4.4.3 自动分拣装置精确定位的编程及调试
1.任务引入
本任务完成编码器的电气接线和PLC程序的编写与调试。
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解编码的原理和分类。
（2）学会高速计数器的使用方法。
2）技能目标
（1）能够根据图纸进行编码器的电气接线。
（2）能够对自动分拣装置进行编程和调试。
3）素养目标
3.任务分析
自动分拣装置能够实现以下功能。
（1）自动分拣装置的工作目标是完成对白色芯金属或塑料工件和黑色芯金属或塑料工件的分拣工作。为了在分拣时准确地推出工件，要求使用旋转编码器进行定位检测，并且工件材料和内芯颜色属性应在推料气缸前的适当位置被检测出来。
（2）设备上电和接通气源后，若分拣单元的3个推料气缸均处于缩回位置，则“正常工作”指示灯HL 1常亮，表示设备准备好。否则，该指示灯以1 Hz的频率闪烁。
（3）设备准备好后，按下启动按钮，系统启动，“设备运行”指示灯HL 2常亮。当传送带入料口人工放下已装配的工件时，变频器即启动，驱动传动电动机以固定频率30 Hz把工件带往分拣区域。
如果工件为白色芯金属件，则该工件到达1号出料滑槽中间，传送带停止，工件被推到1号出料滑槽中；如果工件为白色芯黑色件，则该工件到达2号出料滑槽中间，传送带停止，工件被推到2号出料滑槽中；如果工件为黑色芯白色件，则该工件到达3号出料滑槽中间，传送带停止，工件被推到3号出料滑槽中。工件被推入出料滑槽后，一个工作周期结束。仅当工件被推入出料滑槽后，才能再次向传送带下料。
（4）如果在运行期间按下停止按钮，分拣单元在本工作周期结束后停止运行。
4.相关知识
1）旋转编码器
旋转编码器是通过光电转换，将输出至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的旋转编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的。光栅盘是一定直径的圆板，在其上等分地开通若干个长方形狭缝。光栅盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意如图4-36所示。通过计算每秒旋转编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
图4-36 旋转编码器原理示意
一般来说，根据旋转编码器产生脉冲方式的不同，可以将其分为绝对式、增量式以及复合式三大类。智能生产线上常采用增量式旋转编码器。
（1）绝对式旋转编码器。
绝对式旋转编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形光栅盘上沿径向有若干同心码道，每条码道由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，光栅盘上的码道数就是它的二进制数码的位数。在光栅盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件。当光栅盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。绝对式旋转编码器的特点是不需要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高。对于一个具有N位二进制分辨率的绝对式旋转编码器，其光栅盘必须有N条码道。
图4-37所示为二进制的绝对式旋转编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示；涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最内侧的是最高位。如果光栅盘有4个码道，则由内向外的码道分别表示为二进制的23，22，21和20；4位二进制数共有16个可能取值，因此，就将圆盘划分16个扇形区，每个扇形区对应一个4位二进制数，如0000，0001，…，1111。
图4-37 二进制的绝对式旋转编码盘
按照光栅盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、光栅盘、光敏二极管和驱动电路。当光栅盘转到一定的角度时，扇形区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高低电平输出，从而获得扇形区的位置。
