光检装置用户手册V3.doc

AFC-LAS光编码位置检测装置用户手册武汉利德测控技术股份有限公司2011年6月目 录1、产品概述2、检测原理3、技术参数4、主要部件及其结构5、接口6、设备安装7、配置与调试8、通信协议及帧格式9、选型参考一、产品概述轨迹定位设备作为工业控制和生产作业管理的重要装备，在龙门吊装、天车走行、提升机控制、焦炉联锁等传统的工业应用领域已得到广泛应用。目前，随着铁路行业的迅猛发展和物联网的兴起，轨迹定位设备的应用也延伸至商业领域，在铁路运输、港口码头、自动仓储等行业大显身手。传统的长距离轨迹定位技术包括旋转编码器位置检测技术、定位片电磁编码位置检测技术、条形码位置检测技术、编码电缆位置检测技术等，由于编码电缆位置检测技术在恶劣环境下的适应性强、可靠性高，近年来在钢铁生产等诸多应用领域得到了全面普及。但是基于编码电缆进行位置检测的技术本质是电磁感应原理，因此这种检测技术也存在着其固有的局限性：即在出现同频干扰时会检测不到正确的位置。随着我国各行业的产业升级改造，特别是大功率变频器的广泛使用，作业现场出现同频干扰的场合已不鲜见，由此也带来检测位置码出现“跳变”现象，这种情况在车上检测方式中尤其明显。武汉利德测控技术股份有限公司长期致力于轨迹定位设备的研发和生产，在焦炉联锁、天车走行、长钢轨群吊集控等领域处于行业领先地位。面对编码电缆位置检测技术同频干扰现象的困扰，公司着力于轨迹定位新技术的研究与推广，在引进并解析国外同类产品的基础上，结合我公司现有的专利技术，利德成功开发出新一代位置检测设备AFC-LAS光编码位置检测装置。AFC-LAS光编码位置检测装置运用位置编码技术和光电检测技术，精确地测定目标设备的绝对位置，定位范围更广、定位精度更高、检测速度更快、抗干扰性能更强、线性和一致性更好，为轨迹定位设备更广泛地应用于工业和商业领域树立了一个全新的标竿。二、 检测原理AFC-LAS光编码位置检测装置基于位置编码和光电检测技术，其位置检测原理如下图。首先，在一条不锈钢带上按特定的规则用激光切割出高度相同而宽度不同的方形孔，这些方孔的间距和排列顺序也遵循特定的规律，从而使得在整个不锈钢带上的任何位置其孔的形态组合都不相同，开孔钢带沿目标设备走行轨迹安装，并以此实现对目标设备位置的绝对编码，这种开有方孔的钢带称为光码尺。位置检测的核心是一种光电检测装置，这种装置被设计成倒U型结构，并安装在目标设备上，随目标设备一起移动，光码尺垂直嵌入检测装置的U型槽内。装置两侧分别分布着IR红外管发射阵列和IR红外接收管阵列，ARM处理器控制IR发射管，利用红外光束对光码尺进行高速扫描，并从IR接收管获取扫描的结果，最后换算成光码尺的位置编码。由于这种装置是通过对光码尺方孔的物理编码进行识别并确定目标设备相应的位置，因此该装置被称为光尺解码器。AFC-LAS光编码位置检测装置利用光电检测来实现位置检测，检测速度快，检测精度高，从根本上杜绝了编码电缆面临的因同频干扰致使检测位置码出现“跳变”的现象发生。三、技术参数l 绝对位置检测，不受断电影响l 检测范围最大786米(LAS01-A型)或1572米(LAS01-B型)l 目标设备的最大速度15米/秒 （54公里/小时）l 光电检测原理，检测分辨率1mml 检测精度1mm(目标设备速度0.5m/S)l RS485和RS232双通信接口，支持ModBus RTU主模式、ModBus RTU从模式、ModBus ASCII主模式、ModBus ASCII从模式和PLC自动上传等通信协议，能方便地与各种数据终端接口l 防水与防尘结构，适于恶劣工作环境四、主要部件及其结构AFC-LAS位置检测装置由以下基本部件构成：l AFC-LAD光尺解码器l AFC-LAR 光码尺l AFC-LAA 装置自动清洁器（选件）l 光码尺和光解码器安装附件l 通信协议转换器（选件）1、AFC-LAD光尺解码器光尺解码器为倒U型结构，其壳体由数控精铣而成并经过表面处理，是实现位置检测的关键部件。其左右两侧以一定的规则分布着大量IR红外发射/接收器件，在解码器处于光码尺不同的位置，IR的导通状态也不同，内置的高速ARM处理器控制这些IR器件对光码尺进行高速扫描，并将这些IR状态换算成目标设备的绝对位置码。