旋轉編碼開關在PLC 項目中的應用

田有益，沈勇

（云南民族大學電氣信息工程學院，云南 昆明 650504）

旋轉編碼開關在日常生活中隨處可見，比如在汽車的車機系統、DVD 播放器、鼠標、音響、家用電器等方面都有著實際的應用[1]。大多數旋轉編碼開關的應用都是基于嵌入式開發使用的，現將其應用在基于PLC 開發的控制系統中，傳統的PLC 項目中對參數值的調節大多使用普通電位器，使用普通電位器作為PLC 的輸入需要使用模擬量輸入接口，且調節范圍有限，這無疑增加了PLC 的硬件成本，特別是在需要多個調節旋鈕的系統中，而帶按鍵的旋轉編碼開關只需使用PLC 的3 個數字量輸入點，且按鍵的功能可靈活定義，調節范圍廣，在PLC 中有著廣泛的應用前景[2-5]。

1 帶按鍵旋轉編碼開關原理

旋轉編碼開關是通過旋轉過程中產生的觸點接通與斷開來實現信號的檢測，根據觸點接通與斷開的先后順序來檢測自身的旋轉方向。帶按鍵的旋轉編碼開關由按鍵和編碼開關兩部分組成，其外部有4個引腳，如圖1 所示，C 為公共端，根據需求接地或接電源正極，S 為按鍵的輸出端，A 和B 為編碼開關的輸出端。當按下按鍵時，C 與S 所在的回路接通，S 端根據接線方式輸出高電平或低電平[6-8]。當轉動旋鈕時，A、B 兩端口輸出兩組具有一定相位差的近似方波脈沖，當順時針轉動時，A、B 端口的輸出波形時序如圖2（a）所示；當逆時針轉動時，A、B 端的輸出波形時序如圖2（b）所示。

圖1 帶按鍵的旋轉編碼開關

圖2 A、B端口輸出波形

根據時序圖分析得出：在一個周期內，當順時針轉動旋鈕時，有4 組特征信號，分別為B 為低電平時A 的上 升沿、A 為高電平時B 的上升沿、B 為高 電平時A 的下降沿、A 為高電平時B 的下降沿；當逆時針旋轉時，一個周期內也有4 組特征信號，分別是A 為低電平時B 的上升沿、B 為高電平時A 的上升沿、A為高電平時B 的下降沿、B 為低電平時A 的下降沿。根據輸出特征信號可以判斷旋鈕的順時針或逆時針轉動，對應使用時的增或減，旋轉編碼開關每轉動一小格為一個周期，根據一個周期選取信號的個數可選用一倍頻、二倍頻、三倍頻和四倍頻[9-13]。對于旋轉編碼開關的使用，最重要的就是判斷旋轉方向以及在一個周期內提取的信號，而對于按鍵S，則可以根據需求靈活定義其功能。

2 實驗目的及方案

實驗的目的是將帶按鍵的旋轉編碼開關接入PLC 中，通過轉動旋鈕實現對PLC 中一個寄存器數值的加減操作，進而實現對參數的調節功能。將按鍵S 定義為切換倍率功能。對于倍率和數值限制都可進行靈活的定義，實驗時定義為以下情況：按鍵未按下時，倍率為1，順時針轉動一個刻度為加1、逆時針轉動一個刻度為減1；按下按鍵轉動時倍率為10，順時針轉動一個刻度為加10、逆時針轉動一個刻度為減10；將寄存器數值最大值限制為100、最小值限制為0，當寄存器數值等于0 時不再執行減操作，當數值等于100 時不再執行加操作。

該研究使用西門子S7-1200 系列PLC，CPU 型號為1214C DC/DC/DC，該PLC 的數字量輸入端口最低掃描頻率為20 kHz,完全能夠滿足對旋轉編碼開關的信號輸入；使用4 引腳帶按鍵旋轉編碼開關；使用明緯LSR-100-24 開關電源對PLC 及旋轉編碼開關供電；使用TIA Portal V15.1 對PLC 進行編程。硬件接線圖如圖3 所示。

圖3 硬件接線圖

將直流24V 電源正極接至PLC 的L+接線端，負極接至M及1M 接線端；旋轉編碼開關的公共端C 接至直流24V 正極；旋轉編碼開關的A、B 和S 分別接到PLC 數字量輸入，對應PLC 地址中的I0.0、I0.1、I0.2。

