传感器在WK35电铲中的应用研究

王清心，高方欣

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特026000）

机电与自动化

传感器在WK35电铲中的应用研究

王清心，高方欣

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特026000）

分别介绍了光电式位移传感器和霍尔式测速传感器的工作原理及其在WK35电铲中的具体应用，并以一个故障实例说明了测速传感器在WK35电铲中的作用及安装注意事项。通过对比指出了位移传感器和测速传感器之间存在的差异，为其他维修人员提供参考。

WK35电铲；位移传感器；测速传感器；故障

0 引言

随着我国机械制造水平的日渐提高和露天采矿事业的发展壮大，由太原重工股份有限公司自主研发的WK-35电铲目前广泛应用于各矿山企业中。WK35电铲采用大量国内外先进技术，适用于大型露天煤矿、铁矿及有色金属矿山的剥离和采装作业，其理论生产能力达4 200 m3/h，实际生产能力也达到了700万m3/a。

在WK35电铲的整个电控系统中存在着很多的传感器，其中以限制提升、推压机构运动位置的位移传感器和检测提升电动机、回转电动机及推压电动机速度的测速传感器最为重要。如果上述两种传感器在电铲运行过程中出现故障的话，将有可能造成极为严重的机械事故，例如铲斗撞裂天轮、提升电动机失控造成铲斗砸裂卡车厢斗等故事故。为了尽量避免严重机械事故的发生，提升维修人员对上述传感器的认识，就光电式位移传感器和霍尔式测速传感器在WK35电铲中的具体应用及故障实例进行相关的介绍及分析。

1 传感器的概念

传感器是一种信号检测转换装置，将检测到的被测量的信号按照一定规律转换成所需要的信号形式输出，用来满足用户的要求[1]，主要由敏感组件、转换组件、转换电路和供电电源4部分组成[2]。在WK35电铲中存在许多种类的传感器，例如空压机里有温度传感器，润滑系统里有油流传感器，电动机里有测速传感器，提升机构里有位移传感器。

2 光电式位移传感器的工作原理

2.1 位移传感器在WK35电铲中的选型

位移传感器又称为线性传感器，是将被测物体的机械位移过程转换成连续变化的电信号。常见的传感器主要有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器和霍尔式位移传感器。根据被测物体位移量的大小，位移传感器的选择也一定的区别，小的位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔式传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光电、容栅、磁栅等传感技术来测量。在WK35电铲中，由于被检测的提升机构的位移变化达到了16 m，被检测的推压机构的位移也达到了2 m以上，所以提升、推压机构的位移检测采用的是光电式传感器，也就是光电式绝对型旋转编码器。

在WK35电铲中，光电式绝对型旋转编码器与推压减速箱二级传动轴结合在一起，当推压机构的输出轴转动带动推压齿条做直线运动时，旋转编码器也同步转动，这样就可以测量并控制推压齿条的位移了。由于电铲推压齿条移动的距离长，跟随推压减速箱二级传动轴同步转动的旋转编码器转动角度就会超过360°，普通的单圈绝对值编码器就会重新开始编码，这种情况下，就要使用多圈绝对值编码器来解决这个问题[3]。所谓多圈绝对值编码器就是利用多级齿轮传动的原理，当编码器内的第一级码盘旋转时，第二级码盘通过齿轮传动按照一定的减速比同步转动，依次类推，类似于日常见到的钟表的时针、分针、秒针的工作原理[4]。利用多级码盘解决了单圈编码器测量范围小的问题，扩大了其应用场合，而且多圈绝对值编码器同样拥有一个绝对零位代码，不存在外部供电电源故障后丢失当前位置信息的问题。

2.2 光电式多圈绝对型旋转编码器的优势

WK35电铲使用的光电式绝对型旋转编码器集合了众多优点，其主要优点如下：

1）光电式旋转编码器具有响体积小、应速度快、分辨率高和性能可靠的特点，非接触式的内部结构使其具有更长的使用寿命[5]。

2）多圈绝对型旋转编码器的优点是量程大。在实际使用过程中可以将多圈绝对型旋转编码器的某一中间位置作为起始零点，省去了寻找编码器绝对零点位置的过程，节省了安装调试的时间。在WK35电铲的具体使用过程中，可以将提升机构和推压机构的任意位置设置为起始零点，而不用担心量程的问题。