解码器在整个定位范围内的检测分辨率达1mm，在目标设备低速走行时检测精度也接近1mm。AFC-LAD光尺解码器能自动处理环境光，其机械结构具备防水和防尘设计，基于光的检测也避免了可能的电磁干扰，特别适应于恶劣的电磁环境。和目标设备的绝对位置码一起上传的，还有两个位置码，它们是光码尺在解码器中前后两侧垂直方向的相对位移，光码尺在初次安装时的垂直方向的定位可参考这两个位置码，在目标设备运行期间可实时检测因目标设备轨道沉降、光码尺因外力移位引起解码器与光码尺垂直相对位置变化并实现超限报警。2、AFC-LAR光编码尺AFC-LAR光编码尺为L型不锈钢带条，其上通过激光按一定规则精确切割出孔径大小不一的长方孔，带条有两种规格，它们的最大长度分别为786米和1572米，光尺解码器每走行1mm，都能通过IR状态获取一个独一无二的编码并换算为目标设备的绝对位置。为了便于现场安装，整条AFC-LAR光编码尺被分为长度3米的带段，在现场通过连接附件拼接成一个整体。AFC-LAR光编码尺主要用于直线型轨迹的位置检测，但是，根据目标设备的移动轨迹曲线，AFC-LAR光编码尺也能在现场安装成带弧度的带段，并拼接成任意弯曲的形状。一个实际的例子是，在钢铁企业硅钢旋转炉钢卷定位系统中，可将光码尺加工并安装成环形来实现钢卷的环形定位。3、AFC-LAA自动清扫装置由于AFC-LAS是基于光的检测来检测设备的位置，因此保持解码器的导光孔和光码尺方孔的通透非常重要。为了减轻作业人员的劳动强度，对于象焦炉等多尘的作业环境，有必要安装AFC-LAS的自动清扫装置。AFC-LAC清扫装置安装在目标设备上，也为倒U型结构，在U型槽内两侧各安装有一个弹簧牵引的毛刷，在目标设备移动时完成对光码尺的自动清洁工作。4、通信协议转换器在以下场合，有必要选购利德公司的通信接口转换附件：l 数据终端为CAN、Ethernet等其它非RS485/RS232接口l 数据终端为不支持本装置5种通信协议的PLCl 数据终端与本装置的通信距离超过接口规定的通信范围转换附件的具体规格与选型请根据项目的实际情况，参考我公司的产品选型手册或产品的技术文档，也可通过访问获取相关信息。五、接口AFC-LAD设计有两个防水连接口，一个是5芯接口CN1，该接口是24V电源和RS232接口，另一个是2芯的RS485接口CN2，具体接线如图。两个接口的连接应使用屏蔽电缆，在布线时尽量避开动力缆线，并根据现场的干扰情况对电缆屏蔽层采取接地措施。AFC-LAS两个通信接口中，RS485作为主通信接口，用于和数据终端通信，支持5种通信协议，RS232作为辅助通信端口，只支持Modbus RTU协议，主要用于系统调试与参数配置，但是当有两个数据终端都需实时地从AFC-LAS装置获取位置数据时，也可将此端口和数据F 屏蔽可以减小电磁干扰，使用外层包织物的电缆两端都要接地，但在使用泊屏蔽，或无法安装等电势电缆时一端接地效果更好。为了防止接地电流本身成为干扰源，可以在一端串接RC后进行接地保护。终端相连。如果数据终端是以太网等其它接口，或通信距离超过规定的通信范围，可以选购利德公司的通信转换模块和通信扩展模块，进行接口转换或协议转换。六、设备安装1、光尺解码器的安装一般而言，使用一个标准或非标的解码器安装板将解码器与被测设备或部件连接。解码器上开有螺纹孔以方便与安装板的连接。根据目标设备的结构以及现场环境的不同，解码器的安装方式有多种选择。根据安装方位的不同，可分为正装，侧装，倒装；根据紧固位置的不同，可以在解码器顶部、侧部进行固定；此外，可以根据现场实际情况，有针对性的设计出多种安装方式。 正装方式(侧部固定)侧装方式(顶部固定) 2、光码尺的安装根据目标设备的形态结构和现场环境不同，AFC-LAR光编码尺有灵活的安装方法。最简单的方法是用标准的L型角铁安装支架进行安装，先将L型角铁垂直安装在墙面、梁柱或天花板上，然后在角铁上固定光码尺带段，每个带段至少需要两个固定支点，在安装带段时注意其编号保持连续，同时要保证相邻带段间首尾相连，最后用带段连接附件将所有带段拼接成整体。在有些应用场合，安装AFC-LAS位置检测装置可能存在空间限制，这些场合除考虑选用U型槽较窄的光解码器外，也可将光码尺以水平、垂直或任意其它角度进行安装。