Como selecionar o codificador absoluto ou incremental correto para automação industrial

A automação industrial tem tudo a ver com precisão, e a decisão de seu sistema gastar seu dinheiro em um codificador absoluto ou em um codificador incremental determina a eficiência desse gasto. Quer esteja projetando aplicações complexas de controle de movimento ou simples monitoramento de velocidade, é fundamental conhecer os tipos específicos de codificadores. Encontrar a melhor opção entre um codificador absoluto e uma tecnologia incremental geralmente se resume a equilibrar o custo com razões de segurança e necessidades de desempenho.

Este guia abrange uma ampla gama de aplicações para ajudá-lo a decidir que tipo de codificador deve ser usado em seu sistema de controle de movimento.

Codificadores incrementais: Princípios e a necessidade de homing

Você precisa saber como funciona o codificador incremental para conhecer a escolha que está prestes a fazer. Ele é o carro-chefe do setor, caracterizado pela simplicidade do hardware.

O processo baseia-se no disco de um codificador incremental - normalmente um disco transparente com um conjunto de linhas ou orifícios opacos. Uma fonte de luz passa por essas fendas à medida que o disco gira, e um fotodetector produz um fluxo contínuo de pulsos elétricos. Esse sinal de saída geralmente é organizado em três canais: Sinal A, Sinal B e Sinal Z (o sinal de índice).

Esses sinais aparecem como ondas quadradas. A frequência desses pulsos determina a velocidade do sistema, e o número de pulsos está relacionado à distância. Ao comparar a diferença de fase entre o Sinal A e o Sinal B, o sistema determina a direção do movimento (por exemplo, quando A lidera B, o eixo está girando no sentido horário). O controlador conta esses pulsos para determinar a posição do eixo.

Mas a resolução de um codificador incremental vem com um ônus operacional específico: a noção de “homing”.”

Um sistema incremental está medindo essencialmente a posição relativa. Ele só sabe que se moveu. A memória volátil que contém a contagem de pulsos é apagada quando o sistema é desligado. Quando o controlador é reiniciado, ele lê uma posição de zero, independentemente da posição real do braço mecânico ou do eixo.

Para funcionar, a máquina deve executar uma sequência de localização para encontrar um ponto de referência. Ela deve mover fisicamente o eixo até acionar um sensor para estabelecer uma posição de referência. Essa é a característica que define os codificadores incrementais.

Codificadores absolutos: Códigos exclusivos e protocolos de comunicação

O codificador rotativo absoluto é uma solução para o problema da perda de posição porque altera a linguagem da medição. Ele não fornece um fluxo dos mesmos pulsos. Em vez disso, ele atribui um código exclusivo a cada posição em sua rotação.

O disco óptico de um codificador absoluto é muito mais complicado do que o de um incremental. Ele tem várias faixas concêntricas de partes opacas e transparentes. Quando a luz passa por essas faixas, ela cria uma palavra digital paralela, um padrão específico de uns e zeros.

Isso significa que há um código exclusivo em cada ângulo específico do eixo. O controlador não precisa contar os movimentos anteriores para saber a posição de um objeto; ele simplesmente lê a posição atual.

Esse sistema absoluto se estende a duas categorias distintas:

1. Codificador absoluto de uma volta: Esses codificadores fornecem um código exclusivo para cada posição em 360 graus de rotação. Se o eixo completar um círculo completo, o valor será redefinido. Isso é suficiente para braços robóticos ou válvulas que operam em um arco limitado.
2. Codificador absoluto multivoltas: Esses instrumentos registram as informações de posição em 360 graus, bem como o número de rotações completas. O codificador armazena o número de rotações por meio de engrenagem interna ou memória com bateria. Isso é necessário em aplicações lineares que são acionadas por parafusos de avanço, em que a distância total de deslocamento é maior do que uma rotação completa do eixo do motor.

