编码器实现运动控制安全

发布时间：2010-03-30 作者：C．G．Masi，Control Engineering高级编辑

　　如果把机械安全比作一支利箭，那么编码器就是锋利的箭头。
　　自动化的精髓在于控制回路，但是人们似乎更乐于将自动化机械安全比作一支利箭。编码器就是这支利箭的箭头，帮助控制系统实现对位置和运转速率的掌控。有了这些信息，控制系统不但能够避免问题，还可以采取正确的动作将可能出现的问题拒之门外。
　　自动化系统会出现各种形式的问题。一般情况下，任何问题都可能对机械本身、人员或周围设备造成危害。对动态机械而言，这样的问题包括工作区域受干扰、机械部件失效或是电源抖动。
　　Sick Stegmann的顾问设计师Jim Marshall说：“机械安全方面最严重的问题当属突然断电。在你初次接手一套自动化系统时，你就应该在不移动部件的情况下确定转轴的位置。这一点对于机床和换刀装置尤其关键，对自动化仓储也同样重要。”

　　编码器解密
　　Heidenhain自动化部门的国内产品销售经理Tom Wyatt说：“我们关心的是机械轴位置和旋转速率。”
　　在形形色色的安全传感器（例如光幕、接近开关以及急停门禁监控设备E-stop）中，只有编码器能够提供问题预警功能。所有的编码器都能够提供位置和速率信息。
　　编码器一般包括3个主要模块：
　　■ 诸如LED或永磁体之类的信号源，安装在机械的静止部分，用来提供稳定的激励信号。
　　■ 编码器，安装在机械的运动部件上，对稳定的激励信号进行调制。
　　■ 检测器，接收调制信号并进行解调，从而产生出代表位置和速率信息的电信号。
　　光学旋转编码器可以说是一个最简易的实例。Wyatt解释道：“在一个带有轴承的封闭系统中，一片玻璃盘被安装在与轴承中心对齐的位置，而一个带有电路的固定件会在碟片转动时对它进行扫描。”
　　这种编码器工作时，光源（一般为LED）会向接收器（可能是一个光电二极管）发出一道狭窄的光束。光源和接收器都被严格安装在旋转连接轴承的静止部位。编码器是一个带有透明开口或小窗的遮光圆盘，被安装在轴承的转动部位。
　　轴承转动时，编码器会让光束交替通过（透过圆盘上的小窗口）。光电二极管则随着位置的变化输出对应的高电平或低电平信号。光电二极管的输出可以通过专门的电路，转化为位置和速率信息。
　　最初，固定件上的电路由分立元件构成。之后，随着需求量的上升以及制造技术的提升，一部分生产商已经能够将大部分电路集成到一片专用集成电路（ASIC）上了。BEI Duncan Electronics的商业开发经理John Pindroh指出：“ASIC的出现使得编码器更为可靠。随着模块、电路连接以及可能失效点数量的减少，编码器的平均故障间隔时间（MTBF）变长了。”　　

增量编码器仅需要两条通道就能够提供位移、速率以及方向的信息。但是，它们提供的位置信息与真实
位置之间存在一个差值。绝对编码器需要占用更多的通道，却能够在任何时刻提供正确的位置信息。

　　一般来说，旋转编码器是一个封装在固定外壳中，并带有一个旋转轴的完整装置。外壳被安装在轴承的静止部分，而转轴与轴承转子连接。商品化的装置往往在碟片上设置了多条用于调制的“通道”，并为这些通道相应配备了多个检测器。　　

光学旋转编码器包含了一个连接在轴承转子上的圆盘。圆盘上带有一些透光开口。
光束穿过开口后照射到一组光电二极管阵列上。光源以及光电二极管阵列可以采用紧凑型封装，
并连接到轴承的静止部分。来源：BEI Duncan Electronics。

　　BEI Duncan Electronics的产品工程师Greg DePue说：“我们提供带互补输出功能的编码器产品。这些产品有A通道、B通道以及它们的互补输出通道。一些工程师采用互补输出对原始信号作双重检验。”
　　一片特制的刻度盘相对于扫描点旋转；而光电池将光信号转换为电信号。刻度盘可以用来确定绝对位置。

　　分类
　　编码器主要依据两种方式分类。它们可以被分为绝对编码型和增量编码型，也可以被分为旋转编码型和线性编码型。
　　绝对编码器可以在编码范围内为每一个位置都提供一组唯一的输出信号。信号的编码形式有许多，例如格雷码和伪随机码。绝对编码器的最大优点是可以保证“不迷路”。举例说，如果遇到严重的电源丢失情况，绝对编码器的功能不会受到影响。供电恢复后，它们会准确地寻找到位置。这类编码器的最大缺陷是结构比较复杂。　　

