6ES7212-1AB23-0XB8库存优势

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2飞剪动作过程
飞剪是在钢坯行进中剪切，所以飞剪的剪切速度必须与轧件同步，否则会造成堆钢，由于轧件的自身有厚度，飞剪在剪入时有一剪入角，这样飞剪在水平方向的速度分量应该与钢坯的行进速度一样(在实际应用中切头时剪刃速度略**前轧制速度)。
要做到对飞剪进行控制，了解飞剪的运动轨迹和在轨迹中各点的速度是必要的。飞剪**个机架的轧制速度与轧件的速度成正比，飞剪控制系统根据上位机提供的**轧机的速度得到轧件的速度，同时根据操作台设定的剪切长度以及光电管发出的信号综合判断后启动飞剪，飞剪启动（启动位置 70度角）与飞剪加速结束之间飞剪速度是匀加速运动，在飞剪加速结束时剪刃剪切到轧件，此时剪刃速度正好达到轧件速度，飞剪加速结束与剪刃重合之间飞剪速度是恒定的，等于飞剪加速结束时的设定速度，剪刃重合与飞剪离开轧件之间飞剪速度是恒定的，等于剪刃重合时的飞剪实际速度，飞剪离开轧件与飞剪制动结束转入位置控制之间飞剪是一个制动过程，飞剪从制动位置（50度角）开始制动，当剪刃到达（290度角）时制动完毕，随后飞剪以30%的额定速度返回到起动位置（70度角）。为下次剪切作好准备，飞剪剪切一次的时间必须小于1秒钟。设计上需要飞剪能以较短的时间回到等待启始位置，程序中设置的是一个匀减速运动。
飞剪的加速、制动、定位控制由全数字传动装置与PLC系统配合完成。飞剪的控制采用三环系统（位置、速度、电流），由全数字传动装置完成飞剪的（速度、电流）环控制，位置环由PLC系统完成，在PLC系统中配置一块脉冲计数模板和一块模拟量输出模板。脉冲计数模板具有二个计数器，每个计数器具有二个I/O输入点和二个I/O输出点。用计数器1计算线材通过热金属检测器（或活套扫描器）的长度，采用热金属检测器（或活套扫描器）检测到线材头/尾信号的I/O信号直接启动计数器CH1。当CH1计数器值达到设定值时通过I/O输出点启动飞剪。用计数器2计算飞剪剪刃位置，通过检测脉冲发生器的脉冲启动CH2计数器，当CH2计数器值达到制动位置时通过I/O输出点停止飞剪，通过位置环使飞剪定位到零位。飞剪剪刃上的脉冲发生器在安装时使脉冲发生器的脉冲定位在160度角位置。

2.3 分段剪切控制
轧制中的棒材分段剪切过程，是通过分段剪前的一系列检测元件（光电管）检测到信号后，触发程序内部的棒材轧制速度计算、棒材分离判断棒材长度积分器等功能。控制系统以末架机架的速度设定值为速度基准是进行棒材长度积分，当积分长度等于倍尺长度设定值LSETP时,发送信号至START-H1启动倍尺剪,进行分段剪切；同时剪切信号启动积分元素的START2,进行下一段的长度积分，剪切过程循环置棒材轧制结束。

2.3.1 棒材轧制速度计算
BZ检测到运行中的帮材头部信号后启动修正长度积分器，积分器以末架轧机的设定速度Vsp进行长度积分；当BC检测到棒材头部时读取积分器内的长度值Line1。Line1和BZ与BC之间的实际距离Lset1进行比较得出速度系数K1，并对K1进行高/低限比较（0.9—1.1），如果K1**出这个范围，系统产生速度偏差报警。在连续轧制过程中对K1进行十次加权求平均值运算来确定轧制过程中的实际速度偏差系数Ksp。用于倍尺长度计算的速度值为：
Lsp=Vsp*Ksp

2.3.2 倍尺长度设定
在倍尺分段剪切控制中需提前对倍尺进行长度设定Lsetp，倍尺长度设定考虑以下参数：成品材定尺长度L0、定尺分段数N、棒材热涨冷缩系数Kt和剪切校正长度Offset。L0、N、Kt可由操作员在操作站设定。剪切校正长度Offset是在S2动作过程中棒材的移动量，与棒材的直径有关，OFFSET可根据不同规格的棒材直径计算得出，计算原理如图3所示：

图3 Offset 计算原理图

图3中：R为曲柄旋转半径、Vp剪子线速度、Vm钢坯速度、α为剪切偏移角、DIM棒材直径
α=arccos(1- MDIM /2*r)
OFFSET=r*sinα
由以上得出：正常倍尺长度Lsetp＝（L0＊N＋OFFSET+）＊Kt。

