Solución de problemas del codificador: ¿Es el codificador o la cadena?

Si has venido aquí para arreglar el botón de volumen de un teclado, la rueda de un ratón o una tarjeta codificadora de vídeo, este artículo no es para ti. Estamos hablando del codificador rotatorio industrial atornillado a un motor o al eje de una máquina. Es la pieza que indica al controlador la distancia y la velocidad a la que se mueve algo. Y, en este momento, ha dejado de decir la verdad.

Cuando eso ocurre, lo primero que se nos ocurre es pedir un nuevo codificador. A veces eso soluciona el problema. Pero, a menudo, no es así. Lo que parece un fallo del codificador suele ser un fallo en algún otro punto de la cadena de señal que transmite los impulsos del codificador al controlador. Esta guía repasa esa cadena eslabón a eslabón, desde los impulsos que debería generar el codificador hasta las especificaciones que debes confirmar antes de pedir un recambio.

Signales de un codificador incremental: lo básico. ¿Qué señales emite un codificador en buen estado?

La mayoría de los codificadores industriales de las máquinas de producción son incrementales. En su interior, un disco óptico o magnético gira junto con el eje. El sistema electrónico de detección convierte su patrón en impulsos de onda cuadrada: dos canales, A y B, desfasados 90° entre sí, además de un tercer canal Z en la mayoría de los modelos, que emite un impulso por revolución y marca la posición de referencia.

Las cifras importan menos que la forma. Si tu codificador tiene una especificación de 100 PPR, una unidad en buen estado produce exactamente 100 pares de impulsos por vuelta del eje, y los impulsos A y B se solapan en un cuarto de la anchura de un impulso. Las fichas técnicas suelen permitir que el desfase de fase oscile entre 45° y 135° (90° ± 45°) antes de que la unidad quede fuera de las especificaciones. Pero, como verás, una unidad que se encuentre dentro de los límites de tolerancia indicados en la ficha técnica puede resultar inútil en una instalación real.

Dos aspectos que hay que tener en cuenta en cualquier diagnóstico:

• Los codificadores incrementales no tienen memoria. Cuentan los impulsos mientras gira el eje. Cuando se corta la corriente, el recuento se pierde y el controlador ya no sabe en qué posición se encuentra la máquina. Eso no es un fallo. Es así como está diseñado. Esta distinción será importante más adelante.
• La calidad de la señal de salida depende del circuito que la transmite. Los codificadores se diferencian en la forma en que controlan sus salidas: salida de tensión, colector abierto NPN o PNP, complementaria (push-pull) o controlador de línea diferencial. Esa elección, y no el disco que hay en su interior, es la verdadera causa de la mayoría de los fallos en el campo.

Entonces, ¿cómo se manifiesta un fallo y cómo se comprueba con las herramientas del banco de trabajo?

Primeras comprobaciones: cómo comprobar un codificador antes de culparlo

Antes de sospechar que el problema está en el propio codificador, realiza estas cinco comprobaciones en orden. Cada una de ellas descarta toda una rama de la cadena. En conjunto, llevan unos cinco minutos con un multímetro:

1. Mide la tensión de alimentación en el codificador. No des nada por sentado. Las familias de colector abierto y de controlador de línea tienen requisitos de alimentación diferentes, y una alimentación que da un valor bajo o presenta interferencias bajo carga provoca todos los síntomas posibles.
2. Comprueba el cableado y los terminales. Los terminales de tornillo sueltos, los conectores oxidados y una línea común o de 0 V sin conexión son los diagnósticos más habituales de “codificador averiado” que, en realidad, se deben a problemas de conexión.
3. Gira el eje lentamente y observa los puntos A y B respecto a masa. En una salida de colector abierto con un pull-up, cada canal debería oscilar entre un valor cercano a 0 V y uno cercano a la tensión de alimentación a medida que gira el eje. Un canal que se mantenga estable está averiado; el fallo puede estar en el canal, en su cable o en su entrada.
4. Si tu modelo dispone de un canal Z, gira el eje una vuelta completa y comprueba que se produzca exactamente un pulso.
5. Sustituye el cable por uno que sepas que funciona bien y vuelve a realizar la prueba. Las averías en los cables son baratas de reparar, pero costosas de diagnosticar erróneamente.

