葉曉波

（飛利浦（中國）投資有限公司，上海201801）

成燈圓車是汽車燈照明生產(chǎn)中的重要設(shè)備。該設(shè)備有60個工位，各工位均勻分布在圓形轉(zhuǎn)盤的圓周上，每經(jīng)過1個工位短暫停留1～2 s。在這一設(shè)備中集成了導(dǎo)絲基座安裝／浸涂／硅膠灌封3道關(guān)鍵工序，各工序間又有上料、下料、燈具夾放、真空測試等動作，需求的生產(chǎn)速度是2 300個／h。該設(shè)備能生產(chǎn)高性能前照燈（High Perfor－Mance Headlight，HPH）系列的幾十種產(chǎn)品。由于每道工序要求的控制精度較高，生產(chǎn)節(jié)拍快，各加工工序必須與主傳動的圓盤時刻保持同步。同時，設(shè)備工藝復(fù)雜、執(zhí)行機構(gòu)繁多也向構(gòu)建一體化、模塊化的設(shè)備平臺提出了要求。

有鑒于此，采用PLC與角度編碼器有機結(jié)合構(gòu)建電子凸輪，利用Profibus現(xiàn)場總線將閥島、人機界面整合在同一系統(tǒng)中，這無疑是當(dāng)前的最佳選擇。本文重點介紹這方面的設(shè)備開發(fā)經(jīng)驗。

1 PLC、編碼器／格雷碼、現(xiàn)場總線與閥島

1.1 PLC

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controll－er，PLC）是一種以微處理器為核心、把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的工業(yè)控制裝置[1]。它具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為3個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新[2]。完成上述3個階段稱為1個掃描周期，在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行3個階段。

1.2 編碼器與格雷碼編碼

編碼器為傳感器類的一種，主要用來偵測機械運動的速度、位置、角度、距離或計數(shù)。它由圓光柵和指示光柵組成一對掃描系統(tǒng)，在掃描系統(tǒng)的一側(cè)投射一束紅外光，則掃描系統(tǒng)另一側(cè)的感光器件就可以收到掃描光信號；當(dāng)圓光柵轉(zhuǎn)動時，感光器件接收到的掃描光信號會發(fā)生變化，感光器件可以把光信號轉(zhuǎn)變成電信號并輸出給控制系統(tǒng)或儀表[3]。

本系統(tǒng)選用的角度編碼器采用格雷碼編碼。格雷碼是一種數(shù)字排序系統(tǒng)，其中所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個數(shù)字不同。它在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時，只有一個數(shù)位發(fā)生變化，這大大減少了由一個狀態(tài)到下一狀態(tài)時的邏輯混淆。另外，由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅一個數(shù)不同，故通常又稱為格雷反射碼或循環(huán)碼。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小的編碼方式。

1.3 Profibus現(xiàn)場工業(yè)總線

Profibus是一種國際化、開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。其通訊協(xié)議采用了國際標(biāo)準(zhǔn)組織／開放系數(shù)互連（ISO／OSI）模型的第1、2層和第7層，它提供了分散的外圍設(shè)備（DP），現(xiàn)場總線信息標(biāo)準(zhǔn)（FMS）和過程自動化（PA）3種通訊協(xié)議[4]36。其中，Profibus－DP使用了第1、2層，這種精簡結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸，適合PLC與I／O設(shè)備之間的通訊。Profibus－FMS使用了第1、2層和第7層包含了FMS和低層接口（LLI）。FMS處理單元級的數(shù)據(jù)通訊，F(xiàn)MS服務(wù)為解決復(fù)雜通訊任務(wù)提供了很大的靈活性。Profibus－PA 使用了擴展的 Profibus－DP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，是為過程控制中的高速、可靠的通訊要求而特別設(shè)計的；可以方便地將傳感器和執(zhí)行器連接到現(xiàn)場總線上[5]。由于Profibus現(xiàn)場工業(yè)總線具有數(shù)字化、可靠性、開放性以及抗干擾能力強的特點，最高速率達12 Mbps，得到了國際眾多供貨商的支持。

1.4 現(xiàn)場總線閥島

閥島是新一代氣電一體化控制元器件，已從最初帶多針接口的閥島發(fā)展為帶現(xiàn)場總線的閥島。閥島技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，不僅確保了電控閥的布線簡便，而且也大大簡化了復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)試、性能的檢測和診斷及維護工作。借助現(xiàn)場總線高水平、一體化的信息系統(tǒng)，使兩者的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，具有廣泛的應(yīng)用前景。

在由帶現(xiàn)場總線的閥島組成的系統(tǒng)中，每個閥島都帶有一個總線輸入口和總線輸出口。這樣，當(dāng)系統(tǒng)中有多個帶現(xiàn)場總線閥島或其他帶現(xiàn)場總線設(shè)備時，可以由近至遠(yuǎn)串聯(lián)連接。現(xiàn)在提供的現(xiàn)場總線閥島裝備了目前市場上所有開放式數(shù)據(jù)格式約定，及主要可編程控制器廠家自定的數(shù)據(jù)格式約定。這樣，帶現(xiàn)場總線閥島就能與各種型號的可編程控制器直接相連接，或通過總線轉(zhuǎn)換器進行閥接連接。

帶現(xiàn)場總線閥島的出現(xiàn)標(biāo)志著氣電一體化技術(shù)的發(fā)展進入一個新的階段，為氣動自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、模塊化提供了有效的技術(shù)手段。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)的硬件配置

