在论坛上看到有人提出光栅尺与PLC如何配套使用的问题。结合本人使用过光栅尺的经历，写了这篇文章。希望能提供有用的参考。
一、 结构和工作原理
光栅尺由有标尺光栅（尺体）和读数头两部分组成。尺体装在移动部件上，读数头装在固定部件上。也有人把读数头装在移动部件上（针对尺体移动不方便的情况），测量效果是一样的，不一样的是信号线移动不方便。
尺体移动就是一对光栅中的主光栅（标尺光栅）和副光栅（指示光栅）进行相对位移，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹（莫尔条纹）。经过光电器件使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过电路的放大和整形后，得到两个相位差90度的正弦波或方波信号A和B。正弦波或方波的周期数与移动距离成正比。尺体正向移动时，A信号超前B信号90度，尺体反向移动时，A信号滞后B信号90度。有些光栅尺还输出一个Z信号（回零信号）。
二、 栅距和分辨率
等距的密集线纹，利用光的透射现象形成光栅，线纹的间距称为栅距。以栅距20um（50线/mm）为例，假设不用其它措施，尺体每移动20um，读数头就输出一个周期信号，输出10个周期信号，表示移动了200um。栅距越小，测量精度越高，成本越高。在保持栅距不变的情况下，把输出的周期信号进行4倍细分处理，那么每移动20um，就输出4个周期信号，每个周期信号表示移动5um。厂商就称呼这个光栅尺的分辨率是5um，但这个5um并不是指栅距是5um。如果尺体移动距离低于20um，不管是多少细分处理，结果是输出0个周期信号。
三、 供电方式和输出信号
供电方式常见的有直流5V和24V两种。为了方便与PLC配套使用，最好选择24V供电的。
光栅尺的输出信号多数是方波信号，常见的有两种：一种是TTL电平信号，另一种是RS422差分信号。有些厂商还能订做集电极开路输出信号（NPN和PNP两种）。对于PLC来说，不是所有信号都适用。PLC的主单元和高速计数模块（如FX2N-1HC、FX3U-2HC、FX3U-4HSX-ADP和CC-Link计数模块AJ65BT-D62等等）可以直接接收集电极开路输出信号，集电极开路输出说白了，就是电子开关。高电平表示开关导通，低电平表示开关截止。可以接通直流电路。与集电极开路输出的旋转编码器的连接方法没有区别。NPN型与PNP型的区别：开关导通时，NPN型的电流方向是从集电极流向发射极。PNP型的电流方向是从发射极流向集电极。
TTL电平信号输出可以用于单片机或DSP，但不能直接用于PLC。需要加一个直流电子开关模块（淘宝网有售），把TTL电平信号转换成集电极开路输出信号。对于低速移动部件，几乎没什么影响。但对于高速移动的部件，这会带来信号的延迟，甚至周期信号的丢失。
RS422差分信号的特点是，输出A、A反相、B、B反相等4个信号。有些还能输出Z和Z反相信号。这种输出方式，可以利用两个反相信号来抵消外界的电磁干扰，特别适用于干扰恶劣的环境。PLC主单元和部分高速计数模块（如FX2N-1HC、AJ65BT-D62）不能直接接收RS422信号，需要加一个差分信号转集电极开路输出模块（淘宝网有售），把差分信号转集电极开路输出信号。这种转换接收方式所带来的问题，与TTL电平信号转换接收是一样的。有些高速计数模块（FX3U-2HC、AJ65BT-D62D、AJ65BT-D62-S1等）能够直接接收RS422差分信号。
PLC主单元有外部高速计数输入端口和内置高速计数器，可用于处理光栅尺的信号。这是不是说高速计数模块就没用呢？答案是否定的。PLC主单元处理信号频率不如高速计数模块。FX2N系列接收单相信号最高60KHz，接收2相信号最高30KHz。如果使用专用比较指令，单相最高10KHz，2相信号最高5KHz。FX3U系列接收单相信号最高100KHz，接收2相信号最高50KHz。如果使用专用指令，最高不会超过60KHz。而很多高速计数模块，可以处理单相信号最高200KHz，2相信号最高100KHz。这几乎是主单元的两倍。
我们可以计算一下，以FX3U主单元为例，假设接收2相信号（因为很多情况要根据相位差来判断部件移动方向），不使用专用指令（编程难度加大），最高响应频率是50KHz，表示每秒可以接收50000个脉冲信号，假设使用栅距为20um的光栅尺，移动一个栅距，输出一个脉冲。那么50000×20um＝1000mm。这就是说，部件移动速度最高不得超过1000mm/s。如果使用的光栅尺的分辨率是5um，每移动20um就输出4个脉冲，部件移动速度最高不得超过250mm/s。如果要使用专用指令，移动速度还得进一步降低。上述分析计算是在理论状态下进行的。实际中，还要考虑PLC主单元处理高频信号的失真、丢失计数量、程序循环执行引起的响应延迟等情况。另外，在工业生产环境中，最好使用RS422差分信号，保证系统的抗干扰能力。而PLC主单元是不能直接接收RS422差分信号。
沪公网安备31010802001143号