3）绝对型编码器的优点是可以直接读出当前位置信息，没有累积误差并且在供电电源断开后位置信息不会丢失。

2.3 光电式绝对型旋转编码器传感器具体应用

在WK35电铲中用到光电式绝对型旋转编码器的地方有：①是推压机构，编码器通过软轴与推压减速箱二级传动轴连接，保证电铲斗杆在满足正常移动距离条件下不至于使铲斗磕碰到大臂和使后保险牙磕碰到与斗杆齿条相连的推压小齿轮；②提升机构，编码器通过软轴与提升减速箱三级传动轴连接，保证电铲铲斗在满足正常提升高度条件下不至于使铲斗磕碰到天轮和使提梁下放多造成提斗绳跳槽。

2个光电式绝对型旋转编码器通过6ES7338-4BC01-0AB0位置输入模块与电铲的PLC系统连接起来。6ES7338-4BC01-0AB0模块为功能模块，它不占用PLC的CPU资源，对来自现场设备旋转编码器的信号进行控制和处理，并将信息传递给CPU。它的额定输入电压为DC24V，与CPU没有电气隔离，可使用多达3个绝对型编码器进行位置检测，允许在运动系统中对旋转编码器直接做出反应，所支持的编码器帧长度有13位、21位和25位3种。每个光电式绝对型旋转编码器虽然有多根接线，但在WK35电铲中用到了7根信号线，分别是2根电源线DC24V和0V，1根软复位线R，4根信号线DAT+、DAT、CLK+和CLK。4根信号线与6ES7338-4BC01-0AB0模块相连，软复位线R与6ES7322-1HH01-0AA0输出模块相连，2根电源线与外部DC24V电源相连。4根信号线负责传递光电式绝对型旋转编码器当前的位置和方向信。软复位线为旋转编码器找零线，当软复位线通过DC24V高电平后，旋转编码器即将当前位置定义为起始点。

2.4 故障及安装注意事项

光电式绝对型旋转编码器在WK35电铲的实际应用过程中常见的故障主要有①推压或提升机构没有限位，限位点失效；造成此故障现象的原因可能是旋转编码器与减速箱传动轴之间的连接软轴断，旋转编码器不能跟随传动轴同步转动；②推压或提升机构的限位功能不正常，时有时无；造成此故障现象的原因可能是旋转编码器外部受到异物撞击导致内部码盘破碎或者其周围有干扰源，使旋转编码器不能够连续输出有效信号。

为了尽可能避免上述故障的出现，在安装、维护光电式绝对型旋转编码器时要注意以下5点：①旋转编码器与减速箱传动轴之间采用弹性连接，避免因传动轴的跳动造成编码器连接轴和码盘的损坏；②旋转编码器内部的码盘为玻璃制品，严禁暴力安装摔打敲击编码器外壳和连接轴，以免损坏其连接轴和内部码盘；③旋转编码器的接地线要选用直径大于3 mm的线缆，并要采用屏蔽电缆，不要与动力线在同一线管里走线，避免强电磁环境的干扰；④接线时要断开DC24V电源开关。虽然DC24V电源不至于引发人体触电事故，但是带电作业时容易造成旋转编码器和6ES7338-4BC01-0AB0模块的损坏；⑤由于旋转编码器在WK35电铲的使用环境比较恶劣，所以安装完成后要对编码器加装防护罩，防止外界油、水对其造成损坏。

3 霍尔式测速传感器的工作原理

3.1 测速传感器的分类

测速传感器是测量被测物体的运行速度并将其转换成电信号的传感器，主要测线速传感器和测转速传感器。测速传感器按照安装形式分为接触式和非接触式两类，其种类有测速发电机式、磁电式、光电式、霍尔式等。这里将着重介绍应用于WK35电铲中电动机上的霍尔式测速传感器。