Com os encoders absolutos, você passa da incerteza relativa para a posição absoluta. O dispositivo fornece posições específicas e dados de posição imediatamente.

Diferenças críticas de desempenho: Incremental vs. Absoluta

Quando vamos além da folha de dados, as diferenças teóricas na comparação entre o codificador incremental e o absoluto se manifestam como fatores críticos de desempenho. Devemos avaliá-las com base em três realidades específicas de engenharia: comportamento de inicialização, estabilidade do sinal (ou imunidade a ruídos) e velocidade de processamento.

Comportamento de inicialização e memória de posição

A primeira diferença operacional é a mais imediata: o comportamento de inicialização.

Usando um codificador incremental, o sistema inicia às cegas. Conforme explicado, a máquina entra em um estado não produtivo porque não tem memória de posição. Ela não é capaz de retomar seu trabalho, pois precisa se orientar. Essa necessidade de orientação não é apenas um inconveniente em operações de grande escala, como no caso de guindastes de pórtico, sistemas de armazenamento automatizados ou impressoras pesadas; é um sério risco operacional. Quando ocorre uma falha de energia quando um braço robótico está profundamente inserido em um chassi de carro em uma linha de montagem, não é possível fazer o homing sem o risco de colisão. O braço deve estar ciente de onde deve se retirar com segurança.

O codificador absoluto fornece memória de posição e preparação instantânea. Como a posição é determinada pelo padrão físico no disco, os dados são fornecidos milissegundos após a restauração da energia. Nenhum movimento é necessário. O codificador é solicitado pelo controlador e a coordenada precisa é fornecida. Esse recurso de memória de posição altera essencialmente a medida de segurança da máquina. Ele permite “reinicializações a quente”. Isso não é um luxo em infraestruturas críticas, como equipamentos médicos de escaneamento ou sistemas de controle de elevadores, mas um requisito de segurança. Um robô cirúrgico não pode ser solicitado a recalibrar seu ponto zero quando um paciente está na mesa.

Estabilidade do sinal em ambientes com alto nível de ruído

O ambiente elétrico nas indústrias é hostil. Elas contêm unidades de frequência variável (VFDs), equipamentos de soldagem pesados e painéis de distribuição de alta tensão. Esses dispositivos causam muita interferência eletromagnética (EMI). É aqui que a ideia de robustez será o fator determinante em sua escolha de encoder absoluto versus incremental.

Os codificadores incrementais são suscetíveis a EMI. Quando um pico de ruído é causado por um soldador próximo e provoca uma falsa tensão no cabo de sinal, o controlador pode interpretar o pico de ruído como um pulso. Por outro lado, um pulso legítimo pode ser suprimido por uma forte interferência.

O risco, nesse caso, é o erro cumulativo. Quando o controlador deixa de receber um pulso em milhares, a posição registrada não é a mesma que a posição real. O controlador não está ciente do fato de que perdeu um pulso. Ele continua contando o número errado. Esses pequenos erros se acumulam ao longo de horas de trabalho. Um robô soldador pode, em um dia, estar soldando 2 mm fora do alvo, o que resulta em um lote inteiro de produtos descartados. O erro continua até que a máquina seja desligada e realocada.

Os codificadores absolutos têm autocorreção. Eles não se baseiam em uma contagem contínua. Eles enviam uma palavra digital da posição atual.

Veja o exemplo de um caso em que a transmissão de dados é corrompida por ruído elétrico por mais de 10 milissegundos. O controlador pode receber dados inválidos durante esse curto período. Porém, quando o ruído parar, o pacote de dados seguinte do codificador absoluto será o novo código de posição correto, dependendo do ângulo do eixo no momento. O erro não é agravado. O sistema se recupera instantaneamente. Em aplicações de alta confiabilidade em que a integridade do sinal é fundamental, essa validação robusta de dados torna o codificador absoluto melhor.