绝对式旋转编码器的特点如下。
①可以直接读出角度坐标的绝对值。
②没有累积误差。
③电源切断后位置信息不会丢失。分辨率是由二进制的位数决定的，也就是说其精度取决于二进制的位数。
（2）增量式旋转编码器。
增量式旋转编码器是直接利用光电转换原理输出3组方波脉冲A、B和Z相；A、B两相脉冲的相位差为90°，用于辨向。当A相脉冲超前B相脉冲时为正转方向，而当B相脉冲超前A相脉冲时则为反转方向；Z相脉冲用于基准点定位，如图4-38所示。它的优点是构造简单、机械平均寿命长（可在几万小时以上）、抗干扰能力强、可靠性高、适合长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
图4-38 增量式旋转编码器输出的3组方波脉冲
分拣单元使用了这种具有A、B两相具有90°相位差的增量式旋转编码器，其实物和内部结构如图4-39所示。它用于计算工件在传送带上的位置。增量式旋转编码器直接连接到传送带主动轴上。增量式旋转编码器的三相脉冲采用NPN型集电极开路输出。分拣单元没有使用Z相脉冲；A、B两相输出端直接连接到PLC（FX3 U-32MR）的高速计数器输入端，如图4-40所示。
图4-39 增量式旋转编码器实物和内部结构
（a）实物；（b）内部结构
图4-40 增量式旋转编码器与PLC的接线
应该指出的是，上述脉冲当量的计算只是理论上的。实际上各种误差因素不可避免，例如传送带主动轴直径（包括传送带厚度）的测量误差，传送带的安装偏差、张紧度，分拣单元整体在工作台面上的定位偏差等，都将影响理论计算值。因此，理论计算值只能作为估算值。脉冲当量的误差所引起的累积误差会随着工件在传送带上运动距离的增大而迅速增加，甚至达到不可容忍的地步。在安装和调试分拣单元时，除了要仔细调整，以尽量减小安装偏差外，还需要现场测量脉冲当量值。
现场测量脉冲当量的方法，是对输入PLC的脉冲进行高速计数，以计算工件在传送带上的位置。
2）FX3 U型高速计数器
高速计数器是PLC的编程软元件，相对于普通计数器，高速计数器用于频率高于机内扫描频率的机外脉冲计数。由于计数信号频率高，所以计数以中断方式进行，当计数器的当前值等于设定值时，计数器的输出点立即工作。
FX3 U型PLC内置21点高速计数器C235～C255，每一个高速计数器都规定了其功能和占用的输入点。
（1）高速计数器的功能分配。C235～C245共11个高速计数器，用作一相一计数输入的高速计数，即每一计数器占用一个高速计数输入点，计数方向可以是增序或者减序，取决于对应的特殊辅助继电器M8□□□的状态。例如，C245占用X002作为高速计数输入点，当对应的特殊辅助继电器M8245被置位时，作增序计数；C245还占用X003和X007分别作为该高速计数器的外部复位和置位输入端。
C246～C250共5个高速计数器，用作一相二计数输入的高速计数，即每一计数器占用2个高速计数输入点，其中一点为增序计数输入，另一点为减序计数输入。例如C250占用X003作为增序计数输入点，占用X004作为减序计数输入点，另外占用X005作为外部复位输入端，占用X007作为外部置位输入端。同样，高速计数器的计数方向也可以通过编程对应的特殊辅助继电器M8□□□状态指定。
C251～C255共5个高速计数器，用作二相二计数输入的高速计数，即每一计数器占用2个高速计数输入点，其中一点为A相计数输入，另一点为与A相相位相差90°的B相计数输入。高速计数器C251～C255的功能和占用的输入点见表4-29。(https://www.daowen.com)
表4-29 高速计数器C251～C255的功能和占用的输入点
如前所述，分拣单元所使用的是具有A、B两相具有90°相位差的增量式旋转编码器，且Z相脉冲信号没有使用。由表4-27可知，当使用高速计数器C251进行脉冲计数时，旋转编码器的A、B两相脉冲输出应连接到X000和X001。
（2）每一个高速计数器都规定了不同的输入点，但所有的高速计数器的输入点都在X000～X007范围内，并且这些输入点不能重复使用。例如，使用了C251，则X000、X001被占用，在其他地方则不可以再次使用，以及占用这两个点的其他高速计数器也不可以使用，例如，C252、C254等都不能使用。
3）高速计数器的编程
如果外部高速计数源（旋转编码器输出）已经连接到PLC的输入端，那么在程序中就可直接使用相对应的高速计数器进行计数。
