旋转编码开关在PLC 项目中的应用

田有益，沈勇

（云南民族大学电气信息工程学院，云南 昆明 650504）

旋转编码开关在日常生活中随处可见，比如在汽车的车机系统、DVD 播放器、鼠标、音响、家用电器等方面都有着实际的应用[1]。大多数旋转编码开关的应用都是基于嵌入式开发使用的，现将其应用在基于PLC 开发的控制系统中，传统的PLC 项目中对参数值的调节大多使用普通电位器，使用普通电位器作为PLC 的输入需要使用模拟量输入接口，且调节范围有限，这无疑增加了PLC 的硬件成本，特别是在需要多个调节旋钮的系统中，而带按键的旋转编码开关只需使用PLC 的3 个数字量输入点，且按键的功能可灵活定义，调节范围广，在PLC 中有着广泛的应用前景[2-5]。

1 带按键旋转编码开关原理

旋转编码开关是通过旋转过程中产生的触点接通与断开来实现信号的检测，根据触点接通与断开的先后顺序来检测自身的旋转方向。带按键的旋转编码开关由按键和编码开关两部分组成，其外部有4个引脚，如图1 所示，C 为公共端，根据需求接地或接电源正极，S 为按键的输出端，A 和B 为编码开关的输出端。当按下按键时，C 与S 所在的回路接通，S 端根据接线方式输出高电平或低电平[6-8]。当转动旋钮时，A、B 两端口输出两组具有一定相位差的近似方波脉冲，当顺时针转动时，A、B 端口的输出波形时序如图2（a）所示；当逆时针转动时，A、B 端的输出波形时序如图2（b）所示。

图1 带按键的旋转编码开关

图2 A、B端口输出波形

根据时序图分析得出：在一个周期内，当顺时针转动旋钮时，有4 组特征信号，分别为B 为低电平时A 的上 升沿、A 为高电平时B 的上升沿、B 为高 电平时A 的下降沿、A 为高电平时B 的下降沿；当逆时针旋转时，一个周期内也有4 组特征信号，分别是A 为低电平时B 的上升沿、B 为高电平时A 的上升沿、A为高电平时B 的下降沿、B 为低电平时A 的下降沿。根据输出特征信号可以判断旋钮的顺时针或逆时针转动，对应使用时的增或减，旋转编码开关每转动一小格为一个周期，根据一个周期选取信号的个数可选用一倍频、二倍频、三倍频和四倍频[9-13]。对于旋转编码开关的使用，最重要的就是判断旋转方向以及在一个周期内提取的信号，而对于按键S，则可以根据需求灵活定义其功能。

2 实验目的及方案

实验的目的是将带按键的旋转编码开关接入PLC 中，通过转动旋钮实现对PLC 中一个寄存器数值的加减操作，进而实现对参数的调节功能。将按键S 定义为切换倍率功能。对于倍率和数值限制都可进行灵活的定义，实验时定义为以下情况：按键未按下时，倍率为1，顺时针转动一个刻度为加1、逆时针转动一个刻度为减1；按下按键转动时倍率为10，顺时针转动一个刻度为加10、逆时针转动一个刻度为减10；将寄存器数值最大值限制为100、最小值限制为0，当寄存器数值等于0 时不再执行减操作，当数值等于100 时不再执行加操作。

该研究使用西门子S7-1200 系列PLC，CPU 型号为1214C DC/DC/DC，该PLC 的数字量输入端口最低扫描频率为20 kHz,完全能够满足对旋转编码开关的信号输入；使用4 引脚带按键旋转编码开关；使用明纬LSR-100-24 开关电源对PLC 及旋转编码开关供电；使用TIA Portal V15.1 对PLC 进行编程。硬件接线图如图3 所示。

图3 硬件接线图

将直流24V 电源正极接至PLC 的L+接线端，负极接至M及1M 接线端；旋转编码开关的公共端C 接至直流24V 正极；旋转编码开关的A、B 和S 分别接到PLC 数字量输入，对应PLC 地址中的I0.0、I0.1、I0.2。