本系統(tǒng)中選用的是西門子S7系列高性能PLC，CPU型號為CPU414－2DP。硬件設(shè)計時，考慮了多重因素：設(shè)備檢測執(zhí)行機構(gòu)多，各機構(gòu)的布局分散；設(shè)備與電控主體部分距離遠(yuǎn)；設(shè)備本身也有維護方便，易于升級的需求等；因此，本設(shè)備使用FESTO的閥島系統(tǒng)以簡化布線工作，在減小設(shè)備體積、簡化執(zhí)行機構(gòu)布局的同時，也建立了模塊化設(shè)備平臺，方便設(shè)備調(diào)試、升級。

當(dāng)設(shè)備運行時，主電機運行帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸的運動帶動設(shè)備主體圓盤的運動，圓形轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)過1個工位，角度編碼器旋轉(zhuǎn)360°。通過程序的設(shè)計邏輯，按預(yù)先設(shè)定的執(zhí)行機構(gòu)開啟關(guān)閉的角度值，驅(qū)動閥島上相應(yīng)氣缸的工作。硬件配置如圖1所示。

圖1 設(shè)備硬件配置圖

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.2.1 編碼器的譯碼方法

格雷碼只是一種數(shù)字排序，不是權(quán)重碼，每一位沒有確定的大小，不能直接比較大小和算術(shù)運算，也不能直接轉(zhuǎn)換成其他信號。要在程序中使用，需要先經(jīng)過一次碼變換，變成自然二進制碼，才能實現(xiàn)相應(yīng)的控制。

格雷碼轉(zhuǎn)換成二進制碼的方法如下：

二進制碼p[n∶0]；格雷碼c[n∶0]（n∈N）；

p[n]＝c[n]

p[i]＝c[i]XOR p[i＋1]（i∈N，n－1≥i≥0）即從左邊第2位起，將每位與左邊一位解碼后的值異或，作為該位解碼后的值（最左邊一位依然不變）。

圓盤旋轉(zhuǎn)的角度產(chǎn)生的數(shù)值是0～359°，如果采用十進制0～359對應(yīng)的格雷碼，當(dāng)編碼器由359轉(zhuǎn)到0時，對應(yīng)編碼已經(jīng)改變了5位（見表1）。如果采用十進制76～435對應(yīng)的格雷碼，當(dāng)編碼器由435轉(zhuǎn)到76時對應(yīng)編碼只是改變一位。為了保持格雷碼的優(yōu)點，即相鄰兩組數(shù)碼之間只有一位不同，本系統(tǒng)以76為底碼。

表1 十進制碼和格雷碼的轉(zhuǎn)換

2.2.2 編碼器的譯碼程序

在本系統(tǒng)中，將編碼器的格雷碼數(shù)值讀入PLC并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以數(shù)值76為底碼，完成位置檢測的功能，轉(zhuǎn)換程序簡要羅列如下：

2.2.3 電子凸輪器的構(gòu)建

通過譯碼程序把設(shè)備運行角度位置讀出后，存放于DB20.DBW100中，對應(yīng)于不同的產(chǎn)品，設(shè)定一個與該產(chǎn)品對應(yīng)的專用DB模塊。該DB塊就是該產(chǎn)品電子凸輪模塊。在每個模塊專用的模塊中留出100組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)分別對應(yīng)1個開啟值和關(guān)閉值。開啟值和關(guān)閉值的范圍就是執(zhí)行機構(gòu)工作的角度區(qū)間，只要把該執(zhí)行機構(gòu)的角度區(qū)間與DB20.DBW100編碼器讀數(shù)相比較，就能確定該執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)是工作還是停止。如某個執(zhí)行機構(gòu)需要在280°時開啟、330°時關(guān)閉，則當(dāng)280°≤當(dāng)前角度數(shù)≤330°時，PLC驅(qū)動該執(zhí)行機構(gòu)工作；當(dāng)前角度數(shù)＜280°或當(dāng)前角度數(shù)＞330°時，PLC關(guān)閉該執(zhí)行機構(gòu)。在實際使用中，通過人機界面選擇相應(yīng)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品對應(yīng)的工藝參數(shù)（相應(yīng)的DB凸輪模塊）即被調(diào)用，從而達到迅速調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)動作時序目的。執(zhí)行機構(gòu)的使用程序如下：

3 結(jié) 語

傳統(tǒng)的照明設(shè)備采用的運行方式是機械傳動，該方式的缺點是機械聯(lián)結(jié)的步驟多、復(fù)雜程度高、設(shè)備柔性差。而如果采用氣缸或氣缸驅(qū)動的機械裝置，又需要大量的檢測開關(guān)，在頻繁動作且動作周期短的情況下，軟件設(shè)計時序復(fù)雜，不利于工藝參數(shù)的調(diào)整，各位置控制精度不高，容易造成動作混亂。

本系統(tǒng)將PLC與角度編碼器有機結(jié)合構(gòu)建電子凸輪，利用現(xiàn)場總線技術(shù)將大量執(zhí)行機構(gòu)控制集成在閥島上，有效填補了傳統(tǒng)照明設(shè)備的缺陷。既構(gòu)建了模塊化設(shè)備平臺，有利于設(shè)備的升級和維護，又減少了大量的位置檢測開關(guān)，簡化了程序，提高了系統(tǒng)的同步性和可靠性。該設(shè)備在實際使用中，運行可靠，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

[1] 張鳳珊.電氣控制及可編程序控制器[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1999：76.

[2] 李道霖.電氣控制與PLC原理及運用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：16.

[3] 王 黎.信號與系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：61.

[4] 崔 堅，李 佳.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：36.

[5] 侯維巖，費敏銳.PROFIBUS協(xié)議分析和系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：28.