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从户外编码器选型谈磁编与光编的比较

基本建设中的大型设备、户外设备都需要自动化与安全控制,大型设备、户外设备都需要用到编码器。

包括:工程机械、建筑机械、港口机械、大型起重设备、矿山机械、造船等大型设备建造等;包括水利设备、风力发电、太阳能回转跟踪设备;等等的大型设备、户外设备。这些大型户外设备自动化程度要求越来越高,安全可靠性要求越来越高,而在以下的自动化和安全控制中,如:

高度控制;力矩控制(长度加重力);回转、倾角;双路、多路同步控制,等等,都需要用到编码器。

在大型设备、户外使用的编码器应用环境,远比在工厂內的小型设备的要复杂的多,编码器的可靠性要求重要的多。

大设备户外设备的特殊性:

不同于在工厂内的中小型设备,

大设备户外使用的环境要求;

大设备户外使用的安全性要求;

大设备户外使用的少维护要求;

——对编码器的设计选型非常重要,需要学习分析比较不同的编码器工作原理,根据应用场景与客户需求的选型编码器。

应用场景特殊性及编码器的参数要求

由于大型设备很难有厂房内的恒温保证,而且大部分是在户外露天使用,因中国幅员辽阔,从黑龙江的寒冷低温到南海的高温高湿;沿海地区的黄梅季与海风盐分;西北地区的日夜极限温差;这些环境因素需要在编码器的选择上提前考虑。

1、耐高低温及温差

高温80度到低温零下40度

温差100度(热冲击)

编码器内部电路三防处理

编码器腔内真实温度与当地标示气温的不同,局部零部件的高温。

夏季高温天气的气温,是气象学温度,是在一个标准的气象箱内有遮蔽有通风的情况下测得。但是,在露天设备暴晒的情况下,实际温度远远高于气象学温度。曾有人形容,在夏季某种条件下暴晒一个下午,能把鸡蛋晒熟了。

鸡蛋蛋白蛋清完全凝固的温度是在80度以上一段时间。

实际上,户外设备在夏季高温天气暴晒没有通风的情况下,编码器内腔在不工作时的温度,很有可能高于60度。而在通电工作后,局部零部件甚至可达80度。

由于白天的高温腔内的气体热涨,到了夜晚降温的温差大,腔内气体冷缩,编码器外壳内外压差下很容易吸入外部气体,气体中如含有水分就会在电路板上累积,长期暴露在户外如果没有做过特别防护就会破坏微小电子元器件或电路微漏电、被击穿。

因此,在户外设备使用的编码器,工作温度应大于80度。并且高低温差能适应大于100度。编码器内部电路需提前做好三防处理。

低温零下40度:东北、西北地区冬季的户外温度可达零下30多度,低温工作需有零下40度的保证。

低温会产生机械上的紧缩卡死、电路板上的凝露,内外电缆材质的质变。编码器轴承如果是有轴承润滑油脂的话,必须更换耐低温润滑油脂。

2、振动严重

大型设备户外设备的振动是难免的,尤其是工程机械、港口机械、风力发电、水利设备。

编码器的抗振动等级需大于10G,最佳应在20G及以上;短时抗冲击(震动)等级需大于100G。

其他的环境因素:潮湿水汽、海风、风沙细尘、含硫等化学腐蚀气体与鸟粪。

3、对于编码器外壳防护的特殊要求

第一,外壳防护等级需IP67,无螺丝封装。因螺丝材料及密封材料与外壳材料的热胀冷缩系数不同,在户外日夜温差下长期使用会产生缝隙。

第二,是外壳的材质要求,在沿海地区因为有潮湿与海风,最好使用不锈钢的外壳。比如说港口设备、沿海的水利项目;还有就是在矿山、化工、冶金行业有可能会有较大的灰尘,需要可以对设备清洗的,或者会有腐蚀性气体的,那么最好也是要用不锈钢外壳。

4、电气环境的特殊

大型设备、户外设备均是使用大型大功率电机,启动瞬间有大电流经过,周边产生瞬间的大电磁场波动。

不同于工厂,大型设备户外设备经常会有猛地上电或者猛地关闸断电的可能,对于设备电源常会有短瞬冲击。

——电气干扰比在工厂中严重很多。

电磁兼容性等级:电磁兼容性EMC一般要达到二级以上,需有EMC认证;

电源等级:一般为宽电源,如10~30Vdc,带极性短路保护。

电气保护等级:有电源极性保护、尽量有信号短路保护。

5、信号传输

编码器信号电缆经常很长,需选用编码器信号传输距离在100米以上的,

标示信号传输达不到100米的,即使现场实际距离到不了100米,也会因信号衰减、干扰而信号不稳定;

