BAUMA展會全稱：中國國際工程機械、建材機械、礦山機械、工程車輛及設備博覽會，全球知名的展會，每兩年一次。今年的寶馬展11月27日至30日，在上海龍陽路的新國際會展中心開展。這些大型、重型設備上所選用的編碼器應該怎么選？其實還應該包括水利、鋼鐵、港口起重設備類別等大、重型機械所選用的編碼器怎么選。

這其中，就很有必要了解編碼器的等級標準的劃分：

 

在工程機械、建材機械、礦山機械、工程車輛及冶金、水利、港口機械等大型重型設備中，可靠性與安全第一的概念在控制中越來越重要，出于安全的要求，編碼器信號的可靠反饋直接涉及到控制安全可靠，而不可靠不合適的編碼器選型，會導致設備調(diào)試、維修人員不斷地去現(xiàn)場服務，造成調(diào)試維修工程師人工成本上漲，現(xiàn)場服務工程師不夠用的窘境。

 

這些設備的環(huán)境特殊性，決定了這些編碼器及傳輸?shù)倪x擇的特殊性：

A，現(xiàn)場復雜的工作環(huán)境，變頻器、大電機及高低壓電源系統(tǒng)，信號電纜常常與動力線一同布排，現(xiàn)場的電氣干擾很嚴重。

B，有些設備移動性，長移動距離，接地困難。

C，信號傳遞距離要求遠，信號數(shù)據(jù)的安全可靠性要求高。

D，信號傳遞實時性高，可靠，以保證更安全的控制反應。

E，很多是戶外使用，或惡劣環(huán)境下使用，對產(chǎn)品的工業(yè)等級的要求。

因此，編碼器的選型正確與否對于在重型機械設備中的使用非常關(guān)鍵。

 

編碼器選型需要確定哪些內(nèi)容？

首先是確定選擇的編碼器是作為速度閉環(huán)控制還是位置閉環(huán)控制，一般速度閉環(huán)控制選用增量編碼器，而位置閉環(huán)控制應盡量選用絕對值編碼器，尤其是盡量選用內(nèi)部沒有計數(shù)器的絕對值機械真多圈編碼器，有計數(shù)器的怕干擾，例如移動式車輛中的火花塞、電磁剎車、喇叭線圈等都是干擾源。

其次，如果是選用增量編碼器，需要考慮以下幾個重要參數(shù)：

編碼器的工業(yè)等級選擇：

標準工業(yè)級：在大型重型機械等設備中，編碼器應選擇此等級，各種標準工業(yè)環(huán)境設計，可適用于絕大部分的工況。需要提示的是，目前中國市場的很多日系品牌編碼器都是經(jīng)濟級別的，不太適合在此類別大重型機械上使用，包括一些歐系進口品牌的編碼器等級也達不到大、重型機械上的要求。符合大、重型機械使用的編碼器選型標準，其重要指標如下：

 

溫度等級：工作溫度一般要求為零下20度~70度。在戶外條件下（沒有空調(diào)環(huán)境下）使用的應該為零下25度~80度以上的。寬的溫度范圍不僅僅是可適用于這些極限溫度范圍，而且抗溫度沖擊波動的能力好。有些用戶以為使用的環(huán)境到不了這些溫度極限范圍，60度就夠了，但他們忽視了開機關(guān)機等溫度沖擊波動及長期連續(xù)使用較高溫度可能對器件的損壞。以及在夏天戶外的（或者沒有空調(diào)的）環(huán)境下使用，編碼器內(nèi)部功耗增大散熱差的溫度正反饋效應，而此時遇到干擾來時，功耗電流都對付干擾去了，設計量不夠抗干擾就會變得很差，而可靠性大大下降。零下25度——80度溫度范圍是可能戶外條件（沒有空調(diào)的環(huán)境下）的保證。

 

