Как правильно выбрать абсолютный и инкрементальный энкодер для промышленной автоматизации

Промышленная автоматизация - это точность, и решение о том, на какой энкодер - абсолютный или инкрементный - будет потрачена ваша система, определяет эффективность этих затрат. Независимо от того, разрабатываете ли вы сложные приложения для управления движением или простого контроля скорости, понимание конкретных типов энкодеров имеет решающее значение. Поиск оптимального варианта между абсолютным энкодером и инкрементальным часто сводится к балансированию между стоимостью, соображениями безопасности и требованиями к производительности.

Это руководство охватывает широкий спектр применений, чтобы помочь вам решить, какой тип энкодера должен быть в вашей системе управления движением.

Инкрементальные энкодеры: Принципы и необходимость наведения

Для того чтобы понять, как работает инкрементальный энкодер, необходимо знать, какой выбор вам предстоит сделать. Это рабочая лошадка отрасли, которая отличается простотой аппаратной части.

В основе процесса лежит диск инкрементального энкодера - обычно это прозрачный диск с набором непрозрачных линий или отверстий. При вращении диска через эти прорези пропускается источник света, а фотодетектор формирует непрерывный поток электрических импульсов. Выходной сигнал обычно состоит из трех каналов: Сигнал A, Сигнал B и Сигнал Z (индексный сигнал).

Эти сигналы выглядят как квадратные волны. Частота этих импульсов определяет скорость системы, а количество импульсов - расстояние. Сравнивая разность фаз между сигналами A и B, система определяет направление движения (например, когда A опережает B, вал вращается по часовой стрелке). Контроллер подсчитывает эти импульсы, чтобы определить положение вала.

Но разрешение инкрементального энкодера сопровождается специфической эксплуатационной нагрузкой: понятием “наведение”.”

Инкрементная система, по сути, измеряет относительное положение. Она осознает только факт перемещения. При отключении питания системы энергонезависимая память, содержащая счетчик импульсов, стирается. При повторном запуске контроллера он считывает нулевое положение, независимо от фактического положения механического рычага или вала.

Чтобы функционировать, машина должна выполнить последовательность наведения, чтобы найти опорную точку. Она должна физически перемещать ось до тех пор, пока не сработает датчик, определяющий исходное положение. Это определяющая особенность инкрементальных энкодеров.

Абсолютные энкодеры: Уникальные коды и протоколы связи

Абсолютный поворотный энкодер - это решение проблемы потери положения, поскольку он меняет язык измерения. Он не выдает поток одинаковых импульсов. Вместо этого он присваивает уникальный код каждой позиции в пределах своего вращения.

Оптический диск абсолютного энкодера гораздо сложнее, чем инкрементального. Он состоит из нескольких концентрических полос, состоящих из непрозрачной и прозрачной частей. Когда свет проходит через эти дорожки, он создает параллельное цифровое слово - определенный шаблон из единиц и нулей.

Это означает, что для каждого конкретного угла поворота вала существует свой уникальный код. Контроллеру не нужно считать предыдущие движения, чтобы узнать положение объекта; он просто считывает текущее положение.

Эта абсолютная система включает в себя две различные категории:

1. Однооборотный абсолютный энкодер: Эти энкодеры обеспечивают уникальный код для каждого положения в пределах 360 градусов вращения. Если вал совершает полный круг, значение сбрасывается. Этого достаточно для роботизированных манипуляторов или клапанов, которые работают в пределах ограниченной дуги.
2. Многооборотный абсолютный энкодер: Эти приборы регистрируют информацию о положении в 360 градусах, а также количество полных оборотов. Энкодер сохраняет количество оборотов с помощью внутренней передачи или памяти с питанием от батареи. Это необходимо в линейных системах, приводимых в действие винтами, где общее расстояние перемещения превышает один полный оборот вала двигателя.

С абсолютными энкодерами вы переходите от относительной неопределенности к абсолютному положению. Устройство сразу же выдает конкретные положения и данные о положении.

Критические различия в производительности: Инкрементные и абсолютные

Когда мы выходим за рамки технического описания, теоретические различия в сравнении инкрементного энкодера и абсолютного проявляются как критические факторы производительности. Мы должны оценить их на основе трех конкретных инженерных реалий: поведения при запуске, стабильности сигнала (или помехоустойчивости) и скорости обработки.

Поведение при запуске и позиционная память

Первое операционное отличие - самое непосредственное: поведение при запуске.

Используя инкрементный энкодер, система запускается вслепую. Как объясняется, машина переходит в непроизводительное состояние, поскольку у нее отсутствует память положения. Она не может возобновить работу, ей необходимо сориентироваться. Необходимость в самонаведении - это не просто неудобство в крупномасштабных операциях, как в случае с козловыми кранами, автоматизированными складскими системами или тяжелыми печатными машинами; это серьезный операционный риск. При отключении питания, когда роботизированная рука глубоко погружается в шасси автомобиля на сборочной линии, самонаведение невозможно без риска столкновения. Робот должен знать, где ему следует безопасно отступить.