例如在天车走行定位场合，由于天车走行轨道和摩电道的存在，给编码电缆等传统的位置检测设备的安装带来诸多限制，在这种场合下，只要将AFC-LAR光码尺平行于摩电道水平安装，而AFC-LAD光解码器侧向安装于天车车体上，即可避免这些限制带来的困扰。一般情况下，目标设备的走行范围确定了所需光编码尺的长度，而在光解码器安装好后，也基本确定了光码尺的安装位置。光尺是否正确安装有一个简单的判别方法：以悬臂吊装方式为例，这时光码尺垂直安装，在目标设备的整个行程内，光尺位置在水平方向应在解码器U型槽的正中间，在垂直方向解码器的IR导光孔应处于光码尺方孔的正中部。光码尺的主要安装附件有L型角铁支架、带段连接器、弹性预紧装置等，这些附件所需数量和光编码尺的长度和安装方式有关，因此在订购光码尺时需仔细核算。3、清扫装置安装由于AFC-LAS是基于光的检测来检测设备的位置，因此保持解码器的导光孔和光码尺方孔的通透非常重要。为了减轻作业人员的劳动强度，对于象焦炉等多尘的作业环境，有必要选购并安装AFC-LAS的自动清扫装置。自动清扫装置可以独立与光解码器安装，这时的自动清扫装置使用与光解码器类似的安装附件；此外还可以集成到光解码器上，则不需要额外的安装附件。七、配置与调试AFC-LAS光编码位置检测装置支持现场在线配置，以适应不同的应用场合和匹配不同类型的目标设备，为此随装置一起提供有专门的参数配置软件，该软件也具有丰富的调试功能，用于设备的安装调试和日常维护。调试软件基于.NET平台开发，软件运行需要.NET2.0或以上版本支持，请在目标PC机上运行本软件的安装程序setup.msi来安装此调试软件。如果目标机没有.NET2.0运行库，安装程序也会自动完成安装。以下是软件的主界面：1、软件的调试功能l 直观地显示所有IR的通/阻状态和相应的光码尺编码l 读取IR的环境光A/D转换值l 读取IR的通/阻状态下的A/D转换值l 读取并显示IR环境光补偿后的A/D转换值l 显示位置计算的中间结果l 跟踪并显示通讯请求帧和回应帧l 显示通信帧的统计信息2、AFC-LAS检测装置参数配置内容AFC-LAS位置检测装置的配置参数分为三种类型：设备的位置检测和位置码计算相关参数、通信接口的工作参数和位置数据的存储地址参数。设备的位置检测和运算相关参数包括：1) 光码尺的安装方向，安装方向是指光码尺嵌入光尺解码器时，其首尾端相对于光尺解码器的安装方向2)设备ID，当系统中有多个AFC-LAS装置时，用于标识和管理设备3)设备零偏，用于设置目标设备的起始位置（零点位置）4)目标设备行程，即目标设备的最大走行距离，用于超限报警通信接口包括主通信端口RS485和辅助通信端口RS232，它们的工作参数设置包括：1)RS485端口的协议类型（缺省值：Modbus RTU Salve）2)RS485端口的波特率(缺省值：19200)3)RS485端口的节点地址，当RS485端口的协议类型为Modbus从模式时，此节点地址是AFC-LAS装置本身的地址，当RS485端口的协议类型为Modbus主模式时，此节点地址是数据终端（如PLC）的地址（缺省值：11）4)RS232端口的波特率(缺省值：19200)F 修改通信参数务必特别小心，并进行保存或记录。一旦通信端口的波特率或节点地址不符，本软件和其它数据终端设备都不能和AFC-LAS检测装置进行正常通信，因此也不能从AFC-LAS读取或向其写入任何数据。5)RS232端口的节点地址(缺省值：12)位置数据的存储地址的设置包括：1)地址寄存器地址，当AFC-LAS装置被配置为Modbus从模式时，检测装置向其中实时写入解码后的目标设备地址，这时数据终端工作于Modbus主模式，任何时候都可通过FC03命令从本装置读取此地址的位置数据。2)PLC数据寄存器地址，当AFC-LAS装置被配置为Modbus主模式时，这时作为数据终端的PLC等设备工作于Modbus从模式，检测装置通过FC16命令向此地址实时地写入检测到的位置数据。3、配置与调试准备将AFCLAS目标装置的RS232默认调试端口与PC机串口相连，根据现场情况也可使用目标装置的RS485端口，通过RS485-RS232转换器后连接PC机串口实现远距离的在线配置与调试。