詳解編碼器通信方式的變革

最早的方波增量信號，到帶換相信號的方波增量信號，再到絕對值和正余弦增量的復合信號，以及最新采用數(shù)字式高速通信協(xié)議的絕對值型編碼器，電機編碼器的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)代的變革。

與之對應，用于檢測機械設(shè)備狀態(tài)的編碼器，也經(jīng)歷了幾代的發(fā)展歷程，其中，又以編碼器通信方式的變革最為顯著。

通信方式的變革

最早期的絕對值型編碼器，采用并口輸出。

一根線芯代表輸出二進制位置值的一位。這樣一來，一個 10 位(也就是 1,024 步)的編碼器，就需要 12 芯(10芯信號 + 2 芯電源)的通信電纜。

誕生于 1985 年 SSI(串行同步總線)接口，只用 6 芯(4 芯通信 + 2 芯電源)電纜，就能夠達到信號的同步傳輸，很好的解決了電纜數(shù)量的問題。

然而，SSI 總線只能支持點到點的信號傳輸。如果設(shè)備上有多個編碼器，則分別需要多根編碼器電纜與控制器一一連接。隨著各種基于 RS485 的工業(yè)總線(如，PROFIBUS, DeviceNet, CANOpen...等)的普及，編碼器如同其它傳感器設(shè)備一樣，也實現(xiàn)了工業(yè)網(wǎng)絡通信。

如今，工業(yè)網(wǎng)絡通信已經(jīng)全面進入了工業(yè)以太網(wǎng)時代(如：PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, POWERLINK...等)，編碼器的通信也毫無懸念的轉(zhuǎn)向了相應的工業(yè)以太網(wǎng)。

基礎(chǔ)架構(gòu)的改變，帶來的不僅僅是通信速率的提升，更是觀念的改變。就像手機一樣，進入 4G 時代以后，不僅僅是手機的音質(zhì)更加清晰了(其實 3G 的帶寬就已經(jīng)足夠傳輸高品質(zhì)語音了)，而且手機能夠承載更多、更加復雜的任務，例如流暢的視頻電話和高清的在線視頻播放等。

那么，對于編碼器來說，其智能化將會呈現(xiàn)出怎樣的趨勢呢?

看待未來的發(fā)展，我們必須先從需求談起。傳統(tǒng)的編碼器，無論是增量型或者絕對值型的編碼器，通常只能夠采集和傳輸角度或長度的位置及其變化信息，這些信息對于運動控制來說至關(guān)重要。然而，隨著工業(yè)生產(chǎn)效率的提升，工業(yè)安全意識的增強，對于運動控制反饋的也提出了更高的要求。于是，我們不難看出新一代工業(yè)編碼器的發(fā)展方向。

分辨率和精度的提升

對于速度控制而言，位置分辨率是一個非常關(guān)鍵的因素。因為當速度較快時(如：6,000 rpm 以上)，為了精確反饋實時的位置信息，就需要編碼器有著極高的位置刷新頻率。這一方面要求編碼器本身的角度/位置分辨率足夠精細;另一方面，信號傳輸?shù)乃俣纫惨銐蚩?，以便能夠?qū)⒉杉降奈恢眯畔崟r的傳遞到控制器中。

更高的通信速率

一般工業(yè)以太網(wǎng)的編碼器，比如 PROFINET，可以達到 1ms 的刷新周期。 而在 EtherCAT 網(wǎng)絡中，通過分布式時鐘可以使得最小循環(huán)時間達 100μs 以內(nèi)，這已經(jīng)非常接近高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置環(huán)循環(huán)周期(62.5 μs)。

設(shè)備層拓撲結(jié)構(gòu)

線性或者樹形的拓撲結(jié)構(gòu)，很好的解決了靈活布線的問題，但是系統(tǒng)卻會面臨著因意外故障或斷線而中斷的風險。

在 EtherNet/IP 網(wǎng)絡中，DLR (Device Level Ring)功能的出現(xiàn)，很好的解決了這個問題。將雙網(wǎng)口的編碼器與系統(tǒng)中其他元件首尾相連，形成一個具有更高可靠性的閉環(huán)回路，當環(huán)路中出現(xiàn)斷線故障時，系統(tǒng)會立即檢測到信號傳輸?shù)闹袛啵⑶以谇袚Q至旁路的同時發(fā)出警報。這樣一來單個電纜中斷將不會導致其他節(jié)點和整個系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構(gòu)

OPC UA 定義了統(tǒng)一的架構(gòu)(Unified Architecture)，使得機器與機器之間的自動化通信更加流暢。這種架構(gòu)不限制操作系統(tǒng)或是編程語言，是一種面向服務的架構(gòu)( SOA )，從智能傳感器、智能執(zhí)行機構(gòu)一直到控制系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡，都具有強健的信息安全特性和可擴展性。

OPC 基礎(chǔ)服務是一套抽象的數(shù)據(jù)應用描述，和通訊協(xié)定無關(guān)，是 OPC UA 機能的基礎(chǔ)。傳輸層將方法轉(zhuǎn)換為通訊協(xié)定，將資料序列化(或反序列化)，再傳送到網(wǎng)絡上。 為了上述目的，定義了兩種通訊協(xié)定，其中一個是以效率進行過優(yōu)化的二進制 TCP 訊定，另一個則是 Web 服務導向的協(xié)定。

更靈活的配置

另一方面，位置和速度的單位偏好也會因客戶習慣而有所不同，多種可選的輸出單位，可以使應用配置的導入達到事半功倍的效果。為了最大限度的提高生產(chǎn)效率，預設(shè)值的設(shè)置還需要具有實時的在線功能。即使在設(shè)備運轉(zhuǎn)時，也可以與控制循環(huán)同步進行絕對位置調(diào)整(也稱為“偏移調(diào)整”)而無需停機。

觸手可及的診斷信息和生命周期運行數(shù)據(jù)

設(shè)備的當前運行狀態(tài)如何?一旦出現(xiàn)故障，有哪些診斷數(shù)據(jù)?這些情況，用戶是需要第一時間了解的。因此，全面的故障警告和報警信息尤為重要。

然而，大部分的故障都是事前有征兆的，這也就是預防性維護的重要性。要在故障發(fā)生前排除隱患，通常有兩個辦法：定期排查或者有針對性的檢查。

定期的做法，雖然避免了意外停機造成的損失，但是需要耗費大量精力和成本，因為不同設(shè)備的運行頻率和狀態(tài)各不相同。

通過采集和儲存的診斷信息和生命周期數(shù)據(jù)，可以極大的提高預防性維護的效率。智能編碼器通常能夠處理上電時長、旋轉(zhuǎn)時長、工作轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度...等生命周期內(nèi)的維護數(shù)據(jù)，以便于設(shè)備維保人員有針對性的進行預防性維護。