基于二进制编码的新型定位系统的设计与研究

张 强，王福明，郭彦青

（中北大学 机械与动力工程学院，太原 030051）

0 引言

在工业生产中，实时、准确地获得生产设备的位置信息是车间安全、有效运行的保障。以行车为例，行车定位的基本功能是在任何时刻、任何地方都能精确确定行车的具体位置，如何精确地检测行车的位置以对行车进行控制是企业生产系统的核心。在现阶段的工业生产中大多采用增量式编码进行定位，这种定位方式一旦传感器信号线虚接，将使槽号混乱，导致产品废品率增加，安全性与可靠性大大降低。本文介绍一种新型编码方式进行位置定位，可对行车位置进行准确定位以满足智能化、一体化的行车控制和调度指挥，这种新型编码方式采用纯二进制绝对编码方式，结构简单，控制方便，准确度高，从而更加有效地提高行车效率和安全性。

1 系统的工作原理

1.1 设计思路

目前的车间行车系统在运行时，行车对所有位置的识别只有一个接近传感器。每一次运行时，必须将行车移动到起始端，通过计数方式来识别当前位置，当遇到突然断电或者中途切断电源，那么下一次开启时必须从初始位置开始，非常不便，且故障率极高，其定位也不准确，给企业生产制造带来极大的影响，为保证工艺执行的可靠，于是有了位置识别采用绝对定位方式构思。

1.2 基本原理

这种方法的基本原理是将二进制的8421码作为行车在每个位置的号，不同的位置对应着唯一的一组二进制编码数字，如表1所示。这样，在数字为1的位置放置一铁片，数字为0的位置不放铁片，当行车经过或停在某一位置时，对应的一组数字就会被检测装置读取，经过控制电路绝定行车的下一个动作。这就解决了增量式编码方式每次运行需退至初始位置的麻烦。基本定位方案如图1槽号的准确定位对工艺的顺利开展至关重要，为确保定位的准确，每次运行前，均进行定位传感器的故障诊断操作，确保当前操作时定位传感器能正常工作。

表1 行车位置编号对应的编码数字

图1 槽号绝对定位方案

1.3 检测装置结构设计

检测装置采用n个光电传感器并排放置，为防止信号干扰，两两之间距离不小于100mm，三个传感器可以检测8个位置，四个传感器可以检测16个位置，以此类推，n个传感器可以检测2n个位置，如图2所示，表示检测到二进制编码“11111”代表数字“31”，即32号位置，此图列举了5个传感器（下文同）定位32个位置的结构设计图，在行车对应的各个位置都安装此装置，根据位置号数的不同增减铁片的个数，也可根据需求增加传感器个数来增加所需定位位置个数。

图2 检测装置结构设计图

2 系统的控制电路设计

2.1 定位系统控制方案

为实现行车定位的自动化控制，此编码定位装置采用继电器与PLC并行控制系统，本例采用S7-200PLC控制电路，通过PLC接收上位机指令后，经输入端把指令下达给行车，利用接近开关控制行车的升降启停，实现了系统手自双控的效果，使产品可以不间断的生产，提高了企业的生产效率。

2.2 定位系统检测反馈电路

当行车运行过程中，传感器感应铁片获取检测信号，此信号为一组二进制编码经过PLC译码成为真实的位置编号。再直接传递给上位机进行判定。在PLC存储中，一个字有2个字节，一个字节有8位，用一个字节即可存储28个位置编号，所以选取PLC输入端的一个字节连接五个传感器。电器原理图如图3、图4所示。

图3 传感器接线原理图

图4 PLC接收信号原理图

3 故障分析与修正

3.1 系统使用前的故障检测

在行车上固定5个接近开关，接近开关随着行车一起运动，行车工作时，绝对定位接近开关首先经过“传感器故障检测”响应块，如果接近开关信号有交替变化现象，则认为该传感器工作正常，如果有接近开关响应无变化，则可认为该传感器工作不正常，从而给出传感器故障提示信息，并提示维护人员进行维修。当接近开关工作正常时，通过绝对编码响应块的解析，即可确定行车的位置。

3.2 信号保持问题

在行车运行过程中，需要时刻在上位机中监视到行车所在的位置编号，这就要求绝对编码装置所检测到的信号一直保留，知道下一组信号被检测到才会更新，而上述设计的绝对编码系统只能在当前位置时才会显示对应位置编号，当行车离开被检测装置时，由于信号未被检测到而导致信号中断，在上位机显示的位置编号也变为0。如图5所示。针对这一问题，在PLC读取信号端添加上升沿符号，使得位置编号可以保留到下一个信号触发。