2.3.3剪切过程
在轧制过程中OPT检测到棒材头部信号后启动一个长度积分器，积分速度为末架轧机速度；当棒材头部轧制到BX后，读取积分器内的长度值Lopt。Lopt是棒材在OPT与BX之间的轧制总长度，参与棒材尾部的剪切优化。
BX检测信号用于棒材头部判断。在连续轧制过程中上一根棒材尾部经过BX时，BX信号的下降沿启动物料跟踪；当下一根棒材头部到达BX时，BX信号的上升沿读取跟踪值Lt。Lt如果大于Lset1，则认为是一根新的棒材准备剪切；如果小于Lset将按上一根棒材的分段进行剪，切并产生头和尾报警。
经BX判断帮材头部后，控制系统通过BC头部检测信号启动棒材**段倍尺的长度积分，当积分长度等于倍尺长度设定值LSETP时，发出剪切信号，同时启动下一段的长度积分。由于BC位于S2的后面，当BC检测到棒材头部信号时，棒材头部已经运动到距剪子Ls2tobc距离。因此在**段倍尺的长度积分器中必须预置长度Ls2tobc。
当**段倍尺积分长度等于长度设定值LSETP时,发送信号至START-H1启动倍尺剪,进行分段剪切；同时剪切信号启动积分元素的START2进行下一段的倍尺长度积分。
当轧制棒材的尾部经过OPT时，读取倍尺长度积分值L，启动尾部剪切优化程序。优化总长度为：
Ls2opt＝BXTOC＋L＋Lopt
BXTOS——BX与剪子之间的距离，L—— OPT尾部信号来时倍尺长度积分器内的值， Lopt——为OPT头部信号检测到BX检测到头部时积分器内的值。
从OPT检测到尾部信号开始需要进行倍尺分段的个数N＝（Ls20pt／Lsetp）－1
尾部剩余长度Lr ＝（S2OPT／Lsetp）取余。
理论上允许上加在最后一段的较大长度Lrm =Lmax（冷床较大允许长度）—Lsetp
如果Lr小于Lrm，则Lr可以附加在末段上冷床，优化过程结束。如果大于Lrm，则继续分段。

引言
     无线传感器网络作为一种新兴技术，已经成为国内外研究的热点，其在军事、环境、健康、家庭、商业、空间探索和救灾等领域展现出广阔的应用前景[1]。国内外很多单位都开展了相关领域的研究，但大部分工作仍处在无线网络协议性能和硬件节点小规模实验设计阶段。无线传感器网络并不需要较高的传输带宽，但却要求较低的功率消耗，以使无线传感器网络中的设备可工作更长的时间，同时也是无线传感器普及应用的一大要求。ZigBee/IEEE 802.15.4标准把低功耗、作为主要目标，为无线传感器网络提供了互连互通的平台，目前基于该技术的无线传感器网络的研究和开发得到越来越多的关注。本文就是基于ZigBee技术，设计了通用无线传感器网络硬件平台，以期待能够产业化，为我国的无线传感器事业做出更大的贡献。

基于ZigBee的无线传感网络的主要优势 
     ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳Z字形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通，人们借此称呼一种专注于低功耗、、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。ZigBee技术并不是完全*有、全新的标准。它的物理层、层和链路层采用了IEEE 802.15.4标准，但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范由ZigBee联盟进行了制定。ZigBee的特点**，尤其在低功耗、上，主要有以下几个方面[2]。
① 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的**优势。相比较，蓝牙只能工作数周、WiFi只可工作数小时。
② 。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32 KB代码，子功能节点少至4 KB代码，而且ZigBee免协议**费。
③ 低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
④ 近距离。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
⑤ 短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。
⑥ 高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，较多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理，较多可组成65 000个节点的大网。
⑦ 协议简单、安全性高。ZigBee协议栈长度平均只有蓝牙的1/4，这种简化对、可交互性和可维护性非常重要。ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，提供了三级安全模式，可灵活确定其安全属性，网络安**够得到有效的**。
⑧ 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段—2.4 GHz(**)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
由上述ZigBee的主要技术特点，可以看出：基于IEEE802.15.4标准，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信。另外，采用接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，可使得通信效率非常高。与现有的各种无线通信技术相比，ZigBee技术的低功耗、低速率较适合应用于无线传感器网络。

 无线传感器网络硬件设计
     在无线传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内。节点以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节点，较终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。图1给出了一般形式的无线传感器网络体系结构[3]。

       针对环境及结构状态监测，我们设计了一种通用无线传感器网络硬件平台，该硬件平台由若干传感器节点、具有无线接收功能的Sink节点及一台计算机构成。无线传感器节点分布于需要监测的区域内，执行数据采集、处理和无线通信等工作，Sink节点接收各传感器的数据并以有线的方式将数据传送给计算机，如图2所示。