El límite real del multímetro: te indica si hay pulsos y, aproximadamente, cuál es su magnitud. No detecta el desfase, el ciclo de trabajo distorsionado, los pulsos que faltan ni el ruido intermitente, y esos cuatro fallos son los que causan la mayoría de los problemas intermitentes de producción. Si se superan las cinco comprobaciones y la máquina sigue funcionando mal, la siguiente pregunta no es qué codificador hay que pedir, sino qué eslabón de la cadena está fallando.

¿Es el codificador o la cadena? Dónde se producen realmente los fallos del codificador

La cadena de señal consta de cinco eslabones: el mecanismo de detección situado en el interior del codificador, la etapa de salida eléctrica, el cable que une el codificador y el controlador, el circuito de entrada o contador del controlador y el soporte mecánico que garantiza el correcto funcionamiento del codificador. Las averías que se producen en el campo se distribuyen de forma desigual entre estos eslabones, y a menudo el propio codificador es el inocente.

El enlace de interfaz eléctrica: cuando los circuitos de salida no coinciden

Los codificadores industriales transmiten sus señales de salida mediante unas cuantas modalidades estandarizadas, y cada una de ellas requiere un tipo específico de circuito de entrada por parte del controlador:

• NPN de colector abierto Absorbe corriente. Lleva su salida a nivel bajo y necesita la entrada del controlador, o una resistencia pull-up, para suministrar el nivel alto. Si se combina con una entrada de tipo «sourcing» o de tipo PNP, no se obtiene ninguna señal útil.
• PNP de colector abierto fuentes de corriente. Es la imagen especular y necesita una entrada de corriente descendente.
• Complementario (push-pull) Funciona tanto con niveles altos como bajos de forma activa, por lo que admite cualquiera de los dos tipos de señal de entrada. Por eso es la recomendación por defecto para tramos de cable más largos o entornos con interferencias eléctricas.
• Controlador de línea (diferencial RS-422) transmite cada canal como un par simétrico, lo que anula el ruido inducido. Es la opción habitual para largas distancias y altas frecuencias de impulsos.

Cuando la topología de salida no coincide con la entrada del controlador, los síntomas van desde la ausencia de señal hasta recuentos en una sola dirección, pasando por errores aleatorios que aparecen y desaparecen con la temperatura. Si se sustituye el codificador por otra unidad del mismo tipo incompatible, el problema vuelve a aparecer inmediatamente. Así es precisamente como las máquinas acaban teniendo un cajón lleno de codificadores “defectuosos” que, sin embargo, habían dado buenos resultados en las pruebas de banco.

El enlace por cable: dónde se producen realmente las averías intermitentes

Los errores intermitentes de recuento apuntan, ante todo, al cable y a su entorno. La máquina funciona durante horas y, de repente, pierde la posición o da un error. El patrón clásico es un cable de señal cortado o pellizcado en el interior del motor, lo que provoca un cortocircuito contra una pieza metálica bajo tensión. Un fabricante documentó exactamente este caso tras quemar tres codificadores en el mismo motor. Cada uno de ellos falló con el siguiente mensaje: “salida aún presente, pero oscilando unos pocos recuentos alrededor de cero” (Solución de problemas del codificador rotatorio, MowerProject). Las pruebas en banco las superó a 12 V. El fallo solo se produjo a los 24 V de la máquina.

Cuando un eje CNC genera una alarma del codificador al encenderse, los primeros pasos que dan los fabricantes de máquinas son reveladores: comprobar el apantallamiento del cable, verificar la puesta a tierra del equipo e inspeccionar el tendido del cable (Error en la señal del codificador incremental SINUMERIK 840D, Siemens SiePortal). El apantallamiento solo funciona cuando está conectado a tierra en el extremo correcto, y los cables del codificador que discurren por el mismo conducto que el de alimentación del motor captan ruidos que ningún codificador puede filtrar. Si estás eligiendo un recambio para un tramo largo o con mucho ruido, la decisión sobre el circuito de salida (complementario o controlador de línea frente a colector abierto) es una elección de ingeniería, no una cuestión de precio.