从“开始”菜单-程序项中启动本软件，在主界面下点击“设置”按钮，打开参数设置窗口，选择实际使用的调试端口并设置目标装置的节点地址。F 由于调试软件工作于Modbus RTU主模式，调试端口如果选择RS485端口，请确保AFC-LAS装置的RS485已被配置为Modbus RTU 从模式，并且节点地址和参数设置窗口中的设置相同。否则，请先使用RS232端口对RS485的通信参数进行相应配置。在软件主界面选择PC机相应的“端口号”和“波特率”，然后按“连接”按钮启动和AFC-LAS位置检测装置的通信链接。链接成功后即可进行检测装置的参数配置操作，也可随时进行各种调试工作。链接是否成功取决于当前调试软件的通信参数配置是否和检测装置的内部设置相符。有几个简单的方法来确认：l 选择不同的调试类型，查看主界面上显示的数据和IR状态是否更新；l 打开“参数设置”窗口，勾选“使能原始回应帧”，检查帧的收发情况；l 打开“参数设置”窗口，勾选“使能统计”和“显示统计帧”，查看帧的收发是否正常；4、AFC-LAS的参数配置操作为了避免错误的配置操作或错误的参数设置造成AFC-LAS检测装置的通信异常和位置检测错误，AFC-LAS的参数配置被分为两个步骤：1)参数的预设置在程序主界面按“设置”按钮，进入参数设置窗口：在参数设置窗口，设置好目标设备的工作参数，在确保无误后按“确定”按钮关闭参数设置窗口，此时参数被保存在参数保存区中，再次打开参数设置窗口，可以查看或修改已有的配置设置。 2)参数写入检测装置在主调试窗口，在“调试类型”中选择“设置设备参数”，PC端调试软件向目标装置发送参数配置命令，在收到目标装置的成功确认后，软件会弹出提示对话框，指示参数配置完成。F 参数配置操作完成后，同目标装置的通信连接被断开，请选择新的调试类型，并重启目标装置后重新连接。在参数配置命令发出后如没有任何回应，参数配置则不成功，请检查软件的有关设置（波特率、节点地址和协议类型等）是否和目标设备当前的配置相符。5、使用软件进行调试在主窗口中，选择不同的调试类型，可以从目标装置获取不同的调试数据，从这些数据可以观察目标装置的工作状态，跟踪并排查设备故障。这些数据也可用于指导光码尺的安装或对安装进行精确调整。 1)读位移地址码，此操作获取目标装置的最终运算的位置码数据，此地址数据也是目标装置Normal运行时送往数据终端的数据。选择此调试类型时，除了检出位移地址、左右垂直码外，IR状态等其它都不会被更新2)读IR和ADDR码，此操作获取IR状态和位置计算时中间值3)读ADC值（IRON）,此操作获取在IR发射管发射红外光束时IR接收管的A/D转换值4)读ADC值（IROFF），此操作获取在IR发射管关闭时IR接收管的A/D转换值，用于测量环境光5)读IR-ADC差值，此操作获取通过环境光补偿后的IR A/D转换值，在数据窗口可查看所有IR的数据，也可单击某个IR直接查看其结果。6)跟踪原始回应帧，在参数设置窗口中勾选“跟踪原始回应帧”，则在主窗口下打开数据帧跟踪窗口。在跟踪通信数据帧时，主窗口的显示不会更新。在使用Modbus协议通信时，对帧的收发跟踪能方便排查通信故障，例如在AFC-LAS装置被配置为从模式时，数据终端会主动向其读取位置数据，如果命令中的读取数据地址、个数等参数与约定不相符合，AFC-LAS检测装置会回应相应的错误帧而非正常的数据帧。7)使能统计并显示统计信息，在参数设置窗口中勾选“使能统计”，则会在帧收发时进行统计操作，勾选“显示统计”，则在主窗口中显示统计结果。在通信距离较远，或通信中使用了无线转接模块，对通信帧的监测可以检查通信回路的通信质量，并排查可能的通信干扰源。8)读设备参数，此操作向目标装置发出相应命令，以获取目标装置当前的配置参数，在打开的“设备参数明细”窗口中，可检查并保存这些参数。读设备参数操作后，软件会断开与AFC-LAS的通信链接，如要进行后续调试，请按“连接”按钮，重新连接目标装置。F AFC-LAS位置检测装置的配置参数对其正常运行和后续维护非常重要，如果存在多个AFC-LAS装置，请对它们的配置参数进行保存、记录和归档，这是设备维护的一部分。八、通信协议与帧格式AFC-LAS位置检测装置通过串行通讯接口，以不同的协议和多种波特率与数据终端进行通信，实时地将位置数据和运行状态送给数据终端处理。