Limites de velocidade e latência de processamento de dados

Embora os codificadores absolutos sejam superiores em termos de confiabilidade, a física do processamento de dados impõe várias limitações em termos de velocidade em comparação com os sistemas incrementais.

A frequência de pulso limita os codificadores incrementais. Quanto maior a velocidade do eixo, maior a frequência dos pulsos. Em algum momento, chega-se a um limite físico em que os componentes eletrônicos não conseguem ligar e desligar com rapidez suficiente, ou a capacitância do cabo transforma as ondas quadradas em uma bagunça ilegível. Mas, em seu alcance, os sinais incrementais são praticamente instantâneos.

Os codificadores absolutos são limitados pela latência e pela taxa de transmissão. Como o codificador precisa ler o padrão, codificá-lo em um protocolo digital (como SSI ou EtherCAT) e enviar esse pacote de dados para o controlador, ele tem um pequeno atraso de cálculo. Mesmo em aplicações de velocidade ultra-alta, essa latência, mesmo em microssegundos, deve ser considerada no loop de controle.

Além disso, o tempo do ciclo de comunicação determina a taxa de atualização dos dados de posição. Quando você precisa de feedback de velocidade em tempo real de um servomotor extremamente dinâmico, é necessário garantir que a taxa de comunicação do codificador absoluto seja maior do que o loop de controle do seu acionamento. Essa lacuna foi preenchida pelos modernos codificadores absolutos, embora, no monitoramento simples de velocidade bruta, o pulso direto de um codificador incremental ainda seja uma solução válida e de baixa latência.

Padrões de interface: Conectividade e integração do controlador

A escolha do hardware do codificador não é a única coisa a ser feita; é preciso garantir que ele seja compatível com o controlador. A complexidade da integração das duas tecnologias é muito diferente.

A conexão do codificador incremental é feita com fios rígidos. Normalmente, há três fios de saída (A, B, Z) e seus inversos, alimentação e aterramento. É necessário um módulo HSC (High-Speed Counter, contador de alta velocidade) no lado do controlador. O processador interno do PLC é necessário para processar a lógica e precisa ser programado para ler os pulsos de quadratura. A fiação é padrão, mas cabe à CPU do controlador fazer a contagem.

Os codificadores absolutos são nós de rede inteligentes. Eles precisam de determinados protocolos de comunicação. É nesse ponto que eles não podem ser comprometidos com sua arquitetura atual.

• Interfaces seriais (SSI/BiSS): A Synchronous Serial Interface (SSI) é o padrão de conexão ponto a ponto. Ela também é eficiente, usa menos fios e transmite dados de posição em sincronia com um pulso de relógio enviado pelo controlador. Esse padrão evoluiu bidirecionalmente para o BiSS, que suporta taxas de dados mais altas.
• Fieldbus e Ethernet (Modbus, EtherCAT, PROFINET): Os modernos encoders absolutos são frequentemente conectados diretamente à rede industrial. Um exemplo típico é um codificador EtherCAT que simplesmente se encaixa na porta Ethernet de um acionamento ou CLP. Isso permite que o controlador não apenas obtenha dados de posição, mas também dados de diagnóstico, como alertas de temperatura ou de vibração.

Análise de custos: Preço inicial vs. valor a longo prazo

É um fato objetivo: o preço de compra de um codificador absoluto é mais alto do que o de um codificador incremental. O complexo disco óptico e os chips de processamento integrados custam mais para serem fabricados. Entretanto, as decisões inteligentes de engenharia nunca são tomadas com base apenas no preço de etiqueta. Elas se baseiam no TCO (Total Cost of Ownership, custo total de propriedade).

É um fato objetivo: o preço de um codificador absoluto é mais alto do que o de um codificador incremental. O complicado disco óptico e os chips de processamento integrados são mais caros de produzir. No entanto, o preço de etiqueta nunca é usado para tomar decisões inteligentes de engenharia. Elas são baseadas no TCO (Total Cost of Ownership, custo total de propriedade).