Los enlaces de recepción y montaje: cuando el problema no está en el codificador

Lo primero es el lado del controlador. Las tarjetas de contador y las entradas de los servomotores a veces necesitan que se les apague y se vuelva a encender la alimentación, y los programas de PLC pueden estar escritos de tal forma que malinterpreten pulsos válidos. En una reunión de mantenimiento sobre un problema persistente con un codificador se llegó a la conclusión de que era necesario sustituir la propia tarjeta del codificador o, como mínimo, apagarla y volver a encenderla (Pregunta sobre resolución de problemas, r/IndustrialMaintenance). Si dispones de un eje de repuesto, la prueba más económica en el mantenimiento industrial consiste en sustituir el codificador por uno que se sepa que funciona correctamente. Si el fallo se desplaza junto con el codificador, el problema está en el codificador. Si permanece en el mismo sitio, no es el codificador.

El montaje mecánico es el otro culpable silencioso. Los codificadores son instrumentos de precisión atornillados a máquinas que vibran. Un soporte desalineado o deformado produce recuentos espurios que se parecen exactamente a un fallo electrónico. Un observatorio atribuyó años de errores de orientación del telescopio a un soporte del codificador presionado por la carcasa del motor, cuando el propio codificador se encontraba en perfecto estado (Problemas con los codificadores incrementales, IfA Hawái). Antes de descartar el codificador, comprueba si el acoplamiento presenta deslizamiento, si el eje soporta una carga excesiva y si el soporte está deformado. Un acoplamiento suelto se desliza bajo carga y produce errores de recuento exactamente igual que un canal muerto.

Cuando las cinco conexiones dan resultado negativo pero el fallo persiste, el osciloscopio es la prueba definitiva. En una instalación en funcionamiento, el desfase de fase debería mantenerse en torno a los 90° ± 5–10°, lo cual es más preciso que la tolerancia indicada en la ficha técnica. La amplitud debería situarse cerca de la tensión de alimentación, y los impulsos deberían ser uniformes (Fallo en el codificador del PLC, consejos de ingeniería). Los impulsos que faltan, los ciclos de trabajo irregulares o los canales que cambian de estado al mismo tiempo apuntan, al fin y al cabo, al disco interno o a la electrónica del codificador.

Reparar o sustituir: y por qué la pérdida de posición tras el apagado cambia la respuesta

Una vez que se haya confirmado que el problema radica en el propio codificador, las opciones de reparación in situ son limitadas. Volver a colocar o rehacer los conectores y sustituir el cable son reparaciones válidas. En algunos modelos, es posible limpiar una ventana óptica sucia. Si se estropea un disco, una fuente de luz o la etapa de salida, hay que sustituirlos. En la práctica, “reparar” la mayoría de los codificadores incrementales industriales significa “sustituirlos por otros con las mismas especificaciones”.”

Esto nos lleva a la cuestión que distingue entre una solución de cinco minutos y una que se repite. Los codificadores incrementales pierden la posición cuando se produce un corte de corriente. Si tu máquina vuelve automáticamente a la posición de referencia al arrancar y esa pérdida no te supone ningún coste, compra el mismo tipo incremental y sigue adelante. Si perder la posición implica una reajuste manual, el desperdicio del trabajo en curso o una línea de producción a la espera de un operario, ese coste recurrente es la verdadera justificación para pasar a un codificador absoluto, que recuerda su posición incluso tras los ciclos de encendido y apagado.

La actualización tiene limitaciones estrictas. Un codificador absoluto no sirve de nada si tu controlador solo admite el recuento incremental de pulsos. Los codificadores absolutos multivuelta necesitan una batería o un sistema de respaldo mecánico que algunas instalaciones no pueden soportar. Comprueba la compatibilidad del controlador antes de comprar. Un codificador “mejor” que tu variador no pueda leer es peor que el incremental que ya tenías.

Qué pedir: cómo interpretar el circuito de salida, la tensión y el PPR del codificador antiguo

Ya has desmontado el codificador antiguo del eje. Ahora la única cuestión que importa es qué es exactamente lo que vas a pedir. La respuesta figura en la placa de características de la unidad antigua, si sabes cómo leerla.

Lee el sufijo del número de referencia. En las familias de encoders incrementales más habituales del sector, el bloque del sufijo del número de referencia codifica el circuito de salida y la tensión de alimentación. Una familia con una plataforma base común a todas las variantes utiliza letras finales para identificar la variante eléctrica: el mismo encoder mecánico se ofrece con salida de tensión, colector abierto NPN o PNP, complementario o con controlador de línea, cada uno con su propio rango de alimentación.