无线传感器节点的硬件设计
     无线传感器节点一般由传感器模块、数据处理模块、模块和电源管理模块四部分组成。其中，传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换，的信息可以包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等;数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等;模块负责与其他节点或Sink节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;电源管理模块选通所用到的传感器，节点电源采用微型纽扣电池，以减小节点的体积。
     我们设计的节点实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将到的信息数据以无线方式发送出去。该节点包含ZigBee无线传输模块、微控制器模块、传感器模块及接口电路、直流电源模块以及外部存储器等。为了降低传感器节点的成本，减小传感器节点的体积，我们采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430实现传感器节点的和处理功能。图3是设计的无线传感器节点的结构框图。下面将分别介绍无线传感器节点中的几个主要功能模块。

SoC芯片CC2430
     CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频、内存和微控制器。它使用1个8位8051 MCU，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的**短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。得益于CC2430的高集成度，其外围电路非常简单，只需要数量很少而且廉价的外围元件，即可完成无线传感器节点的和处理功能，因而大大降低了成本。

传感器模块
     根据实际需要选择不同的传感器对监测区域内温度、湿度、振动、声音和光线等物理信号进行检测。可选用了光敏器件、数字格式传感器和驻极体话筒，对光强、温度、振动和声音等进行探测。光敏电阻5516是基于半导体光电效应工作的光导管，对光强感应灵敏度相当高，当受到一定波长范围的光照时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电流迅速增加，通过参考电阻分压后进行模数变换即可获得光敏电阻的阻值，进而换算出光照强度。
     Maxim公司的DS18B20是*式数字温度传感器，测量结果可选用9～12位串行数据输出，测量范围-55～125℃，在-10～85℃测量准确度为0.5℃。驻极体话筒HX034P是电容式微麦克风。输入信号为声音信号，输出信号经MAX4466构成的前置放大电路后进行电压值A/D采样，处理器的A/D采样频率可达200KHz，可捕获到声音信号。ADI公司的ADXL202是双轴向加速度传感器，它采用先进的微型机电系统技术，在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅编码微机械传感器，集成精确的信号处理电路，可测静态及动态加速度。该传感器可广泛应用于惯导航、地震监测、车辆安全和电池供电设备的运动状态测试等领域。
     结合使用上述几种传感器和敏感器件的无线传感器网络节点，能够实现温度、加速度(震动)的准确测量与探测，光敏电阻有其自身的光谱特性和温度特性，因此在设计中不作精确标定;另外对声音信号的捕获和复现需要进行大量的数据处理，从能量利用和传感器节点功能的精简角度考虑，设计中对声光强弱的探测通过设定阈值来给出布尔型输出。

电源模块
     实现节点设计的微型化，节点可采用输出电压3.6V可充电锂离子钮扣电池LIR2032供电。该类电池自放电率小于10%每月，但额定容量较小，限制了节点的生存期，若以两节5号电池供电，则可维持更长的工作时间，在以网络形式工作状态下通过合理的设置节点发射较的接收、发射以及待机状态，可有效地延长节点的使用寿命。针对节点供电单元不便于更换的无线传感器网络，新的能源解决方法研究及网络系统的低功耗设计也是当前值得关注的课题。

阻抗匹配网络
     CC2430的射频信号采用差分方式，其较佳差分负载阻抗是115+j180Ω，阻抗匹配电路需要根据这一数值进行调整。本设计采用50欧姆单较子天线，由于CC2430的射频端口是差分形式具有两个端口，而天线是单端口，因此需要一个巴伦来完成两端口到单端口间的转换。巴伦电路由廉的电感和电容构成，如图4所示，包括电感L1、L2、L3和电容C1和两段长的传输线。

Sink节点的硬件设计
     无线传感器网络内的信息与外部网络或处理终端间的连接需要通过Sink节点来实现，Sink节点是无线传感器网络与有线设备连接中转站，负责发送上层命令(如查询、分配ID地址等)，接收下层节点请求和数据，具有数据融合、请求仲裁和路由选择功能，是无线传感器网络中较重要的一部分。我们设计的Sink节点带有USB数据口和RS232数据口，两种数据口可以通过开关进行切换，以方便Sink与外部网络或处理终端间的连接。
     图5是我们设计的Sink节点的结构框图，仍然采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430实现传感器节点的和处理功能。TTL与RS232电平转换单元选用MAX 3316芯片，该芯片在2.25～3.0V供电即可实现两通道双向电平转换，可直接操作CC2430芯片串行数据线和控制线。CC2430的外围电路设计与传感器节点相同。

结语
     基于ZigBee的无线传感器网络具有低功耗、、体积小的显著优点，可在特殊环境下实现监测区域内信号的采集传输与处理。伴随无线自组织网络技术的成熟和新的能量解决方案的提出，无线传感器网络的应用必将从军事、环境监测、医疗保健、空间探索和灾害预测普及到生活中的各个领域。