6、接地要求

设备接地线的是否良好不确定性,经常时好时坏,对于接地要求很敏感的例如profibus-DP的选用需谨慎;

接线端处的移动、振动、热胀冷缩、积灰等,接触不良、干扰噪音不确定性。

如需使用profibus-DP信号,需确保接地良好。进口DP编码器为分体式两部分结构,需要后部DP接线盒打开后盖接线,这种方式在户外使用难以保证长期密封性能,内部空间小接线线头容易尖端效应吸收干扰。需向Canopen编码器学习改为不开盖的外壳无螺丝一体式封装。总线接线是在编码器的外部,不开编码器盖。

增量脉冲信号被干扰的风险,脉冲信号较易被干扰。如需选用增量编码器脉冲信号,需选较高电压的HTL信号并含反相的A+A-B+B-信号。并选用专用的编码器信号电缆。编码器标示的信号传输距离必须大于100米。

7、绝对值数字信号需要有校验码

如需使用ssi信号,需加有CRC校验码。大型设备现场的电气干扰复杂,会对于SSI信号的时钟脉冲干扰而产生数据跳变,需有校验码去除跳变数据。其余的通讯信号都已有校验码。

编码器的数字通讯信号的传输速率不宜太快,通讯速率太快意味着衰减快、传不远,例如profinet等工业以太网的信号,传输速率要求快,但是以太网的信号频率很高,容易衰减,或者被干扰中断。在民用以太网可以用断点再续,而大型设备的中断易造成设备安全性风险,只能时常报警停机检查。其信号传输距离是有限制。

又例如在工程机械抗干扰表现较好的是Canopen现场总线,对于接地的要求不敏感,常用的传输速率是250kHz。

使用维护的方便性,4—20mA信号

如果使用精度要求不高,可选用4—20mA信号输出,现场维护工程师用一个万用表就可检查信号,大大简化了现场维护要求。

ModbusRTU信号较为普及经济,各种PLC都有信号接口,信号有校验码,但是传输速度较慢,编码器少量使用一个、两个的时候还是非常合适经济。如一个接口仅用一个编码器时,可选用RS485广播模式,地址设置0时作为广播模式傻瓜式连续发送,刷新较快,也不受外界的影响干扰。因为它是广播的与前次干扰无关,无需考虑前面一次的错和对而中断。

8、真假绝对值编码器,在大型设备来不得半点忽悠

决定是否是绝对值编码器的根本不在于记忆,而在于这个绝对值编码是否已经在编码器内部早已机械存在,它不受使用的中间过程累积所影响而改变编码数据,比如说有无计数器,计数器在记录的过程当中是一个过程,它就可能受外界的影响或者停电的影响,而大型设备的电气环境复杂性。再比如说记忆体。记忆也是一个过程,它在保存、记忆、再提取记忆的信息的过程中,也会受到外界的影响。所以通电记忆与断电保存实际上都是一个过程的变化,都会因周边环境的复杂性而受到影响。真绝对值编码器是没有计数器无需记忆的。它的绝对值编码早已机械式存在,绝对值编码没有使用过程变化,不受外界影响。

磁电与光电的比较

磁编增量与光编增量的比较—用于速度环反馈

增量编码器在大型设备中的使用,主要用于速度环的反馈,电机启动加速度反馈与防止电流过载,要求响应快,又需注意信号不易被干扰,编码器不易损坏。

光编增量——优在精度与响应,吃亏在抗振动、抗污染灰尘水汽。需根据编码器的安装部位判断是否可选用光电增量编码器。是否需要输出响应要高。

磁编增量——优在抗震动和防灰尘水汽,又由于磁编脉冲信号是经过细分的,响应慢了。

磁编中心轴感应式用于增量脉冲输出不适合在此应用,因为脉冲信号是计算细分出来的,振动中无法均匀分配脉冲宽度,响应也跟不上。

此场景的应用,增量磁编宜选用齿轮感应式。

对于响应有要求光编增量得分,对于耐用性磁编增量得分。

特别注意:增量编码器在大型设备仅用于速度环反馈,用于位置环是不适合的,因脉冲信号易受干扰,位置环需要脉冲累加,计数器难以保证准确计数。

位置环的控制需用机械齿轮箱绝对值多圈编码器为佳,尤其是高度控制(防止重量下滑累计)和多轴同步控制。大型设备如遇位置不同步而机械扭曲,造成的损失很大。

磁编单圈绝对值与光编单圈绝对值的比较,用于360度角度

光编——优点在精度高,响应快。

磁编——精度低,但是耐用性好。

大型设备长度比例大,角度误差在长度末端是放大的,加上振动,编码器角度精度很难表现,光编的精度优势在此被埋没,而缺点易损坏、怕高低温怕水汽灰尘的缺点倒是暴露无遗。大型设备使用,此处磁编单圈绝对值编码器完胜光编单圈绝对值编码器。

