编码器如何使自动运动安全

在其核心，自动化是由控制回路定义的，但自动化机器安全更贴切地描述为一个箭头。箭头的尖点通常是一个编码器，它可以让控制系统知道它在哪里，它移动的速度有多快。有了这些知识，系统不仅可以避免麻烦，还可以在遇到麻烦时采取适当的行动。

增量编码器只需要两个轨道来提供位移、速度和方向信息。然而，为了得到真实的位置，它们保持位移的总和。绝对编码器使用更多的空间，但始终报告真实位置。

当然，麻烦可以有多种形式。它通常是任何可能对机器本身或周围的人或设备造成伤害的事件。对于移动机械应用，此类事件包括侵入机器的工作空间，机器部件故障或电源中断。

Sick Stegmann的咨询设计工程师吉姆·马歇尔(Jim Marshall)说:“最大的机器安全问题是突然断电。”“在启动时，你需要知道轴的位置，而不需要实际移动它们。对于机床和换刀机来说，这一点至关重要，就像自动化仓库一样。”

编码器解码

Heidenhain自动化集团的全国销售和产品经理汤姆•怀亚特(Tom Wyatt)表示:“我们关心的是从位置和速度的角度控制机床轴。”

在所有的安全传感器(例如，光幕、接近开关和e -stop)中，只有编码器可以提前提供故障预警。所有类型的编码器都可以报告位置和速度。

编码器系统通常有三个主要组成部分:

• 一种源，如LED或永磁体，安装在机器的静态部分并提供稳定的激励。

• 编码器安装在机器的运动部件上，调节稳定的激励。

• 探测器接收调制信号并将其解码以产生指示位置和速度的电子输出。

最简单的例子是光学旋转编码器。怀亚特说:“在一个有轴承的封闭系统中，你有一个与轴承中心对齐的玻璃盘，还有一个定子部分，它容纳电子设备，并在磁盘转动时扫描磁盘。”

光源，通常是LED，提供对准检测器的窄光束，检测器可能是光电二极管。两者都牢固地安装在旋转关节轴承的定子侧。编码器是一个不透明的磁盘与透明槽或窗口在一个圆形图案安装在轴承的转子上。

当轴承旋转时，编码器交替允许光束通过(当窗口就位时)或阻挡它。因此，光电二极管输出交替地高、低电平以表示位置变化。光电二极管的输出随后进入电子电路，该电路将其解码为位置和速度读数。

最初，定子侧的电子设备是由独立的组件组成的。销售量和制造技术的改进使得一些商业供应商能够将大部分或全部定子侧电子设备集成到单个专用集成电路(ASIC)中。“专用集成电路使编码器更加可靠，”贝邓肯电子公司的业务发展经理约翰·平德罗指出。由于零件数量少，电气连接少，故障点少，因此可以实现更高的MTBF。”

一般来说，旋转编码器是一个完整的单元，封装在带有旋转轴的定子外壳中。外壳安装在轴承定子一侧，而轴与轴承转子耦合。商业单元通常在磁盘上有多个调制元素的“磁道”，以及用于这些磁道的多个检测器。

“我们提供具有互补输出的编码器，”BEI Duncan Electronics产品工程师Greg DePue说。“将会有A通道、B通道以及它们的互补通道。一些工程师使用补码来重复检查每个原始信号。”

分类

有两种非排他性的方法对编码器进行分类。它们可以是绝对的或增量的，它们可以是旋转的或线性的。

绝对编码器为编码器范围内的每个位置提供唯一的输出。有各种各样的编码方案，如格雷码和伪随机码。绝对编码器的最大优点是编码器不可能“丢失”。例如，灾难性的功率损失并不妨碍绝对编码器的功能。一旦恢复供电，它们就会立刻知道自己在哪里。它们最大的缺点是复杂性。

增量式编码器每改变一个分辨率单位的位置就发出脉冲。然后由控制电子设备来计数脉冲以跟踪实际位置。增量编码器非常简单。除了90°相移之外，提供规则波形的两个波段都是相同的，这就提供了位置、速度和方向信息。增量式编码器最大的缺点是，任何干扰其计数跟踪的因素——比如运动过程中的信号中断、电源故障、小故障、噪声或间歇性电子故障——都可能破坏系统的位置信息。

如上所述，旋转编码器包括具有以圆形图案应用的调制元件的旋转编码器盘。然后，磁盘在激发源和固定在编码器外壳上的检测器之间旋转。

线性编码器打开圆形图案，并将其放在长磁带上。因为线性编码器的测量范围可能是无限长的，所以它们可能不会被封闭在外壳中。更确切地说，磁带实际上可能安装在机器的静态部分，而源和检测器电子设备沿着它来回滑动，安装在机器的运动部分。

