Небольшие знания имеют большое значение — знание и понимание преимуществ и ограничений датчиков и концевых выключателей может обеспечить наилучшую конструкцию системы перемещения.

Рэй Маркисс
Старший инженер-прикладник по автоматизации
Корпорация «Вэлин»

В системах управления движением часто упускаются из виду или неправильно понимаются две части: датчики, определяющие либо вращение двигателя, либо фактическое положение привода, а также датчики предела и начального положения, используемые для механической защиты и позиционной ориентации. Энкодеры широко используются практически во всех системах управления движением для промышленного применения. Датчики Home и limit также используются практически во всех областях применения. Однако, стремясь ограничить стоимость или предполагаемую сложность, производители оборудования могут решить, что использование домашнего датчика, а в некоторых случаях и датчиков ограничения, не требуется. Они либо ошибочно полагаются только на энкодер, либо не понимают, какой энкодер они используют.

Рассмотрим линейный привод для автоматизированной машины, который управляется контроллером движения или ПЛК для перемещения в программируемые положения вдоль своего хода.

Существует два основных типа энкодеров, обычно используемых для управления движением. Первым и, до недавнего времени, наиболее распространенным типом является инкрементный энкодер. Другой — абсолютный энкодер. Оба устройства похожи в той мере, в какой они отслеживают положение вращения двигателя, в основном подсчитывая импульсы.

Эти импульсы передаются обратно на контроллер движения для подтверждения положения привода. Эти импульсы могут быть преобразованы в технические единицы измерения в контроллере движения, так что положения могут отображаться и вводиться в легко понятных единицах измерения.

Для большинства применений принято устанавливать датчики по меньшей мере в трех различных положениях на приводе: один в известном механическом положении, используемом для выравнивания датчика двигателя и положения контроллера движения, и по одному на каждом конце предела хода привода. Обычно они называются датчиками “home” или “origin” и датчиками “limit” (положительный предел и отрицательный предел).

Абсолютные и инкрементные энкодеры
Также важно понимать различия между абсолютными и инкрементными энкодерами. Оба типа сообщают о своем местоположении контроллеру движения аналогичным образом. Технически это делается с помощью различных типов сигналов, но конечный результат в контроллере движения один и тот же. Важное различие заключается в том, как и когда устанавливается положение “дома” или “происхождения”. При использовании инкрементных датчиков механическое исходное положение устанавливается после цикла включения, чаще всего путем перемещения к исходному датчику. В процедуре поиска дома привод перемещается медленно до тех пор, пока датчик дома не обнаружит его. Затем контроллер движения устанавливает свой счетчик положения на известное значение, чаще всего равное нулю. С этого момента положение отслеживается с помощью данных, получаемых датчиком при перемещении привода. Отключение питания или сбой потребуют повторного выполнения процедуры поиска дома.

При использовании абсолютных энкодеров механическое исходное положение определяется так же, как и при использовании инкрементного энкодера. Разница заключается в том, что для резервного копирования энкодера используется один из нескольких методов, чтобы сбой питания не привел к повторному выполнению процедуры домашнего поиска. Поэтому эта процедура обычно выполняется только один раз при вводе машины в эксплуатацию. Независимо от того, используются ли абсолютные или инкрементные датчики, это не имеет никакого отношения к выполнению абсолютных и инкрементных перемещений с помощью контроллера движения, и ни один из них по своей сути не обеспечивает большей точности.

Прежде чем продолжить рассказ о том, как датчики limit и home работают с энкодером, важно отметить несколько моментов, касающихся абсолютных энкодеров; их преимуществ и способа резервного копирования их значений. Абсолютные энкодеры могут обеспечить существенную экономию времени на машинах с длинными приводами (скажем, 1 м или более), поскольку процедура поиска дома обычно выполняется медленно, при этом привод перемещается со скоростью менее 100 мм в секунду, пока он пытается найти датчик дома. С абсолютными энкодерами процедуру поиска дома можно пропустить, и работа машины может начаться быстрее после включения питания, поскольку эта важная информация о местоположении сохраняется во время включения питания.

