精度 增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。 （3）输出信号的稳定性 编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。 （4）响应频率 编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。编码器的最大响应频率、分辨率和最高转速之间的关系如下公式所示。（5）信号输出形式 在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。3光电编码器的应用（1）角度测量汽车驾驶模拟器，对方向盘旋转角度的测量选用光电编码器作为传感器。重力测量仪，采用光电编码器，把他的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连，扭转角度仪，利用编码器测量扭转角度变化，如扭转实验机、渔竿扭转钓性测试等。 摆锤冲击实验机，利用编码器计算冲击是摆角变化。（2）长度测量计米器，利用滚轮周长来测量物体的长度和距离。拉线位移传感器，利用收卷轮周长计量物体长度距离。联轴直测，与驱动直线位移的动力装置的主轴联轴，通过输出脉冲数计量。介质检测，在直齿条、转动链条的链轮、同步带轮等来传递直线位移信息。（3）速度测量线速度，通过跟仪表连接，测量生产线的线速度角速度，通过编码器测量电机、转轴等的速度测量12河北联合大学电气工程学院（4）位置测量机床方面，记忆机床各个坐标点的坐标位置，如钻床等自动化控制方面，控制在牧歌位置进行指定动作。如电梯、提升机等（5）同步控制通过角速度或线速度，对传动环节进行同步控制，以达到张力控制本次设计使用欧姆龙增量式旋转编码器E6C2-CWZ6C，其外径50，优点是坚固、简单；采用密封轴承，实现了IP64f的防滴、防油性；增强了耐轴负载性能，实现径向50N，推力向30N；导线斜式引出方式，有导线横向引出和后部引出；附有逆接、负荷短路保护回路，改善了可靠性。3.1.2增量式旋转编码器应用问题、改进及选型1.应用中问题分析光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场，在使用中暴露出许多缺陷，其有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面：（1）发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，导致接收装置不能可靠的接收到光信号，而不能产生电信号。例如；光电编码器应用在轧钢调速系统中，因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上，光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连接，因电动机所带负载是冲击性负载，当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。经测定；过钢时光电编码器振动速度为2.6mm/s，这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。造成误发脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作，导致事故发生。（2）因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。如安装部位温度高、湿度大，导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。例如在连铸机送引锭跟踪系统，由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯，环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏，而引发生产或人身事故。（3）生产现场的各种电磁干扰源，对光电检测装置产生的干扰，导致光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或引发生产事故。例如；光电检测装置安装在生产设备本体，其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20m100m，传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆，但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加上和其他电缆同在一起敷设，极易受到各种电磁干扰的影响，因此引起波形失真，从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差，而导致系统精度下降。2.改进措施（1）改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上，而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器，光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至1.2mm/s。（2）合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。光电检测装置本身是由电子元器件构成，它对安装环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用，要采取相应的保护措施，以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。结合光电检测装置在生产过程控制中的应用实践，在控制系统设计中；不宜采用光电检测装置的信号作为重要的控制信号，以避免光电装置突然损坏或工作不稳定（环境高温、湿度大、机械振动、外力碰创等）引起其他设备事故。在控制系统中应用PLC程序实适进行过程控制的监控或干涉，以克服了因系统中采用光电装置而存在的各种缺陷，是提高系统可靠性的有效途径。3.本次设计采用的是欧姆龙增量式旋转编码器E6C2-CWZ6C。（1）欧姆龙增量式旋转编码器E6C2-C种类如下所示：图3-5欧姆龙增量式旋转编码器E6C2-C种类（2） 欧姆龙旋转编码器E6C2-C额定值/性能如下所示：14河北联合大学电气工程学院图3-6欧姆龙旋转编码器E6C2-C额定值/性能（3）欧姆龙旋转编码器E6C2-C外形尺寸如下所示：图3-7欧姆龙旋转编码器E6C2-CWZ外形尺寸（4）欧姆龙旋转编码器E6C2-C输入输出段回路图如下所示：图3-8欧姆龙旋转编码器E6C2-C输入输出段回路3.2定位校正子系统本次设计利用对射式光电开关与自行设计的定位遮光片配合使用，构建位置校正装置，从而达到位置校正的目的。 3.2.1光电开关位置校正装置是对焦车运行位置和定位精度的进行检测的过程，由于是对运行中的焦车 进行位置校正，所以首选非接触的位置传感器来实现。常用的非接触位置传感器的常用种类较多：高频振荡（电感式）位置开关，霍尔位置开关，光电开关，超声波位置开关等。考虑到位置校正的精度和控制信号实时性要求，光电开关更适用于焦车的校正，理想的光电开关检测精度可达1mm以下，甚至微米级，动作反应快，信号输出反应时间可达0.1ms以下，这是其它种类的位置传感器无法比拟的。因此，选择光电开关作为位置传感器。光电开关根据检测方式的不同，可分为漫反式、镜反射式、对射式、槽式、光纤式等几种。对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光束，被接收器接收，变为电信号。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠、检测精度最高的检测模式。光电开关其工作原理图如图所示。图3-9光电开关工作原理图从上如可以看出，实用的光电开关的发射器发出的是经过调制后的脉冲光束，接收器接收后变成电压脉冲，在经过解调电路进行频率判断，如果与发送器的调制频率一致, 输出有效信号，否则输出无效信号。加入调制信号后，可增加光电发光管的使用寿命、增加检测的可靠性和增强光电开关的抗干扰能力。光电开关输出接线图如下所示：16河北联合大学电气工程学院图3-10光电开关输出接线图光电开关最终选用的是世界上著名的光电传感器生产商德国施克（SICK）公司的工业用光电开关WS24-2。采用的是红外激光作为工作光，光束极细，发射器的散射角仅为 1，有效控制距离可达60mm，12到24直流供电，最大工作电流120mA，可选择NPN输出，最大延时时间仅为0.5ms，满足了本系统的使用需要。3.2.2定位遮光片光电开关的使用是与自行设计的定位遮光片相配合使用的，利用定位遮光片的割断光路而使光电开关输出的状态变化达到位置校正的目的。其具体做法是：炉室炉号中带有5、9的炉室都对应一个定位遮光片，定位遮光片的位置固定在焦车轨道一侧，其缝隙中心点与相应的炉室中心点重合，这样当安装了对射式光电开关的焦车经过时，由于定位遮光片的遮挡会使光电开关的输出状态发生变化，从而获得轿车的位置信息，根据位置信息进行焦车位置的校正，将其位置数据转换为对应炉室中心的绝对位置。其结构如下图所示：图3-11定位遮光片结构图 如上图所示定位遮光片的左右宽度不同，这主要是想由此来判断焦车行进的方向。3.3监控显示器在这次设计中触摸屏的作用分为两个方面：一是显示出焦车所对应的炉室炉号、焦车位置及校正炉室炉号；二是可利用触摸屏来进行手动校正。随着科技的飞速发展，越来越多