3 软件设计

在TIA Portal V15.1 编程软件中使用SCL 语言对PLC 进行编程，选用一倍频对旋转编码开关进行信号提取，即顺时针、逆时针转动，每个周期各选取一组特征信号对寄存器数值进行加减，当B 为低电平时A 的上升沿判定为顺时针转动，执行加操作；当A为低电平时B 的上升沿判定为逆时针转动，执行减操作[14-16]，加减判断流程如图4 所示。

图4 加减操作判断流程

按键S 作为加减倍率选择，S=0 时，倍率为1；S=1时，倍率为10。将PLC 的输入信号I 区映射到内部地址M 区时，其内部变量表如表1 所示。

表1 PLC内部变量表

由于实验测试程序不复杂，所以直接在组织块（OB）中采用线性编程进行测试。利用“R_TRIG”指令将A、B 信号的上升沿信号提取至M 区地址以供使用；使用IF 语句对输入信号进行逻辑判断；使用数学指令对寄存器的输出结果进行赋值。部分实验程序如下：

4 实验过程及结果

将程序下载到PLC 中，通过在线监视功能监视寄存器数值，刚上电时寄存器数值“Result”=0（也可将Result 设置为掉电保持，上电时保持上次断电前数据），当顺时针转动开关时，每转动一个刻度寄存器数值加1，当数值等于100 时，顺时针转动寄存器数值不再变化；当逆时针转动开关时，每转动一个刻度寄存器数值减1，当数值等于0 时，逆时针转动数值不再变化。按下按键转动时，顺时针旋转数值加10，逆时针转动数值减10。经反复测试，实验结果满足预期要求，Result 数值监视过程如图5 所示。

图5 Result数值监视过程

5 旋转编码开关在晶体生长炉中的应用

在一台基于提拉法的晶体生长炉中，对籽晶杆提拉速度的调节尤为重要，在晶体生长的某个环节，需要操作人员观察生长状态对籽晶杆的提拉速度，并进行实时调节，要求速度既可以以0.1 的分度进行调节，又可以以1.0 的分度进行调节，且要满足操作便捷、不影响操作人员观察晶体生长状态的要求。若使用普通的电位器作为调节输入，由于调节行程的限制只能以一个固定的调节分度对速度进行0～100%的调节，还需进行模拟量与数字量的数值转换，不能选择粗调或者精调，需要占用PLC 的模拟量信号输入端口，在PLC 模块中，模拟量的输入模块成本比数字量输入模块高很多。显然使用普通电位器进行调节不能满足需求，还会增加硬件成本[17-18]。

将带按键的旋转编码开关应用到该系统中，利用上述实验中的方法对软件进行编程，根据功能需求修改部分参数，籽晶杆提拉的速度范围在0～600 mm/h，粗调分度为1.0 mm/h，细调分度为0.1 mm/h，粗调与细调利用开关按键S 是否按下作为区分，调节的数值经过转换后直接给到对应的运动控制指令中，该系统中除了籽晶杆的提拉速度调节，还有籽晶旋转速度调节、坩埚升降、坩埚旋转速度调节、背景加热调节、中频感应加热等参数的调节都使用了该方法，各调节参数在HMI 中进行显示。根据用户使用的反馈，该方法作为调节输入能够满足使用需求，调节方法方便快捷，图6 为控制系统操作箱上的旋转编码开关。

图6 系统操作箱上的旋转编码开关

文中只介绍了旋转编码开关在PLC 中对某个量的增减调节作用，除此之外，还可以用于HMI 界面的菜单切换选择，该用途类似于在车机系统中的应用。

6 结束语

该文对一种带按键的旋转编码开关进行了介绍，给出了该开关在PLC 中的一种使用方法并进行了实验，最后将该方法实际应用到一台晶体生长炉的控制系统中，带按键编码开关的使用为PLC 系统的信号输入提供了一种新的方法，该方法结构简单、设计方便、使用灵活，减少了PLC 资源的占用。经实践验证，带按键的编码开关在设备中工作稳定可靠、操作便捷，完全满足使用需求，在PLC 项目中有一定的推广价值。