IP防護等級：編碼器的防護其實是分兩部分，轉(zhuǎn)軸與外殼電氣部分，轉(zhuǎn)軸由于是旋轉(zhuǎn)的，防水較難做，一般工業(yè)級的在IP64以上，如果要達到IP66以上，需要有特殊工藝，大部分在IP66以上的軸都轉(zhuǎn)起來很重的；而外殼電氣部分必然是IP65以上。反應在防護等級上的機械設計，往往是轉(zhuǎn)軸是雙軸承結(jié)構(gòu)，而外殼的封裝往往不依賴于外圓螺絲固定，而是一次擠壓+O型密封圈的密封封裝。（在編碼器的外殼外徑上看不到三個螺絲固定，如有三個螺絲固定，由于螺絲的頂入，而造成外圓輕微變形而不圓，影響密封性能）。有些用戶以為工作環(huán)境沒有塵、水汽的問題，怎么還會損壞呢？其實編碼器在工作與停機的變化中，由于熱脹冷縮的溫差而造成內(nèi)外氣壓差，防護等級差的編碼器（包括其他傳感器），會產(chǎn)生“呼吸性”水汽，由于壓差水汽吸入編碼器，因時間的積累而損壞編碼器。

 

電磁兼容性等級：電磁兼容性EMC一般要達到二級以上，包括浪涌、快速脈沖群、靜電等標準測試，這些指標，關(guān)系到編碼器在復雜電氣環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

 

電源等級：一般為寬電源，如10~30Vdc，帶極性短路保護。(有些單機儀表等級的為5Vdc±10%)。很多工業(yè)現(xiàn)場電源會有短瞬間的不穩(wěn)定，寬電源很重要，確保編碼器工作不受影響。

 

電氣保護等級：盡量選擇有電源極性保護、信號短路保護的有保護等級的編碼器，可避免工程及檢修中的接錯線、偶發(fā)事故而損壞編碼器。

 

振動沖擊等級: 雙軸承結(jié)構(gòu)，軸承可承受較高的振動、沖擊，標準工業(yè)級的編碼器振動等級10g，(有些可達20g)，抗沖擊等級100g。

 

內(nèi)部零件等級：內(nèi)部零件往往集成化、模塊化高，線路板貼片式焊接，三防處理。這需要了解供應商的誠信度、廠家的品質(zhì)管理積累年限

 

增量編碼器信號輸出形式，要推薦選用HTL-G6信號輸出

在這些設備應用中，5V長線驅(qū)動的信號電壓偏低，不利遠傳且較易損壞；集電極開路輸出NPN或PNP信號，與PLC的兼容性有局限性，負載能力低（20mA）也較易損壞,傳輸距離短(20-50米)。應選擇推挽式輸出的形式，兼容PLC的PNP型或NPN型的輸入端口，信號電壓高（10—30V）適于遠傳（100米），負載能力強（每通道50mA以上），絕大部分的歐系變頻器與PLC都接收這類信號。

 有關(guān)編碼器信號電纜與傳輸抗干擾的十個問題討論

 

盡量使用不含計數(shù)器的絕對值多圈編碼器，有計數(shù)器類別的為偽絕對值編碼器，其實與增量編碼器是一回事，在計數(shù)累加時一樣怕這些大重型機械的電磁干擾。

 

使用絕對值編碼器一定會比用增量式編碼器貴嗎？

沒有！從編碼器器件成本上說增量編碼器內(nèi)部器件少，成本價格確實低，但是從編碼器的如何使用并產(chǎn)生效果的角度說，絕對值編碼器如果選型得當，其使用的效果帶來的綜合成本，會低于選用增量值編碼器，為使用者大大節(jié)省成本。

 

什么情況下要選絕對值編碼器？

a,停電移動、慣性滑動的數(shù)據(jù)安全可靠性問題，對于一些需要高度、長度測量的安全性設備、較大型設備、起重類工程類設備，安全性是很重要的因素，為確保編碼器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠性，必須選用全行程絕對值編碼器。例如水閘、工程機械、起重機、電梯、門機等等的高度、長度測量。

 

b,信號抗干擾問題，增量信號較易受到各種干擾，數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定，對于各種現(xiàn)場不可預知的干擾會花很多精力去排查，并要設法避開干擾，有時所花費的人工成本遠遠大于一個編碼器，此情況下應考慮更換絕對值編碼器。例如各種自動化工程項目，對于現(xiàn)場的變頻器、開關(guān)電源、接地狀況不明的情抗下，無從判斷干擾情況，選用絕對值編碼器可以確保應對各種工況條件。