Абсолютный энкодер обеспечивает запоминание положения и мгновенную готовность к работе. Поскольку положение определяется физическим рисунком на диске, данные поступают через миллисекунды после восстановления питания. Никаких перемещений не требуется. Контроллер запрашивает энкодер и выдает точную координату. Эта функция памяти положения существенно изменяет меры безопасности машины. Она позволяет осуществлять “горячий перезапуск”. Это не роскошь для критически важных объектов инфраструктуры, таких как медицинское сканирующее оборудование или системы управления лифтами, а требование безопасности. Хирургический робот нельзя попросить откалибровать его нулевую точку, когда пациент находится на столе.

Стабильность сигнала в условиях повышенного шума

Электротехническая среда на промышленных предприятиях является неблагоприятной. Они содержат частотно-регулируемые приводы (VFD), тяжелое сварочное оборудование и высоковольтные распределительные устройства. Эти устройства создают множество электромагнитных помех (EMI). Именно здесь идея надежности будет определяющим фактором при выборе абсолютного или инкрементального энкодера.

Инкрементальные энкодеры чувствительны к электромагнитным помехам. Если всплеск шума вызван находящимся рядом сварочным аппаратом и приводит к появлению ложного напряжения в сигнальном кабеле, контроллер может интерпретировать всплеск шума как импульс. С другой стороны, реальный импульс может быть подавлен сильными помехами.

Риск в этом случае заключается в кумулятивной ошибке. Когда контроллер не получает один импульс из тысячи, зафиксированное положение не совпадает с фактическим. Контроллер не знает о том, что он пропустил один импульс. Он продолжает считать неправильное число. Эти мелкие ошибки накапливаются в течение многих часов работы. В один прекрасный день робот-сварщик может сварить на 2 мм не то, что нужно, и в результате получить целую партию брака. Ошибки продолжаются до тех пор, пока машину не выключат и не вернут на место.

Абсолютные энкодеры имеют функцию самокоррекции. Они не основаны на бегущем счете. Они передают цифровое сообщение о текущем положении.

Возьмем, к примеру, случай, когда передача данных искажается электрическими помехами в течение более 10 миллисекунд. В течение этого короткого промежутка времени контроллер может получать недостоверные данные. Но когда шум прекращается, следующий пакет данных абсолютного энкодера представляет собой новый правильный код положения в зависимости от угла поворота вала в данный момент. Ошибка не усугубляется. Система мгновенно самовосстанавливается. В высоконадежных приложениях, где целостность сигнала имеет первостепенное значение, такая надежная проверка данных делает абсолютный энкодер лучше.

Ограничение скорости и задержка обработки данных

Хотя абсолютные энкодеры превосходят по надежности, физика обработки данных накладывает различные ограничения на скорость по сравнению с инкрементными системами.

Частота импульсов ограничивает инкрементные энкодеры. Чем выше скорость вращения вала, тем чаще импульсы. В какой-то момент наступает физический предел, когда электроника не может включаться и выключаться достаточно быстро, или емкость кабеля превращает квадратные волны в неразборчивый беспорядок. Но в своем диапазоне инкрементальные сигналы практически мгновенны.

Абсолютные кодеры ограничены задержкой и скоростью передачи данных. Поскольку кодеру необходимо считать шаблон, закодировать его в цифровой протокол (например, SSI или EtherCAT) и отправить пакет данных в контроллер, он имеет небольшую задержку вычисления. Даже в сверхскоростных приложениях эта задержка, исчисляемая микросекундами, должна учитываться в контуре управления.

Кроме того, время цикла передачи данных определяет частоту обновления данных о положении. Если вам нужна обратная связь в реальном времени по скорости чрезвычайно динамичного серводвигателя, необходимо убедиться, что скорость передачи данных абсолютного энкодера выше, чем скорость контура управления вашего привода. Этот пробел устранили современные абсолютные энкодеры, хотя для простого контроля скорости прямой импульс инкрементального энкодера по-прежнему является приемлемым решением с низкой задержкой.

Стандарты интерфейса: Подключение и интеграция контроллеров

Выбор оборудования для кодирования - это еще не все, необходимо убедиться, что оно совместимо с вашим контроллером. Сложность интеграции двух технологий сильно отличается.

Инкрементный энкодер подключается жестко. Обычно имеется три выходных провода (A, B, Z) и их инверсии, питание и земля. На стороне контроллера необходим модуль высокоскоростного счетчика (HSC). Внутренний процессор ПЛК необходим для обработки логики, и он должен быть запрограммирован на считывание квадратурных импульсов. Проводка стандартная, но считать должен процессор контроллера.

Абсолютные энкодеры - это интеллектуальные сетевые узлы. Им требуются определенные протоколы связи. Именно в этом случае они не могут быть скомпрометированы с вашей текущей архитектурой.