一片特制的刻度盘相对于扫描点旋转；而光电池将光信号转换为电信号。刻度盘可以用来确定绝对位置。

　　增量编码器会在每次位置变动之后生成一组脉冲信号，前提是变化量必须达到最小分辨率。控制电路对脉冲进行计数，从而确定实际位置。增量编码的形式很简洁，只需要两条信号通道就可以提供位置、速率以及旋转方向的信息。这两条通道上的标准波形除了相位相差90°外，其他完全相同。采用增量编码器的最大缺陷是，任何对计数保持通道的干扰都可能破坏系统的位置信息。这些干扰可能是由运动中止、电源丢失、脉冲干扰、噪声干扰或者间歇性电路故障造成的。
　　增量编码器仅需要两条通道就能够提供位移、速率以及方向的信息。但是，它们提供的位置信息与真实位置之间存在一个差值。绝对编码器需要占用更多的通道，却能够在任何时刻提供正确的位置信息。
　　前面已经提到，旋转编码器包括一个带有调制位的旋转编码盘，调制位采用环形叠层方式排列。编码盘在激励源和检测器之间旋转，检测器安装在编码器壳体内。
　　线性编码器则是将环形叠层展开，排列在一卷“磁带”上。线性编码器的测量范围可以做到无限大，可能无法采用壳体封装。而且，“磁带”可能被安装在机械的静止部位，激励源和检测电路则被安装到运动部位，沿着“磁带”来回滑动。

　　编码器和安全性
　　就如同长矛的尖锥本身不是一件武器，编码器本身并不能保证系统的安全性。安全性是系统中所有机械设备的共同特性。而且，对机械安全性的评级也是机械整合过程的一部分。对机械安全性评级时，首先要做一次正式的危险性评估。这类评估可以在机械生命周期的任何一个阶段进行，甚至可以作为对现有机械的一种改进措施。相对而言，在设计阶段就开始风险评估的效果更好一些。

　　风险评估
　　Rockwell自动化的标准化业务部经理Bill Sinner说：“风险评估可以帮助我们在仅包含几种速率监控器的简易安全系统与其它类型的系统之间作出选择。它能够告诉我们，单个编码器提供的信息是否足以保证操作人员的安全。”
　　Rockwell自动化的全球安全产品经理Kevin Zomchek说：“在某些忽略了速率监控的应用中，如果采用了安全型PLC，机械的供电电压就可能随时被切断掉。如果某个机械在接收到停工指令后依然在运转，我们就可以利用编码器对其实施监控。在检测器检测到机械尚未停转，或是运行速率尚未降到风险评估所规定的安全速率以下时，我们可以限制人员进入操作区域。速率监控允许机械设计人员在较安全的应用中提升产量。”
　　风险评估明确了机械的潜在失效模式。紧接着要做的就是要提出一种解决方案，使机械恢复到正常状态。例如，一台自动化多轴直立钻床在遇到任何的安全问题时，都会保持支架不动并让所有的转轴停在当前位置。这时，一套采用增量线性编码器记录转轴位置的系统能够恢复定位功能。
　　但是，对于一台多轴机器人或是一部传输系统而言，在不确定初始位置的情况下就开始运转是无法消除问题的。这时，必须采用绝对编码器对每组转轴实施安全监控。
　　安全性方面的另一条准则是必须采用冗余。安全机械系统的每个部分都需要一台备用设备，编码器也不例外。
　　Wyatt说：“一台安全编码器内部需要具备两种独立的扫描模式。扫描同一片圆盘时，你可能得到两组关于位置和速率的数据。控制器会比对这两组数据。如果两者有差距，则说明系统存在问题。”

　　你需要双通道吗？
　　但是在某些情况下，用双通道采集绝对位置数据显得多余。在这些系统中，用一台相对编码器并辅以一台绝对编码器作为备用，就能够达到SIL-3系统安全等级（SIL），足以应付一般要求。
　　一般而言，不存在一种通用的法则——用编码器保障机械的安全性。用户需要对机械及其使用环境作一次完整的风险评估。然后以评估的结论为依据，找到合适的系统安全性整体设计方案以及能够保障机械安全的编码器使用方案。
　　翻译：翁思健