 

c,后續(xù)設備節(jié)省資源，增量編碼器需要高速計數(shù)不停的計數(shù)，耗費CPU資源，有時多個編碼器連接沒有更多的高速計數(shù)口，此時選用絕對值編碼器的串行輸出（如RS485）或總線型輸出，其實是節(jié)省了后續(xù)設備的資源而節(jié)省費用。“電子式絕對式”編碼器主要就是在這種情況下可用。例如需要多個編碼器比較的同步糾偏、多個編碼器聯(lián)動操作的流水線、加工機械等。

 

d,環(huán)境較惡劣的選擇，增量編碼器大部分是光學式的，易受水氣灰塵及振動影響而損壞，選用磁電式絕對值編碼器（單圈或真多圈）的可以避免這種損壞，而大大提高產(chǎn)品使用的壽命，而得到綜合效果更佳，使用成本更低。例如戶外使用的港口礦山機械、工廠的快速開門機等。

 

e,節(jié)省綜合成本，在一些不便于停機修正、更換、維修，或停機修正、更換、維修成本很高的場合下，用絕對值編碼器，因其數(shù)據(jù)的可靠性、產(chǎn)品的耐用性，可以大大減少售后服務人工成本，產(chǎn)品可長時間的使用效果，直接的是產(chǎn)品使用的綜合成本大大的節(jié)省了。例如一些高速運轉(zhuǎn)的流水線、較遠地區(qū)的管網(wǎng)系統(tǒng)（電動執(zhí)行器）。

 

大、重型機械設備使用中絕對值編碼器如何選型？

a,類型選擇，首先根據(jù)應用需要確定是選用增量編碼器還是絕對值編碼器，絕對值編碼器是選用單圈絕對值還是多圈絕對值編碼器。

 

b,信號選擇，根據(jù)自身現(xiàn)有編碼器接受設備的信號接口，選擇匹配的絕對值編碼器信號輸出接口。模擬信號、數(shù)字信號選擇，并行、串行、總線選擇，（參見絕對值編碼器信號文章從SinCos到TSN，絕對值編碼器信號有多少種?）。

 

信號的選擇應考慮到大、重型機械設備的現(xiàn)場服務與維修的方便性，以多年的經(jīng)驗比較下來，4--20mA的模擬電流信號的輸出最受此類設備的歡迎：比電壓型信號抗干擾，比數(shù)字型信號方便，一個萬用表電工就可以在現(xiàn)場檢查信號，選擇方便性就是省錢。

 

c,分辨率與量程（圈數(shù)），根據(jù)應用需要，選擇編碼器每圈的分辨率（位數(shù)）以及測量行程（多圈數(shù)）要求。

 

d,工作環(huán)境與編碼器等級，編碼器一般分為芯片級（需二次開發(fā)再可使用）、經(jīng)濟級（僅用于小型設備單個使用）、標準工業(yè)級（各種設備、戶外設備、各種自動化工程項目）、特殊工業(yè)要求。應根據(jù)實際使用工況選擇編碼器等級，大、重型機械設備絕大部分情況下應該選擇標準工業(yè)等級。

 

e,外形安裝，根據(jù)機械設備的安裝要求選擇編碼器安裝法蘭形式，編碼器有軸型或軸套型安裝方式。

 

f,電氣參數(shù)，電氣參數(shù)包括工作電壓、耗電流、信號匹配要求（包括編碼形式及邏輯關(guān)系）等，電子響應頻率及轉(zhuǎn)速，信號輸出距離及電纜或接插件要求。

 

g,性能保證，溫度等級、抗震動等級、防護等級、EMC等級、電氣沖擊或保護等級，質(zhì)保期。

 

h,服務及維修。

 

絕對值編碼器等級及性能參數(shù)為什么很重要？

正確了解選型編碼器的等級及性能參數(shù)，而不是只迷信“進口”與“國產(chǎn)”的不同，是編碼器能否使用以及能否確保用好、用長的重要步驟。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)旋轉(zhuǎn)編碼器的使用效果不佳或損壞，編碼器的各種損壞與現(xiàn)場信號被干擾，超過50%以上的因素是編碼器的選型不當所造成的，包括選用“進口”“知名品牌”選錯了一樣受害。選用經(jīng)濟等級編碼器用于大重型設備中是最常見的錯誤，選用內(nèi)部含有計數(shù)器的假絕對值編碼器也是經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤。調(diào)試時蠻好的到了現(xiàn)場出現(xiàn)問題，或者在某些地方某些時段用得蠻好的而在有些地方（或某些時段）出現(xiàn)問題，是最常見的困惑，這都是因為選型時沒有選擇工業(yè)等級的編碼器以及不含計數(shù)器的絕對值編碼器，對于各種工況復雜性預判輕視的錯誤而造成的，其返工調(diào)試、維修、更換、停工所造成的損失，遠遠大于一個編碼器的價格，尤其是編碼器使用不可靠引起的停工損失、安全事故、形象傷害，是應該在選型時就要極力避免的。