• Последовательные интерфейсы (SSI/BiSS): Синхронный последовательный интерфейс (SSI) - это стандарт соединения "точка-точка". Он также эффективен, использует меньше проводов и передает данные о положении синхронно с тактовым импульсом, посылаемым контроллером. Двунаправленный интерфейс развивается в BiSS, который поддерживает более высокую скорость передачи данных.
• Полевая шина и Ethernet (Modbus, EtherCAT, PROFINET): Современные абсолютные энкодеры часто напрямую подключаются к промышленной сети. Типичным примером является EtherCAT-энкодер, который просто подключается к Ethernet-порту привода или ПЛК. Это позволяет контроллеру получать не только данные о положении, но и диагностические данные, такие как предупреждения о температуре или вибрации.

Анализ затрат: Первоначальная цена против долгосрочной стоимости

Это объективный факт: цена абсолютного энкодера выше, чем инкрементного. Сложный оптический диск и встроенные микросхемы обработки данных стоят дороже. Однако разумные инженерные решения никогда не принимаются только на основе цены. Они основываются на общей стоимости владения (TCO).

Это объективный факт: цена абсолютного энкодера выше, чем инкрементального. Сложный оптический диск и микросхемы обработки на его борту стоят дороже. Тем не менее, цена наклейки никогда не используется для принятия разумных инженерных решений. В их основе лежит совокупная стоимость владения (TCO).

Решив сэкономить на компоненте, выбрав инкрементный энкодер, вы, по сути, просто переносите расходы на другие части системы. Вам нужно будет купить концевые выключатели. Вам придется заплатить за монтаж и подключение этих выключателей. Необходимо оплатить время программирования ПЛК для написания процедуры самонаведения.

Самое главное, необходимо учитывать стоимость простоя. Если предположить, что машине требуется 15 минут на перестановку при каждой смене или отключении питания и что машина производит $1000 единиц продукции в час, то более дешевый инкрементный энкодер обойдется вам в 250 рублей в день за потерю производительности.

Фактические финансовые последствия таковы:

Абсолютный энкодер также может окупиться за несколько месяцев в сложных многоосевых системах, где отпадает необходимость в аппаратном обеспечении и трудозатратах на инициализацию положения.

Отраслевые приложения: Выбор на основе сценария

Технология определена, но решение зависит от использования. Не все валы требуют абсолютного адреса. Разумный инжиниринг заключается в том, чтобы подобрать соответствующее количество технологий для решения проблемы, не переборщив и не занизив спецификацию.

Ниже приводится справочное руководство по типу энкодера, который с наибольшей вероятностью подойдет для типичной промышленной ситуации при рассмотрении решений на основе абсолютных и инкрементальных энкодеров:

Окончательный вердикт: Оптимизация системы автоматизации

Выбор между абсолютными и инкрементальными энкодерами - это не битва “лучше-хуже”. Это расчет “подходит - не подходит”.”

Если ваша задача - непрерывный контроль скорости, простой подсчет или ограниченное по бюджету оборудование, где самонаведение является незначительным неудобством, то Инкрементальный энкодер остается надежным и экономически эффективным стандартом.

Однако если ваша система требует немедленного запуска, работает в условиях повышенного шума, координирует работу нескольких осей или представляет угрозу безопасности при потере положения, то Абсолютный энкодер это не просто модернизация - это необходимость. Более высокие первоначальные инвестиции окупаются за счет упрощения механической конструкции, снижения трудоемкости программирования и исключения простоев.

Ваш контрольный список выбора:

1. Безопасность: Представляет ли опасность неожиданное движение во время наведения? (Если да -> Абсолютный)
2. Время простоя: Приносит ли время, потраченное на наведение машины, прибыль? (Если да -> Абсолютная величина)
3. Окружающая среда: Находится ли установка вблизи ЧРП, сварочных аппаратов или высоковольтных линий? (Если да -> Абсолютная помехозащищенность)
4. Функция: Что требуется в первую очередь: контроль скорости (инкрементный) или контроль положения (абсолютный)?

В OMCH мы не просто собираем датчики, мы создаем уверенность. Имея более чем 38-летний опыт производства, мы предлагаем полный ассортимент энкодеров, которые адаптированы к потребностям всего мира. Что еще более важно, наши энкодеры имеют универсальную конструкцию, которая совместима с основными промышленными протоколами и обеспечивает бесперебойное взаимодействие с различными интерфейсами контроллеров. Мы поддерживаем эту гибкость бескомпромиссными стандартами качества. У нас строгое производство, основанное на системе управления ISO 9001, и все устройства соответствуют сертификатам CE, CCC и ROHS. Такая надежность не случайна, она является следствием нашей строгой четырехступенчатой процедуры проверки, начиная с точности тестирования сырья и заканчивая обязательным 100-процентным испытанием на старение при полной нагрузке.

Не позволяйте неопределенности в положении поставить под угрозу производительность вашей машины. Свяжитесь с инженером OMCH Сегодня мы поможем вам выбрать точное решение для обратной связи, которого заслуживает ваша система автоматизации.