光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。

下面以國產(chǎn)長春光機(jī)所的LF型光電編碼器配合三菱FX系列PLC在礦山提升機(jī)上的應(yīng)用為例加以說明。

1?光電編碼器的應(yīng)用

從我們多年使用LF型光電編碼器的情況看，其使用性能良好，在角度測(cè)量、位移測(cè)量時(shí)抗干擾能力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào)，且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測(cè)量的數(shù)字信號(hào)。因此，我們?cè)诘V井提升機(jī)電控系統(tǒng)中需要作為位置和速度測(cè)量時(shí)，對(duì)礦井提升深度的測(cè)量選用LF-102.4CF型光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選用1024個(gè)脈沖/圈，考慮到與之配套的PLC的高速計(jì)數(shù)口的計(jì)數(shù)頻率問題，也可選用2048個(gè)脈沖/圈的，這取決于系統(tǒng)要求的精度。工作時(shí)編碼器既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)根據(jù)編碼器旋轉(zhuǎn)的方向判定提升機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

1.1?在提升機(jī)位置測(cè)量方面的應(yīng)用

采用LF-102.4CF型旋轉(zhuǎn)式增量型光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與提升機(jī)滾筒軸頭的輸出傳動(dòng)軸相連。當(dāng)提升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光電編碼器產(chǎn)生光電計(jì)數(shù)脈沖，被PLC的高速計(jì)數(shù)口捕獲，由于從提升開始點(diǎn)到停車點(diǎn)之間的距離是一定的，因此提升機(jī)滾筒所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)是固定的，所以滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)增量型編碼器所計(jì)的總脈沖數(shù)是一定的，反之滾筒反向旋轉(zhuǎn)時(shí)其所計(jì)的總脈沖數(shù)減少也是一定的。根據(jù)這種原理，我們可以通過判斷所計(jì)脈沖數(shù)的多少，通過計(jì)算可以得出目前實(shí)際的提升深度是多少。具體方式是：①將提升容器提至井口正確停車位置；②將PLC編碼器計(jì)數(shù)寄存器中計(jì)數(shù)值清零；③慢速開車至井底準(zhǔn)確停車點(diǎn)；④將PLC編碼器計(jì)數(shù)寄存器中計(jì)數(shù)值讀出，并將此時(shí)的總計(jì)數(shù)值被總井深值去除，得到計(jì)數(shù)系數(shù)；⑤將實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)系數(shù)相乘，得到深度值。

1.2?在速度測(cè)量方面的應(yīng)用

采用LF-102.4CF型旋轉(zhuǎn)式增量型光電編碼器，還可以對(duì)提升機(jī)的提升速度進(jìn)行測(cè)量。具體原理是PLC可以在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，如200ms，對(duì)高速計(jì)數(shù)口在該段時(shí)間內(nèi)所得到的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行測(cè)量。因此當(dāng)提升速度快時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度加快，單位時(shí)間內(nèi)捕獲的計(jì)數(shù)脈沖就多；反之，當(dāng)提升機(jī)慢速運(yùn)行時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢，單位時(shí)間捕獲的脈沖數(shù)就少。計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)所捕獲的脈沖數(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算可精確算出提升機(jī)的運(yùn)行速度。有些PLC本身就帶有根據(jù)脈沖數(shù)專門設(shè)置的運(yùn)算命令，使用時(shí)只要調(diào)用該命令，并輸入脈沖數(shù)就可以了，非常方便。

光電編碼器進(jìn)行提升速度計(jì)算在提升機(jī)速度保護(hù)方面具有非常重要的意義，它使過去依賴測(cè)速反饋發(fā)電機(jī)作為速度保護(hù)的單一手段更加豐富，從而大大提高了提升機(jī)的安全性。

1.3?在提升機(jī)錯(cuò)向保護(hù)方面的應(yīng)用

LF-102.4CF型旋轉(zhuǎn)式增量型光電編碼器，在提升機(jī)的錯(cuò)向保護(hù)方面還可以得到應(yīng)用，由于增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。而提升機(jī)給出運(yùn)行方向，由于某種原因?qū)嶋H滾筒旋轉(zhuǎn)方向與給出的方向相反，我們稱為錯(cuò)向，錯(cuò)向?qū)μ嵘龣C(jī)的運(yùn)行是不允許的，由于光電編碼器的上述特性，我們可以很方便地判斷出滾筒的實(shí)際運(yùn)行方向是否與給定方向一致，不一致時(shí)馬上加以保護(hù)。由于光電信號(hào)速度很快，因此判斷方向非常靈敏，相比過去采用測(cè)試測(cè)速發(fā)電機(jī)所發(fā)電壓極性來判斷滾筒實(shí)際轉(zhuǎn)向的方法來說可靠性大為提高。