Метод, используемый для резервного копирования абсолютных энкодеров, традиционно выполнялся с помощью батареек. Аккумулятор, подключенный либо к усилителю, либо к кабелю энкодера, подключенному к двигателю, используется для обеспечения энкодера достаточным питанием, чтобы он мог сохранять информацию о местоположении во время циклов включения. Процедура поиска по дому выполняется один раз, обычно при вводе устройства в эксплуатацию, и затем больше не требуется. То есть он не нужен до тех пор, пока не сядет батарея и информация с энкодера не будет потеряна. Это недостаток абсолютного энкодера.

В последние годы производители решили проблему с батареями, найдя способы хранения данных о местоположении без использования батареек. Существует несколько способов добиться этого, но работа энкодеров и информация, получаемая от них, остаются неизменными независимо от способа разрядки батареи. Теперь машиностроитель может воспользоваться преимуществами абсолютного энкодера, не беспокоясь о разрядке батареи. Кроме того, цена двигателей с абсолютными датчиками неуклонно снижается до уровня цен на двигатели с инкрементными датчиками. На самом деле, сейчас многие поставщики предлагают двигатели или приводы только с абсолютными датчиками без подзарядки.

Однако есть еще одно преимущество использования абсолютных энкодеров без батареи. Машиностроители часто сталкиваются с необходимостью создавать станки на заказ в сжатые сроки. Часто, когда используются абсолютные энкодеры, они не удосуживаются создать процедуру для простого “повторного наведения”, чтобы инициализировать абсолютный энкодер после разрядки батареи. Часто клиенты обнаруживали, что их машина больше не знает, где она находится, потому что разрядилась батарея, а в HMI и контроллере не было запрограммировано никакой процедуры, которая облегчила бы замену батареи и повторное самонаведение, что приводило к снижению производительности, пока они разбирались с этим.

Концевые выключатели
Концевые выключатели обычно находятся ближе к концу предельного хода привода на случай, если что-то пойдет не так, и контроллер движения не получит точных данных о положении. Это может произойти, если устройство оснащено инкрементным энкодером и может быть запущено перед домашним поиском. Концевые выключатели работают совместно с усилителем двигателя или контроллером движения, чтобы заставить двигатель остановиться в направлении движения, если активирован сигнал концевого выключателя (обычно, если он выключается). Эта простая функция может исключить повреждение машины в результате удара о жесткий упор на конце привода на высокой скорости.

Одна из практик, которую следует избегать, — это когда проектировщики хотят сэкономить немного денег или усложнить работу и просто установить один датчик на свой привод, потому что они используют абсолютные датчики. Предполагается, что этот датчик будет использоваться в качестве домашнего датчика во время инициализации абсолютного датчика при первом использовании. Впоследствии они считают, что нет необходимости в концевых выключателях, потому что машина знает, где она находится, и можно установить “мягкие ограничения”, чтобы убедиться, что оператор или операция не выходят за эти пределы. Однако опыт показывает, что затраты на домашние датчики и датчики ограничения с лихвой окупаются за счет экономии времени при использовании абсолютного датчика. Если при каждом включении машины экономятся минуты, то цена этих переключателей незначительна. Кроме того, они обеспечивают резервирование на случай непредвиденных ситуаций, которые могут возникнуть, и могут произойти события, которые лишат любой энкодер возможности передавать правильное положение обратно контроллеру движения. Например, незакрепленная муфта на соединении между валом двигателя и валом привода может привести к ситуации, когда привод находится не там, где, по мнению контроллера движения, он находится, поскольку в этом случае двигатель выйдет из синхронизации с приводом.

Если вы разрабатываете новое приложение для управления движением и рассматриваете основные элементы для этого управления (энкодер и датчики), не срезайте углы. Стоимость и сложность абсолютных энкодеров, а также преимущества их использования таковы, что их следует считать стандартом для обратной связи по положению. В то же время добавление простых и недорогих датчиков для домашнего и предельного положения значительно удешевляет приложение и обеспечивает преимущества, которые окупают затраты, поэтому их следует включать каждый раз.

Корпорация «Вэлин»
www.valin.com