3.2 霍尔式测速传感器的工作原理

霍尔式测速传感器的主要工作原理是霍尔效应，就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔式测速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈[6]。

在WK35电铲中，当提升电动机转动时，在非传动端与转子相连的齿圈会跟随转子同步转动，齿圈经过传感头的前端时会引起磁场相应变化。霍尔式测速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应组件时，产生霍尔电势，然后将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。提升逆变器根据所产生的脉冲数目即可计算出其速度。

3.3 霍尔式测速传感器的优势

霍尔式测速传感器的优点主要有以下几点：①霍尔式测速传感器的输出信号不受齿圈转速值的影响；②频率响应高，其响应频率可达20 kHz；③稳定性好，寿命长，耐振动，不易受环境因素产生误差；④无触点，不会磨损，输出矩形波形清晰[7]。

3.4 霍尔式测速传感器具体应用

WK35电铲中采用的变频器为西门子6SE70系列，其控制方式有V/F控制、开环矢量控制和闭环矢量控制模式3种。提升电动机采用的就是带有测速传感器反馈的速度闭环矢量控制模式。开环和闭环在变频器中就是指是否有速度信号反馈给变频器，如果没有，则简称为开环矢量，如果有，则简称为闭环矢量[8]。整个电动机控制系统要想实现闭环速度矢量控制功能，测速传感器是必不可少的重要组件。

3.4.1 故障现象

2014年3月1日20∶30，1台WK35电铲在运转时突然停机，电铲人机界面报提升逆变器故障。当维修人员到达现场后，发现电铲可以正常启动，推压、回转、行走机构均可以正常工作，但提升机构无法正常工作。提升机构在提升或下放过程中会出现提升制动器突然抱死故障，主提逆变器报F053故障代码。

3.4.2 故障原因分析

F053故障代码含义为，速度信号发生器信号的允许变化值P215被超过2倍。经分析导致此次故障的原因有以下几点：

1）测速传感器断线，速度信号无法传递到提升逆变器，导致提升逆变器报F053。

2）测速传感器损坏，检测到的速度信号不准确，导致提升逆变器报F053。

3）测速传感器屏蔽线接地不良，检测到的速度信号受到动力线路干扰，导致提升逆变器报F053。

4）测速传感器接线错误（此电铲刚大修完毕，各接线处均重新处理过，且自大修完毕运行时间未超过48 h）。

5）测速传感器与齿圈在安装过程中存在缺陷（电机曾送外保养，在拆装过程中测速传感器安装精度可能不够）。

3.4.3 故障处理过程

1）用万用表对测速传感器电缆进行校线，测试结果显示测试结果显示测速传感器至提升逆变器之间电缆无断路现象。

2）更换新的测速传感器，故障现象依然存在，说明测速传感器自身没有问题。

3）检查测速传感器和提升逆变器的屏蔽接地线，并对其进行重新接线，确认屏蔽线没有问题后，故障现象依然存在说明此故障原因不在于此。

4）由于前、后提升电动机的测速传感器接线被维修人员整理过，初步怀疑存在接线错误。测速传感器总共有12V、0V、A、B 4根线，在确定了12V和0V接线没有错误后，对前后测速传感器的A、B 4根线存在的4种接线方式进行了逐一测试，结果发现故障现象依然没有消除，排除接线错误可能。

5）通过与永济电机厂家技术人员交流得知，永济电机厂家生产的电动机其测速传感器与齿圈的间距不得大于1 mm。在用塞尺对前、后提升电动机的测速传感器与齿圈的间距测量发现其数值均大于1 mm，分别为1.5 mm和1.35 mm。将前、后提升电动机的测速传感器与齿圈的间距分别重新调整为0.75 mm和0.5 mm后，对电铲进行动态试车，故障现象消除，电铲恢复正常。此故障处理完毕。