2?應(yīng)用中問題分析及改進(jìn)措施

2.1?應(yīng)用中問題分析

光電編碼器都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在使用中暴露出一些缺陷，其有內(nèi)在因素也有外在因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)光電編碼器因機(jī)械接口等原因而引起的移位或松脫，導(dǎo)致編碼器不能可靠地接收到光信號(hào)或計(jì)數(shù)值發(fā)生丟失的現(xiàn)象。例如：光電編碼器應(yīng)用在提升系統(tǒng)中，因光電編碼器是直接用螺栓固定在提升機(jī)主軸的傳動(dòng)軸上，中間是彈性軸聯(lián)接器，如果安裝時(shí)位置過于偏置，造成彈性聯(lián)軸節(jié)傾斜過度，失去彈性作用，因電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載發(fā)生振動(dòng)時(shí)，這樣的振動(dòng)速度會(huì)損壞光電編碼器的內(nèi)部功能，造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動(dòng)作。還有就是由于編碼器是在不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)中，當(dāng)彈性聯(lián)軸節(jié)的固定不緊時(shí)，會(huì)發(fā)生松脫現(xiàn)象，造成計(jì)數(shù)過程中突然丟失脈沖，如果丟失嚴(yán)重的話，會(huì)算出錯(cuò)誤的數(shù)值，造成井深深度指示不對(duì)，或誤報(bào)速度故障。

(2)因光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置不能可靠地工作。例如在提升機(jī)天輪上安裝的用于防滑保護(hù)的編碼器，由于環(huán)境不好，夏天溫度過高，冬天溫度過低，雨天濕度過大等原因而導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞而誤發(fā)出信號(hào)。

(3)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾源，對(duì)光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電編碼器脈沖輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤計(jì)數(shù)。例如：光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至控制PLC的距離一般在20～100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由于電纜的導(dǎo)線電阻及線間電容的影響再加上和其它電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起脈沖波形失真，從而使計(jì)數(shù)信號(hào)發(fā)生偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。

2.2?改進(jìn)措施

改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器盡量不直接安裝在有震動(dòng)的負(fù)載外殼上，最好制作一固定支架來獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動(dòng)機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動(dòng)機(jī)沖擊負(fù)載對(duì)光電編碼器的機(jī)械沖擊。固定軸聯(lián)接器和傳動(dòng)軸之間的頂絲和固定鍵要經(jīng)常檢查，以防松脫。

合理選擇光電編碼器輸出信號(hào)傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性：一是對(duì)電纜受到的電磁干擾具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，因?yàn)榭臻g電磁場(chǎng)在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消；二是互絞后兩線間距很小，兩線對(duì)干擾線路的距離基本相等，兩線對(duì)屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對(duì)抑制共模干擾效果更加明顯。傳輸電纜最好單獨(dú)敷設(shè)，并遠(yuǎn)離變頻器，直流機(jī)車，電焊機(jī)等干擾強(qiáng)烈源。有時(shí)在高速計(jì)數(shù)口上加裝濾波電容，也可有效地排除高頻干擾。

利用PLC軟件監(jiān)控或干涉。在PLC程序中對(duì)某些保護(hù)，如錯(cuò)向和斷軸保護(hù)，設(shè)置一定的時(shí)間濾波，或在深度計(jì)算時(shí)，設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)有效距離也可在軟件上排除誤動(dòng)作。

3?結(jié)語

以上只是談了一些光電編碼器在礦山提升機(jī)電控系統(tǒng)上的一些基本用法，實(shí)際應(yīng)用中光電編碼器還有許多功能，其在電控系統(tǒng)中的重要性也越來越顯示出來。因此，目前在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中，光電編碼器的數(shù)量正在逐步增加，一個(gè)系統(tǒng)中最多時(shí)可用到3～4只光電編碼器。光電編碼器的應(yīng)用是和PLC近年的發(fā)展離不開的，目前在我國礦山系統(tǒng)中所涉及的一些電控領(lǐng)域，都會(huì)看到它的身影。

光電編碼器本身是由電子元器件構(gòu)成，它對(duì)安裝方式和環(huán)境有一定的技術(shù)要求，特別是在較惡劣環(huán)境下使用要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以使光電編碼器工作在其產(chǎn)品要求的技術(shù)條件下，才能發(fā)揮裝置的技術(shù)性能。否則光電檢測(cè)裝置的使用壽命及其工作的可靠性都將受到不同程度的影響。