在当前值等于预置值时，高速计数器会及时动作，但实际输出信号却依赖于扫描周期。
如果希望高速计数器动作时就立即输出信号，就要采用中断工作方式，使用高速计数器的专用指令，FX3 U型PLC高速处理指令中有3条是关于高速计数器的，都是32位指令。它们的具体的使用方法请参考FX3 U型PLC编程手册。
5.任务实施
1）电气线路连接
在本任务中，高速计数器用C251对旋转编码器产生的脉冲进行计数，根据C251的当前值确定工件位置。PLC的I/O地址分配表见表4-30，根据表4-30进行电气线路连接。
表4-30 I/O地址分配表
2）现场测量旋转编码器的脉冲当量
根据传送带主动轴直径计算旋转编码器的脉冲当量，其结果只是一个估算值。在安装和调试分拣单元时，除了要仔细调整，以尽量减小安装偏差外，还需要现场测试脉冲当量值。
（1）变频器参数设置。
Pr.79=2 Hz（固定的外部运行模式）；
Pr.4=25 Hz（频率设定值）。
（2）脉冲当量测量。
运行PLC程序，并置于监控方式。在传送带进料口中心处放下工件后，按下启动按钮启动运行。工件被传送一段较长的距离后，按下停止按钮停止运行。观察监控界面上C251的读数，将此值填入表4-29“高速计数脉冲数（测量值）”一栏；然后在传送带上测量工件移动的距离，把测量值填入表4-31“工件移动距离（测量值）”一栏，则脉冲当量μ（计算值）=工件移动距离（测量值）/高速计数脉冲数（测量值）。
表4-31 脉冲当量现场测量数据
重新把工件放到进料口中心处，按下启动按钮进行第二次测量。进行3次测量后，求出脉冲当量μ的平均值为
μ=(μ1+μ2+μ3)/3=0.2576(mm)
根据安装尺寸重新计算旋转编码器到各位置应发出的脉冲数：当工件从出料口中心移至传感器中心时，旋转编码器发出456个脉冲；移至第一个推杆中心时，发出650个脉冲；移至第二个推杆中心时，约发出1 021个脉冲；移至第三个推杆中心时，约发出1 361个脉冲。
3）程序编制
（1）将几个特定位置的C251计数值存储到指定的变量存储器，在后续编程中用以确定程序的流向。特定位置考虑如下。
①工件属性判别位置应稍后于进料口到传感器中心位置，故取脉冲数为470，存储在D110单元中（双整数）。
②从1号出料滑槽推出的工件，停车位置应稍前于进料口到推杆1的位置，取脉冲数为600，存储在D114单元中。
③从2号出料滑槽推出的工件，停车位置应稍前于进料口到推杆2的位置，取脉冲数为970，存储在D118单元中。
④从3号出料滑槽推出的工件，停车位置应稍前于进料口到推杆3的位置，取脉冲数为1 325，存储在D122单元中。
注意：特定位置数据均从进料口开始计算，因此，每当待分拣工件到达进料口，电动机开始启动时，必须对C251的当前值进行一次复位（清零）操作。这几个特定位置数据必须在上电第1个扫描周期写到相应的数据存储器中，以保障后面属性判别和程序分流的准确性。
（2）系统进入运行状态后，应随工作周期回到初始步，复位时检查是否有停止按钮被按下。若停止指令已经发出，则系统完成一个运行状态和初始步后停止。
这一部分程序的编制请自行完成。
（3）分拣过程是一个步进顺序控制程序，编程思路如下。
①当检测到待分拣工件到达进料口后，复位高速计数器C251，并以固定频率启动变频器驱动电动机运转。
②当工件经过光纤传感器的光纤探头和电感式传感器时，根据2个传感器动作与否，判别工件的属性，决定程序的流向。
③工件黑、白外壳在进料口判别，在步进程序外记录判别属性状态。
④根据工件属性和分拣任务要求，在相应的推料气缸位置把工件推出。推料气缸返回后，步进顺序控制子程序返回初始步。这部分程序的编制也请自行完成。
4）程序调试
（1）程序编好后，进行变换，如果变换无误，下载到PLC进行调试。
（2）将PLC的RUN/STOP开关置于“STOP”位置，运行程序，按照控制要求进行操作，记录调试过程中的问题。
5）常见故障
使用旋转编码器进行定位，当高速计数器C251不计数时，可能的原因有程序错误、旋转编码器与PLC的接线不正确。
排除步骤如下。首先用软件监控程序的运行情况，确定程序没有问题后，查看电气接线。旋转编码器共有5根引出线，DC电源线和B、A、Z 3根相线，当使用高速计数器C251时，B、A相线应分别连接到X0和X1端子，检查无误后重新运行程序。
排除设备故障，并填写排除故障过程。
程序调试无误后，将程序保存，以备使用。整理和绑扎线管，盖上线槽，在接线端子处标上编号。
6.任务评价
任务评价见表4-32。
表4-32 任务评价