3.4.4 故障总结

通过分析讨论判定造成此次故障的原因为提升电动机在送外保养过程中出现差错，保养过程中测速传感器和齿圈安装精度不够，造成测速传感器与齿圈的间距超出正常范围，从而引起提升逆变器故障。事后通过对我矿的其它5台WK35电铲的提升电动机的测速传感器和齿圈的间距逐一进行了测量，其数值均在0.3～1.0 mm，这也从侧面印证了造成此次故障的原因和结论。

4 位移传感器与测速传感器的区别

虽然WK35电铲中的光电式绝对型旋转编码器和霍尔式测速传感器同属传感器，但是它们在WK35电铲的具体应用中存在以下4个方面的区别：

1）工作原理不同。光电式绝对型旋转编码器利用光电效应，霍尔式测速传感器利用霍尔效应。

2）工作方式不同。WK35电铲中使用的光电式绝对型旋转编码器与减速箱传动轴之间采用软轴连接，为接触式检测；霍尔式测速传感器与码盘之间靠霍尔效应检测，为非接触式检测。

3）工作电源不同。WK35电铲中的光电式绝对型旋转编码器的额定工作电压为DC24V，可单独提供，也可利用PLC的电源模块提供；霍尔式测速传感器的额定工作电压为DC12V，需单独提供。

4）工作用途不同。WK35电铲中光电式绝对型旋转编码器主要用来检测直线位移，具体作用是限制提升机构和推压机构的行程来保护相应的机械机构；霍尔式测速传感器的具体作用是检测电动机的转速，将速度信号传递到变频器，实现电动机闭环矢量控制。光电式绝对型旋转编码器在使用过程中通过编写相应的PLC程序也可以用来测量物体的转动角速度，但是在测量高速运转的物体的速度时会产生偏差，只能测量转速小于800 r/min以下的物体，同时转速越高，对旋转编码器安装的精度要求也越高，同轴度越难得到保证。

5 结语

传感器的应用范围很广，着重介绍了WK35电铲中光电式绝对型旋转编码器和霍尔式测速传感器工作原理及故障实例，对于其他类似传感器的故障维修具有借鉴意义。如何提高维修技能水平，降低故障停机时间，实现设备效益最大化是每个维修人员的最终目标。

［1］蔡崧.传感器与PLC编程技术基础［M］.北京：电子工业出版社，2012：28-34.

［2］舒望.基于光电编码器的旋转角度测量装置的研究与设计［J］.仪表技术，2015（7）：31-33.

［3］房品慧，安翠国，黄春艳.浅谈旋转编码器在工业设备生产中的应用［J］.工业技术，2014（3）：16-17.

［4］黎世杰.多圈绝对式编码器的应用原理［C］.广州：广东省电子学会，2015：180-182.

［5］时魁，高云国，赵勇志，等.增量式光栅编码器与绝对式编码器性能比较和分析［J］.机械设计与制造，2011（1）：96-97.

［6］赵树磊，谢吉华，刘永锋.基于霍尔传感器的电机测速装置［J］.江苏电器，2008（10）：53-57.

［7］魏冬至，张梅红.浅谈磁电式与霍尔式速度传感器在汽车上的区别［J］.科学之友，2007（7）：51+53.

［8］李方园.变频器的控制功能第1讲.变频器的控制方式（下）［J］.自动化博览，2008（S1）：20-22.

【责任编辑：张东旭】

Application research of sensor in WK35 shovel

WANG Qingxin,GAO Fangxin
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhaote 026000,China)

This article introduced the principles of the position sensor and the speed sensor and the specific application in WK35 shovel,takes a fault as an example to illustrate the installation precautions of speed sensor in WK35 shovel.Through comparison, the author points out the differences between the position sensor and speed sensor,which provide reference for other service personnel.

WK35 shovel；position sensor；speed sensor；fault

TD422.2+1

B

1671－9816（2017）01－0045－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.013

王清心，高方欣.传感器在WK35电铲中的应用研究［J］.露天采矿技术，2017，32（1）：45-48.

2016-07-20

王清心（1986—），男，汉族，工程师，学士，毕业于中国矿业大学，现就职于神华北电胜利能源有限公司设备维修中心电铲车间，主要从事电铲电气维修。