目前，在设计仪器的控制面板时，主要采用各种按键，通过检测按键是否被按下产生控制信号。但是，在一些需要连续产生控制信号的场合，使用按键可能带来操作上的不便。而且，长期高频率使用的按键较易损坏。如果使用光电旋钮，根据其旋转速率和旋转方向产生控制信号，就能提高使用的灵活性和可靠性。市场上的此类产品很少，且价格昂贵。经过多次试验，笔者成功地设计出采用单片机作为控制核心的智能光电旋钮。
智能光电旋钮按硬件结构可分为机械部分和硬件电路部分。

机械部分的主要功能是完成机械旋转到电信号的转换。如图1所示，机械部分由一个可任意旋转的旋钮、与旋钮相连的遮光片及两对光电收发器组成。遮光片的边缘设计成如图1所示的齿轮形，并定位于两对光电收发器之间。当遮光片旋转时，其边缘交替遮蔽两对光电收发器，光电收发器就将间断的光脉冲信号转换为两路电脉冲信号，供硬件电路部分处理。

硬件电路

硬件电路部分主要由脉冲整形电路和inbbb8031单片机为核心的单片机系统构成（见图2）。图2中：整形电路将光电收发器产生的两路脉冲信号整形后，送入inbbb8031单片机的P1.0、P1.1口。单片机通过内部定时器中断，对P1.0、P1.1 口输入的脉冲信号进行采样。采样数据经处理程序处理后，生成代表旋转速率的脉冲信号和代表旋转方向的方向信号，并由P1.2、P1.3口串行输出。也可根据实际需要，将识别到的旋转速率、旋转方向等信息通过并行接口输出到其它显示、控制设备。

图2中的整形电路由两个如图3所示的模块构成，分别对应两对光电收发器。555定时器构成单稳态触发器，对光电收发器发送的脉冲信号进行整形。当光线照射时，光电收发器的收端处于导通状态，则单稳态触发器的输入引脚为一高电平。当光线被遮住时，光电收发器的收端处于截止状态。此时，单稳态触发器的输入端被电阻R2下拉为低电平。适当调节电阻R2，使高电平大于2/3 Vcc，低电平小于1/3 Vcc，单稳态触发器就能对输入脉冲信号进行整形，并将整形信号输出至8031单片机系统。

8031单片机系统采用外置程序存储器的典型应用电路，这里不再赘述。

软件设计

智能光电旋钮的软件主要是设计 8031单片机系统的定时器中断，判别遮光片的旋转方向和旋转速率。设计难点在于旋转方向识别。

旋转方向识别原理

将两对光电收发器的接收部分近似为A、B两个点，当遮光片旋转时，如图4所示。

图中，设A、B两点间距为“e”，遮光片的遮光区长度为“d”。旋钮制作时使遮光片的遮光区长度和非遮光区长度相等，且“d”大于“e”。遮光片旋转时，其运动图像可近似为周期性占空比为1：1的矩形脉冲（凸部代表遮光区，凹部代表透光区）。这样，当遮光片向头方向移动时，必然循环处于：A、B被完全遮蔽；A 未遮蔽而B被遮蔽两种状态。当遮光片反向移动时，则循环处于：A、B被完全遮蔽；B未遮蔽而A被遮蔽两种状态。

光电收发器收端处于遮蔽状态时，单稳态触发器输出高电平，反之，则输出低电平。所以，单片机只需定时采集输入的电平，将“检测到A、B被完全遮蔽”作为判决起始点，然后根据是否紧接着出现“A 未遮蔽而B被遮蔽”或“B 未遮蔽而A被遮蔽”这两种状态来判断其旋转方向。

旋转速率识别原理

旋转速率的识别实质上是识别“A、B完全遮蔽”和“A、B之一未遮蔽”这两种状态转换的频率。同样，如果将“A、B被完全遮蔽”作为判决起始点，然后根据是否紧接着出现“A 未遮蔽而B被遮蔽”或“B 未遮蔽而A被遮蔽”这两种状态之一，无论哪种状态一出现，都在脉冲输出端产生一脉冲信号。同时，对产生的脉冲信号记数，脉冲的总个数除以脉冲记数的时间，就能得到旋转速率。

程序流程图

这种智能光电旋钮的软件并不复杂，用8031汇编语言编写的程序总长不**过50条语句。软件流程示于图5。


结语

这种智能光电旋钮，其单片机系统的硬件设计和软件开发都由制作者完成。所以，当需要在控制面板上附加按键及完成液晶显示等功能时，只需设计附加的单片机系统外围电路，而不必再单独设计单片机系统。