Este es el hábito más útil a la hora de sustituir un codificador: convierte el número de referencia en tres parámetros técnicos (circuito de salida × tensión de alimentación × PPR) antes de buscar un precio. Esos tres parámetros técnicos constituyen el producto. El número de referencia no es más que su abreviatura.

Si la placa de características no está o es ilegible, la unidad antigua se puede identificar igualmente por sus características eléctricas. Conéctala a una fuente de alimentación de banco y comprueba la salida con un multímetro o un osciloscopio. Una salida de colector abierto permanece en estado bajo a menos que se haya instalado un pull-up. Una salida complementaria o de controlador de línea controla activamente ambos niveles. Ese comportamiento estático por sí solo permite distinguir las principales familias.

Circuito de salida × entrada del controlador: la tabla de correspondencias

Las familias de colector abierto son las más habituales en las máquinas antiguas, ya que se adaptan directamente a las entradas de los PLC. También son la causa más frecuente de “ausencia de señal” cuando la entrada del controlador tiene la polaridad opuesta. Las salidas complementarias y con amplificador de línea existen por una razón: un controlador que no puede leer una línea larga de colector abierto leerá una señal complementaria o diferencial sin ningún problema. Si el tramo de cable es largo, comparte un conducto con el cableado de alimentación o alimenta un servoaccionamiento, deja que sea la longitud del tramo la que determine el tipo de salida. No dejes que sea la lista de precios la que lo decida.

PPR y número de canales: deben coincidir con los de la unidad anterior

El PPR es la resolución en la que se basan los cálculos de posición y velocidad del controlador. Si lo cambias, cambiarás todos los valores de velocidad y posición que se muestran en la máquina, a menos que también modifiques los parámetros del controlador. Por lo tanto, para una sustitución directa, debes hacer coincidir exactamente el PPR de la unidad antigua. El número de canales es otro aspecto en el que es muy fácil equivocarse. Si la máquina realiza el retorno al origen mediante un pulso Z, una unidad de sustitución sin canal Z desactivará silenciosamente el retorno al origen. Comprueba ambos datos con la ficha técnica, no basándote en que “parece igual”.”

Hay un límite claro en lo que se refiere a la “compatibilidad”: “compatible” no significa «visualmente idéntico». Un codificador que coincida en el circuito de salida, la tensión y el PPR, pero que difiera en el diámetro del eje, la longitud del cable o el patrón de montaje, no es un recambio directo. Y cualquier proveedor que no pueda presentar una tabla de especificaciones en la que se indiquen esos parámetros está vendiendo un producto a ciegas.

Aquí es donde la estructura de la familia de salidas resulta práctica. En la familia de encoders incrementales de OMCH, el sufijo realiza la misma decodificación que acabas de aprender en este artículo. La misma plataforma mecánica abarca variantes de salida de tensión, colector abierto NPN y PNP, complementarias y con amplificador de línea. La clase “-6C” es de colector abierto NPN a 5-24 VCC. La variante de salida complementaria está homologada para longitudes superiores a 10 m o en entornos con altas interferencias, con una tabla de especificaciones en su propia página. Las opciones de resolución van de 10 a 1.200 PPR en toda la familia. La ficha técnica de cada variante indica su circuito de salida, tensión de alimentación, tensión residual y corriente de salida en estado abierto, por lo que las tres especificaciones que acabas de aprender a determinar son las mismas tres que publicamos (Descripción general de nuestra gama de encoders incrementales, Tabla de especificaciones de la variante de salida complementaria).

Dónde comprar un codificador de repuesto: qué hay que comprobar primero

Tus tres especificaciones están fijadas. Antes de pagar a cualquier vendedor, ya sea de marca, genérico o de un mercado online, comprueba tres cosas:

1. Una ficha técnica en la que se especifican los parámetros: circuito de salida, tensión de alimentación, PPR, canales, tensión residual y corriente de salida. “Compatible con la marca X” es una frase de marketing. Una tabla de parámetros es una prueba fehaciente.
2. Una garantía por escrito y una vía de devolución. Incluso los compradores más cuidadosos pueden equivocarse al especificar los productos que desean sustituir. La cuestión es qué ocurre en ese caso, así que confirma las condiciones antes de realizar el pedido, no después.
3. Alguien capaz de responder a una pregunta sobre controladores. Pregunta: “Mi entrada es una tarjeta de PLC de 24 V en modo fuente. ¿Qué variante necesito?”. Un proveedor que responda con un número de variante en lugar de encogerse de hombros es un proveedor que te resultará útil cuando sea necesario.