多圈绝对值编码器之光编与磁编的比较

本文仅讨论机械齿轮箱多圈绝对值编码器。

对于日系带电池的伪绝对多圈编码器,我没在大型设备见到过。

韦根多圈编码器的出现是替换日系电池的,本应在日系电池式编码器的应用范围的替换,而不应出现在机械齿轮箱绝对值多圈编码器的应用场景混淆概念捣浆糊,在大型设备上的使用是不负责任。

尤其是高度控制和多轴同步控制,必需选用机械齿轮箱真绝对值多圈编码器。

机械齿轮箱多圈绝对值编码器有三种原理,以我过去熟悉的绝对值多圈编码器来举例,不涉及品牌哪个好。

全光编多圈,单圈光编多圈齿轮箱光编——AC58,AVM58

混合光编磁编,单圈码盘是光编,多圈齿轮箱是磁编——ROQ425

全磁编多圈,单圈磁电多圈齿轮箱磁电——ATM60,GMX60

1,全光编多圈,光电原理的优点突出,精度高响应快,但是其缺点也明显。单圈绝对值光编上面已有对比,而机械齿轮箱也是光编,怎么样?

在以电机后编码器作为位置环控制,光编精度高响应快是有利的。但是在机械齿轮箱上,齿轮变速传递是有机械误差的,多圈齿轮变速后也不需要很高的响应,而齿轮箱如果也是光编,那么在编码器的内部空间就要布置很多码道的光感应器——每个码道的空间压缩,直至错位码道。光编的数值是0和1,没有中间变量,可以找出误差变化规律而通过算法修正。也很难发觉码道错位了。尤其是在振动、外部干扰的情况下,错码道就是0和1的跳变。

光编齿轮箱在户外使用有更致命的缺陷,高温、温差的水汽凝露灰尘遮蔽,振动。光编齿轮箱需有很多个增加的光学码道,很多个光发射与光电感应窗口对齐,因编码器内部空间要求狭小,每个对齐的窗口分配很小,较易被水汽灰尘污染遮蔽,或振动跳码道,得到的数据闪跳。(在高温环境气候较为明显)。

——全光编多圈绝对值编码器适合在工厂内自动化使用,或者电机上使用,不太适合户外使用。

2,混合型多圈——单圈继续用光电式码盘,绝对值多圈齿轮箱选用了磁电原理,例如ROQ425。结合了光电的精度和响应,磁电式机械齿轮箱的耐用性。在电机上使用最佳。在户外使用需防范振动与水汽。

3,全磁电式多圈——单圈为磁电式,绝对值多圈齿轮箱也选用了磁电原理,例如在沿海港口设备表现突出的ATM60,随ZPMC出口世界各地港口。全磁编多圈精度不高,信号刷新不快,但是装在大型设备需位置测量的低速端,而非电机上,户外使用环境耐用性极佳。

题外话:齿轮箱齿轮材料的磨损?

专业的厂家选用的齿轮材料为高分子聚合树脂,俗称“赛钢”的耐磨性自润滑材料,在较高速齿轮轴上安装有两个微型轴承,确保旋转的很低阻力。因传感器是非接触感应的,齿轮之间的啮合力很小。在大型设备使用多年都未见有齿轮断齿和明显磨损。故此不存在齿轮材料的缺陷问题。

大型设备户外使用的编码器,其参数都有特别的要求。编码器输出信号也各有特点,需根据用户场景谨慎选择。用磁电原理的优于用光电原理的——工作环境的特殊性;用绝对值编码器原理的优于用增量编码器——工作可靠性的重要性;

在中国市场这种应用场景没有见到过日系带电池的伪绝对多圈编码器——电气环境的复杂甚至电气环境恶劣性,与工厂内小型设备完全不同,大约日企也明白其中的利害关系。

韦根多圈编码器从编码原理的根子上与日系电池多圈相似,其用韦根线圈微发电存储能量替代电池能量。

韦根多圈编码器从编码原理的根子上与机械齿轮箱真绝对值多圈编码器完全不同。在选型时需要问清楚。

本文转自@Q公众号

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