 

編碼器外殼的無螺絲全密封一次性擠壓封裝有什么意義？

編碼器外殼的無螺絲全密封封裝，可以避免因螺絲擠壓的外殼變形縫隙、材料熱脹冷縮率不同的縫隙出現(xiàn)而密封下降、因使用震動而封裝螺絲松動的密封性下降等等，確保編碼器外殼始終具有高防護等級IP67；同時由于全密封一次性擠壓封裝不便于編碼器損壞后維修，這也要求編碼器內(nèi)部器件的品質(zhì)要求很高，返修率極低而無需考慮返修，這代表了此類編碼器的品質(zhì)等級很高。

 

推薦選擇不銹鋼外殼封裝的編碼器

不銹鋼外殼一次性無螺絲封裝的編碼器，不僅僅是IP防護等級的可靠性高，而且編碼器外殼的耐腐蝕、抗擊打、抗振動等級更高。尤其是在沿海使用，要求抗海風鹽分；在礦山機械使用，要求不可用鎂鋁輕金屬材料做外殼；在粉塵環(huán)境差的大重型設備上便于水槍沖洗，在食品、醫(yī)藥包裝上要求便于清洗消毒。

 

從另一個方面看，不銹鋼外殼一次封裝的編碼器，由于拆開維修的難度高，要求內(nèi)部器件的可靠性很高，不容易壞，維修率很低。從編碼器長期使用性減少停機維修，就能為用戶大大節(jié)省使用成本與售后服務成本。

建議選擇磁電式絕對值編碼器

很多編碼器是光學式的，光學系統(tǒng)的編碼器內(nèi)部信號讀取需要對準碼道及刻線，在震動環(huán)境下容易對錯碼道刻線而數(shù)據(jù)抖動或出錯，而造成后續(xù)讀取設備的數(shù)值錯誤，有些是玻璃碼盤的容易震動損壞。而磁電式絕對值編碼器為感應型正交差分消除，對于震動帶來的距離及位置微小變化正交對消除，所以對于震動不敏感，而不會數(shù)據(jù)跳變出錯。同時磁電式編碼器沒有光學系統(tǒng)玻璃碼盤，不容易損壞，因此在振動較大的環(huán)境下，建議選擇磁電式絕對值編碼器。磁電式絕對值編碼器相對來說是精度略低，但是振動較大情況下基本對應精度要求都不高，為此磁電式絕對值編碼器的精度較低的缺點也不會有影響。

 

拉繩直線編碼器的選擇

在大、重型機械上使用的編碼器，很多場合下為機械結(jié)構(gòu)的安裝方便，選擇了拉繩直線編碼器，這類應用的精度要求不高，而可靠性與方便性是主要目的。

 

可靠性：拉繩鋼絲繩的耐用性，彈簧使用次數(shù)的耐用性，以及同樣的防塵防水氣IP等級要求。鋼絲繩一般要求為不銹鋼材料，有些表面會有涂塑要求；彈簧使用次數(shù)的耐用，應選擇較大于實際量程的而用時不超過70%的量程，彈簧的使用壽命是以全量程拉伸計算的，當使用不超過70%，彈簧壽命可以大大延伸。

一體型拉繩直線絕對值編碼器

 

編碼器與拉繩直線傳感器的結(jié)構(gòu)，盡量設計為一體型結(jié)構(gòu)，體積更小、密封性更好、機械安裝的精度更高。

 

信號輸出應為電流輸出型的4—20mA為最佳，電流信號相較于電壓信號的抗干擾性要好，而一臺萬用表即可檢查信號，大大便于維修檢查。當然，如果用絕對值多圈編碼器的4—20mA輸出更佳，不可用電位器。本文講的就是編碼器。