图5 信号中断图

3.3 硬件故障问题

在进行绝对定位过程中，可能会由于运行时间过长，设备更新较晚，导致传感器出现故障，这就会导致在定位过程中直接获取了错误的位置编号，造成行车运行紊乱，影响了企业的生产效益。为了解决这一问题，此系统结合了增量式编码方式简单不易损坏的优点对二进制绝对编码进行实时修正，一旦检测到编码传感器故障信号自动切换到增量编码方式计数方式，这样，保证了产品可以继续生产，产品合格率也不会由于传感器故障而降低。增量式编码方式与绝对编码方式相结合的编码方法是本次设计的一大突破，使得定位系统的稳定性大大提高。

3.4 防抖动问题

定位系统的防抖动问题是本次设计的关键，一个系统的稳定关键在于其受到外界干扰时能否保持一个良好的状态，读取准确的数据，在本次设计中经过无数次的试验得出定位系统的抖动问题大致可以分为两类：一类为行车停止时的抖动问题；第二类是行车行走过程中的抖动问题。

第一类抖动问题发生在行车定位停止时，由于惯性原因导致行车停车不稳定而产生轻微的车身抖动，从而引起定位装置的抖动，造成信号采集短暂性混乱，如图6所示，行车在4号位置停止，信号发生抖动，待行车停稳后信号又会恢复正常。信号暂时的紊乱影响上位机的监控，上位机接收新的位置编号数据会继续发出新的命令造成行车启动。严重影响操作者的安全和系统的稳定。针对这一问题采取了通电延时计时法，即当行车停止运行时，信号不会马上采集当前位置信号，而是在停止后计时3秒，此时行车已经停稳再读取位置信息，此时上位机得到的位置编号方可保证是正确的信息。

图6 信号抖动图

第二类抖动问题发生在行车运行过程中由于周围环境的影响使得行车发生轻微抖动，在大多数情况下这种情况是可以忽略的，但是当遇到大的振动影响行车的信号采集还是会受到一定的影响。如行车在五号位置行车发生抖动，信号采集到的数据可能会是8，行车继续往前走，到6号位置时行车又恢复到正常情况，如图7所示。这种状态下虽然不影响行车的运行，但是上位机监控会出现混乱，造成监控者的判断失误。而当行车的目标位置就在受影响的位置时更会对行车停止位置做出错误的判断，造成行车定位不准，影响产品的生产。针对这一问题，在此系统中添加判断，当采集到的数据出现突然跳变，而不是一一递增，则判定编码器故障，此时据对编码需要用增量式编码方式进行修正。这样就确保了行车的稳定运行。修正后平稳准确的信号，如图8所示。

图7 信号跳变图

图8 信号稳定图

4 软件设计

在进行定位系统的软件设计时，首先，在保证行车可以精确定位的前提下，还必须考虑到环境对系统的影响；其次，系统应做好足够的安全防护措施，保证发生突发情况时操作者的人身安全，对各种可能发生的故障应添加报警信号功能；最后，定位系统应做到持久耐用，稳定可靠。基于以上情况的考虑，本设计从以下几个方面进行软件设计。为方便行车的控制，将行车系统设计为现场执行系统，完全受主控系统控制。每个行车系统通过接受主控系统的指令实现产品的传递和位置定位。整个行车系统包括：主调度模块、手动控制模块、停车控制模块、运行保护模块、槽号定位模块、时间计算模块等，各模块的关系如图9所示。

图9 行车控制模块结构图

图9中，主调度模块接受来自操作箱及主控制柜的信号指令；自动操作模块主要将行车移动到指定槽号位置；停止控制模块实现行车的精确停车；运行保护模块主要通过限位开关等方式对行车的运行过程提供保护，防止行车出现撞车事故；槽号定位模块通过绝对定位传感器实现行车的位置定位，为确保定位准确，可采用相对定位与绝对定位互相校验的方式进行，绝对定位装置实时对定位信息进行修正，确保了系统运行的健壮性；时间计算模块则依据行车的运行速度，实时计算运行到指定位置编号所需要的时间，并反馈给操作人员，为实际操作提供决策依据。采用S7-200编写部分程序中的槽号定位模块如下：

：

：

//信号接收

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

//信号获取

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

：

：

//故障防护

LDB= MB3，MB5

LD I1.1

O I1.2

ALD

A I0.7

TON T45，30

：

：

5 结束语

采用二进制绝对编码方式进行编码有效的解决了增量编码方式所存在的故障率高、定位不准、操作不便的缺陷，并且该系统结构简单，大大降低了企业的投资成本。该定位系统操作简便、定位位置准确。加之与增量编码方式相结合，经过长久的试验与应用证明：该系统运行稳定、安全可靠。该系统主要应用于工厂车间的行车定位，在自动化生产中应用广泛。

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