串行通讯将帧的字节流传输变成比特流传输，LAS装置的串行通讯格式为1个起始位、8个数据位（LSB在前）、1个停止位、没有奇偶校验，数据传输的有效性检查由上层协议实现。1、通信帧内容n 位置数据帧，数据共6字节，其帧内顺序为32位的位置码数据（共4字节，高字节在前）、左垂直码、右垂直码。帧内顺序数据内容参数说明14设备位置为32位long型，单位mm5IR左垂直码D7为状态位：IR导光孔异常6IR右垂直码D7为状态位：行程超限n 参数数据帧，参数数据共24字节，其定义如下表：帧内顺序数据内容参数说明1RS485节点地址缺省值=112RS232节点地址缺省值=1236RS485接口波特率32位长整型，高字节在前710RS232接口波特率32位长整型，高字节在前11、12光码尺安装方向0：正向， 1：反向13、14RS485协议类型共5种协议，（注1）1518设备ID32位长整型，高字节在前19、20位置数据的写入/读取地址地址高字节在前（注2）21、22设备零点偏移高字节在前，单位为mm23、24设备行程高字节在前，单位为mn 调试数据帧，调试数据帧有多种类型，主要用于调试软件与检测装置的特定数据交换。在LAS检测装置正常工作期间，其同数据终端间的通信只有位置数据帧，当工作在Modbus从模式时，数据终端运行在Modbus主模式，并定时地发FC03读保持寄存器指令，读取LAS检测装置对应地址的位置数据。当LAS检测装置工作在Modbus主模式时，数据终端运行在Modbus从模式，LAS装置会定时地发出FC16写寄存器命令向数据终端传送检测出的位置数据。2、通信协议AFC-LAS位置检测装置支持5种通讯协议，具体如下：协议编号协议类型说明协议1Modbus RTU slave模式遵循标准的Modbus定义协议2Modbus ASCII Slave模式协议3Modbus RTU Master模式协议4Modbus ASCII Master模式协议5User defined for PLC为PLC数据传输而自定义Modbus ASCII方式将通信帧中的每个8Bit字节都转换为两个ASCII字符发送。这种方式的字符发送时间间隔可达到1秒而不产生错误。但帧中要附加起始符（“：”）和结束符（回车符+换行符）来实现帧的识别。其帧定义如下：:节点地址FC码数据数量数据1数据NLRC高字节LRC低字节回车换行Modbus RTU模式消息中的每个8Bit字节直接包含帧中的十六进制字符。在同样的波特率下，这种方式可比ASCII方式传送更多的数据，但需要定时器控制来识别收发帧。其帧定义如下：节点地址FC码数据数量数据1数据NCRC低字节CRC高字节以LAS检测装置配置为Modbus RTU从模式，节点地址为11为例，假设目标设备位置码为638.245米，左码为24，右码为33（以上数据对应的十六进制形式是0009BD25H，18H，21H共6字节，位置码取整数，单位为mm）。终端设备请求帧：0B,03,01,00,00,03,04,9D 各项分别为节点地址0B，FC码03，数据地址100，数据个数3，CRC码49DLAS回应帧为：0B,03,06,00,09,BD,25,18,21,31,8B各项分别为节点地址0B，FC码03，数据字节数06，6个数据字节（从高字节至低字节），CRC码318B协议5为自定义协议，又称单向主动传输协议。LAS检测装置以约20ms为一个周期，不间断地从通讯口向外发送16进制的ASCII字符数据。目标终端不论是否成功收到数据帧，都无需回应。数据格式为：序号12-1310-1112字符%H H H H L L L LC R0D含义起始符，固定字符4字节地址数据（高位在前）和2字节的左、右垂直码的ASCII码，共12字节，高半字节在前 前12个数据字符的XOR校验和，并转换为此ASCII码，高半字节的ASCII码在前结束符,固定字符回车符九、选型参考1、设备选型须知利用AFC-LAS光编码位置检测装置构建一个轨迹定位系统，必需关注如下几个关键因素：l 目标设备的工作现场和作业环境，考虑可能的安装方法，并选择相应规格的AFC-LAS位置检测装置。l 目标设备的走行范围，估计所需的编码尺的长度。l 编码尺的安装方法，明确所需的安装附件，