Quando você decide economizar dinheiro no componente selecionando um codificador incremental, na verdade está apenas transferindo a despesa para outras partes do sistema. Você precisará comprar chaves de limite. É preciso pagar para que esses interruptores sejam montados e cabeados. O tempo de programação do CLP para escrever a rotina de retorno deve ser pago.

Mais importante ainda, você precisa considerar o custo do tempo de inatividade. Supondo que uma máquina necessite de 15 minutos para ser reinstalada a cada troca de turno ou falta de energia, e que a máquina esteja produzindo $1000 de produto por hora, o codificador incremental mais barato está lhe custando 250 por dia em perda de produtividade.

As implicações financeiras reais são as seguintes:

O codificador absoluto também pode ser recuperado em poucos meses em sistemas complexos de vários eixos, nos quais o hardware e a mão de obra para inicializar a posição são removidos.

Aplicativos do setor: Escolha com base no cenário

A tecnologia é definida, mas o uso determina a decisão. Nem todos os eixos exigem um endereço absoluto. A engenharia inteligente se preocupa com a quantidade adequada de tecnologia para o problema, sem excesso ou falta de especificação.

A seguir, apresentamos um guia de referência para o tipo de codificador mais adequado a uma situação industrial típica ao considerar soluções de codificadores absolutos ou incrementais:

Veredicto final: Otimizando seu sistema de automação

A escolha entre encoders absolutos e incrementais não é uma batalha de “melhor vs. pior”. É um cálculo de “ajuste vs. atrito”.”

Se a sua aplicação envolve controle contínuo de velocidade, contagem simples ou maquinário com orçamento limitado, onde o homing é um pequeno inconveniente, o Codificador incremental continua sendo um padrão confiável e econômico.

No entanto, se o seu sistema exigir inicialização imediata, operar em ambientes elétricos com alto nível de ruído, coordenar vários eixos ou representar um risco de segurança se a posição for perdida, o Codificador absoluto não é apenas uma atualização - é uma necessidade. O investimento inicial mais alto é retornado por meio de um projeto mecânico simplificado, menor esforço de programação e eliminação do tempo de inatividade.

Sua lista de verificação de seleção:

1. Segurança: O movimento inesperado durante o homing representa um risco? (Se sim -> Absoluto)
2. Tempo de inatividade: O tempo gasto com o homing da máquina está lhe custando a receita de produção? (Se sim -> Absoluto)
3. Meio ambiente: A instalação está próxima a VFDs, soldadores ou linhas de alta tensão? (Se sim -> Absoluto para imunidade a ruídos)
4. Função: A necessidade principal é o controle de velocidade (incremental) ou o controle de posição (absoluto)?

Na OMCH, nós não apenas montamos sensores; nós projetamos a certeza. Com mais de 38 anos de experiência em fabricação, oferecemos uma linha completa de codificadores que são personalizados para atender às necessidades do mundo. Mais importante ainda, nossos codificadores têm um design de compatibilidade universal, que é compatível com os principais protocolos do setor para proporcionar um handshake suave com uma variedade de interfaces de controladores. Apoiamos essa flexibilidade com padrões de qualidade intransigentes. Temos uma produção rigorosa que se baseia no sistema de gerenciamento ISO 9001, e todas as unidades estão em conformidade com as certificações CE, CCC e ROHS. Essa confiabilidade não é por acaso, é consequência de nosso rigoroso procedimento de inspeção em quatro etapas, que começa com a precisão dos testes de matéria-prima e culmina com um teste obrigatório de envelhecimento com carga total de 100%.

Não deixe que a incerteza de posição comprometa o desempenho de sua máquina. Entre em contato com um engenheiro da OMCH hoje mesmo, e deixe-nos ajudá-lo a selecionar a solução de feedback precisa que seu sistema de automação merece.