3 軟件設計

在TIA Portal V15.1 編程軟件中使用SCL 語言對PLC 進行編程，選用一倍頻對旋轉編碼開關進行信號提取，即順時針、逆時針轉動，每個周期各選取一組特征信號對寄存器數值進行加減，當B 為低電平時A 的上升沿判定為順時針轉動，執行加操作；當A為低電平時B 的上升沿判定為逆時針轉動，執行減操作[14-16]，加減判斷流程如圖4 所示。

圖4 加減操作判斷流程

按鍵S 作為加減倍率選擇，S=0 時，倍率為1；S=1時，倍率為10。將PLC 的輸入信號I 區映射到內部地址M 區時，其內部變量表如表1 所示。

表1 PLC內部變量表

由于實驗測試程序不復雜，所以直接在組織塊（OB）中采用線性編程進行測試。利用“R_TRIG”指令將A、B 信號的上升沿信號提取至M 區地址以供使用；使用IF 語句對輸入信號進行邏輯判斷；使用數學指令對寄存器的輸出結果進行賦值。部分實驗程序如下：

4 實驗過程及結果

將程序下載到PLC 中，通過在線監視功能監視寄存器數值，剛上電時寄存器數值“Result”=0（也可將Result 設置為掉電保持，上電時保持上次斷電前數據），當順時針轉動開關時，每轉動一個刻度寄存器數值加1，當數值等于100 時，順時針轉動寄存器數值不再變化；當逆時針轉動開關時，每轉動一個刻度寄存器數值減1，當數值等于0 時，逆時針轉動數值不再變化。按下按鍵轉動時，順時針旋轉數值加10，逆時針轉動數值減10。經反復測試，實驗結果滿足預期要求，Result 數值監視過程如圖5 所示。

圖5 Result數值監視過程

5 旋轉編碼開關在晶體生長爐中的應用

在一臺基于提拉法的晶體生長爐中，對籽晶桿提拉速度的調節尤為重要，在晶體生長的某個環節，需要操作人員觀察生長狀態對籽晶桿的提拉速度，并進行實時調節，要求速度既可以以0.1 的分度進行調節，又可以以1.0 的分度進行調節，且要滿足操作便捷、不影響操作人員觀察晶體生長狀態的要求。若使用普通的電位器作為調節輸入，由于調節行程的限制只能以一個固定的調節分度對速度進行0～100%的調節，還需進行模擬量與數字量的數值轉換，不能選擇粗調或者精調，需要占用PLC 的模擬量信號輸入端口，在PLC 模塊中，模擬量的輸入模塊成本比數字量輸入模塊高很多。顯然使用普通電位器進行調節不能滿足需求，還會增加硬件成本[17-18]。

將帶按鍵的旋轉編碼開關應用到該系統中，利用上述實驗中的方法對軟件進行編程，根據功能需求修改部分參數，籽晶桿提拉的速度范圍在0～600 mm/h，粗調分度為1.0 mm/h，細調分度為0.1 mm/h，粗調與細調利用開關按鍵S 是否按下作為區分，調節的數值經過轉換后直接給到對應的運動控制指令中，該系統中除了籽晶桿的提拉速度調節，還有籽晶旋轉速度調節、坩堝升降、坩堝旋轉速度調節、背景加熱調節、中頻感應加熱等參數的調節都使用了該方法，各調節參數在HMI 中進行顯示。根據用戶使用的反饋，該方法作為調節輸入能夠滿足使用需求，調節方法方便快捷，圖6 為控制系統操作箱上的旋轉編碼開關。

圖6 系統操作箱上的旋轉編碼開關

文中只介紹了旋轉編碼開關在PLC 中對某個量的增減調節作用，除此之外，還可以用于HMI 界面的菜單切換選擇，該用途類似于在車機系統中的應用。

6 結束語

該文對一種帶按鍵的旋轉編碼開關進行了介紹，給出了該開關在PLC 中的一種使用方法并進行了實驗，最后將該方法實際應用到一臺晶體生長爐的控制系統中，帶按鍵編碼開關的使用為PLC 系統的信號輸入提供了一種新的方法，該方法結構簡單、設計方便、使用靈活，減少了PLC 資源的占用。經實踐驗證，帶按鍵的編碼開關在設備中工作穩定可靠、操作便捷，完全滿足使用需求，在PLC 項目中有一定的推廣價值。