Un proveedor que tenga en stock toda la gama de productos, y no solo el modelo que por casualidad haya tenido éxito, es también un proveedor capaz de suministrar la variante correcta cuando la placa de características indique algo inusual.

La opinión del distribuidor: Almacenamiento y venta de codificadores por familia de especificaciones, no por número de referencia

Todo lo anterior estaba dirigido a quien repara una máquina. Si te dedicas a la venta de componentes de automatización industrial, lo has estado leyendo por un motivo diferente. Tus clientes son esa persona, y la pregunta más habitual que te hacen sobre los codificadores no es “¿qué tienes?”, sino “el codificador de mi máquina se ha estropeado, ¿cuál necesito?”.”

Esa pregunta es una orden permanente, no algo puntual. Las máquinas que están en funcionamiento siguen funcionando, y cada máquina en funcionamiento que cuente con un codificador incremental supone una futura solicitud de sustitución.

Stock por familia de especificaciones, no por número de referencia

Los datos sobre fallos que se recogen en este artículo apuntan a una lección sobre la gestión de existencias. La base instalada presenta una gran diversidad eléctrica: controladores de línea de 5 V en ejes servo, colectores abiertos NPN de amplio rango de tensión en líneas controladas por PLC y salidas complementarias en las nuevas series con ruido. Los números de referencia que codifican esa diversidad se multiplican más rápido de lo que cualquier distribuidor puede memorizar. En su lugar, organiza el stock de encoders según el circuito de salida × tensión × PPR. Una sola familia de salidas complementarias o NPN con amplia cobertura de tensión da respuesta a la mayor parte de las solicitudes de recambio. Una familia de controladores de línea cubre las solicitudes de series largas y de aplicaciones relacionadas con servomotores. Los modelos absolutos solo merecen su espacio en las estanterías cuando las máquinas de tus clientes regionales tienen dificultades para volver a la posición inicial.

Indica las tres especificaciones antes del precio

La actuación profesional —y la que genera confianza en lugar de solo beneficios— consiste en negarse a ofrecer un presupuesto hasta que se especifiquen esos tres parámetros. Pide el número de referencia de la unidad antigua. Explica al cliente qué significa el sufijo. Confirma el voltaje y el PPR. Solo entonces ofrece el presupuesto. Los vendedores que ofrecen un presupuesto por “un codificador compatible” sin esos tres parámetros son la razón por la que los compradores de las historias de fracaso de este artículo tienen cajones llenos de codificadores “defectuosos” probados en banco de pruebas. Vende el servicio de traducción y la cobertura de la gama, y la línea de codificadores dejará de ser una referencia de bajo margen. Se convertirá en la razón por la que un cliente te envíe también el resto de la consulta sobre el armario.

Si el sufijo de tu codificador antiguo no te dice nada, envíanos el número de referencia o una foto de la placa de características, y te lo traduciremos a las tres especificaciones antes de que hagas ningún pedido (nuestra ayuda para la selección de productos, ponte en contacto con nuestro equipo).

Referencias

1. Fluke. Solución de problemas del codificador rotatorio con un multímetro — Más allá del multímetro, parte 3.
2. MSC Industrial Direct. Diagnóstico de problemas en el codificador rotativo con un osciloscopio.
3. Siemens SiePortal. SINUMERIK 840D: Error en la señal del codificador incremental al encender el sistema.
4. Un consejo. Fallo en el codificador del PLC.
5. Reddit r/IndustrialMaintenance. Pregunta sobre resolución de problemas.
6. MowerProject. Solución de problemas del codificador rotatorio.
7. IfA Hawái (TCS). Problemas con los codificadores incrementales.
8. Todo sobre los circuitos. Salida del codificador incremental.
9. OMCH. Descripción general de la familia de encoders incrementales.
10. OMCH. Tabla de especificaciones del codificador de salida complementaria E6B2-CWZ5G.
11. OMCH. Asistencia en la selección de productos.
12. OMCH. https://www.omch.com/.