编码器和安全性

就像矛尖本身并不是一种武器一样，编码器本身并不能使系统安全。安全性是整个机器作为一个系统的属性。因此，机器安全规划是机器集成过程的一部分。机器安全规划始于正式的风险评估，这可以在机器生命周期的任何阶段进行，即使是对现有机器进行改造。风险评估最好从设计阶段开始。

风险评估

“风险评估将有助于确定是否需要一个简单的安全系统，一个需要某种速度监控的系统，或者其他类型的系统，”罗克韦尔自动化标准化业务的投资组合经理比尔·辛纳说。“风险评估将确定单个编码器产生的信息是否足以保护操作员。”

罗克韦尔自动化安全组件全球产品经理Kevin Zomchek表示:“在不监控速度的应用中，例如使用安全PLC，它将从机器中移除电源。编码器使我们能够监测机器在被命令停止后是否仍在运动，并采取相应的行动，例如限制人员进入该区域，直到机器检测到静止状态，或低于风险评估确定的安全速度限制。能够监控速度可以让机器制造商提高生产率，同时提供更安全的应用。”

一旦风险评估确定了潜在的故障模式，下一步就是提供一种缓解策略，使机器能够恢复。例如，如果机器是一台自动多轴钻床，对任何安全事件的明显反应将是保持工作夹具稳定并将所有主轴收回其机械停止。在那个“主”位置，使用增量线性编码器跟踪主轴位置的系统可以恢复其位置记忆。

然而，如果这台机器是一个多轴机器人，或者是一个输送系统，那么在不知道起点的情况下进行任何运动都可能导致灾难。在这种情况下，每个轴上的绝对编码器是必须的。

另一个重要的安全原则是冗余。安全机器系统的每个部件都需要备份。这也适用于编码器。

“安全编码器内部应该有两种独立的扫描方法，”怀亚特说。“你在扫描同一个磁盘，但你创造了两个位置或两个速度。控制器会比较它们，如果有差异，那就有问题了。”

当光伏电池将光转换成电信号时，一个结构化的刻度盘相对于扫描点旋转。刻度盘确定绝对位置。

两个频道都需要吗?

然而，在某些情况下，可能不需要两个通道都报告绝对位置。通过相对编码器和绝对编码器的备份，该系统可能能够达到SIL-3的典型安全完整性水平(SIL)。

一般来说，如何使用编码器来实现机器安全并没有一个通用的公式。一般来说，正确的安全系统设计，特别是机器安全编码器的正确使用，取决于考虑到整个机器及其操作环境的全面风险评估的结果。

在线额外

以下是两人在线交流的文字记录控制工程资深编辑C.G. Masi和德国SICK Stegmann GmbH安全和连接研发经理Simon Stein博士就编码器在机器安全系统中的使用进行了讨论。

CGM:机器安全的哪些方面涉及编码器?

Stein博士:编码器通常支持机器的位置或速度相关的安全功能。一个主要领域是与安全相关的电机反馈，其中编码器用于感知安全应用中使用的伺服驱动器的位置和速度。

按IEC相关标准

编码器的安全位置输出通常可以通过两种方式实现:

如果编码器支持后一种方法，则成本效益更高。这对于同步伺服驱动器是有用的，其中安全功能，如安全运行停止，可以通过比较编码器位置值和驱动器换相信息来监控。

其他驱动器(异步，直流)或一般机械通常必须依赖于冗余感测方法。在这里，位置的第二通道不能从其他来源获得，编码器必须单独满足冗余要求。

CGM:在机器控制应用中使用了哪些编码器技术?

Stein博士:除了安全技术(通道数，诊断覆盖范围)，编码器的基本传感器技术可以是通用的。只要这项技术允许必要的诊断覆盖，从安全的角度来看就没有障碍。

在我们公司，具有光学，磁性和电容传感技术的编码器用于安全应用。这就要求上述所有传感器技术都能够处理与编码器位置值相关的模拟、独立正弦和余弦信号。这两个信号必须遵循三角恒等式，即任何角度的正弦和余弦的平方之和必须为1，从而获得高诊断覆盖率。

CGM:这些编码器技术如何影响机器安全策略?

Stein博士:如上所述，传感技术对整体机器安全策略的影响有限。然而，编码器的安全结构影响着安全策略。

如果安全应用程序需要两个标准编码器，并可能在PLC内进行复杂的诊断，那么单个安全编码器就足以满足相同的功能。这种选择会影响成本和实现的容易程度。

CGM:围绕增量编码器的机器安全问题是什么?

Stein博士:增量式编码器只能支持与速度相关的安全功能(包括停止功能)。相比之下，绝对编码器可以启用与位置相关的安全功能。所有其他考虑适用于这两种编码器的变体。

作者信息

C.G. Masi是控制工程。与他联系:charlie.masi@reedbusiness.com

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