光电编码器在工业自动化系统中的应用与研究

巩宝山

（河北衡丰发电有限责任公司，河北 衡水 053000）

1 EDPF-NT分散控制系统

EDPF－NT分散控制系统是北京国电智深控制技术有限公司专门研发的一款电厂自动化系统，是一个融PC机、网络、DB（Database）数据库和自动控制技术为一体的工业自动化产品。EDPF－NT分散控制系统的开放式结构和良好的软、硬件兼容性在国内首屈一指，主要应用在火力发电厂的主控、辅控等各种热工自动化控制。

EDPF-NT分散控制系统不仅适用电力行业的过程控制应用也适用于各种工业自动化系统控制应用，同时也可适用于简易系统，比如小规模、低成本应用的要求。我公司翻车机系统既采用的EDPF-NT分散控制系统的小规模自动化系统，共建有1个工程师站（ENG），2个操作员站（OPR）和1个历史数据记录站（HSR），通过网络冗余的方式控制2路DPU柜和2台远程控制柜，保持与翻车机电气一、二次系统的通信连接。

2 重车调车机及行走方式控制

我公司重车调车机采用齿轮齿条传动，驱动装置为6台75KW液压制动电机加减速机的结构形式。重车调车机共装有6套行走轮装置，采用6台变频器分别控制6套行走轮，驱动单元是由变频电机、摩擦限矩安全联轴器、液压制动器、立式行星轮减速机组成；行走方式为齿轮与地面齿条啮合产生力矩。其中单独一组传动轴以及传动小齿轮利用弹性连接方式控制光电编码器，通过编码器的旋转来控制重车调车机的精确位移，反馈至EDPF-NT分散控制系统，进而控制整个翻车机系统的运转。

主要参数：

（1）传动形式：齿条传动

（2）牵引吨位：10000t

（3）工作速度：0.12m/s～1.2m/s

（4）走行轨距（mm）：1600

（5）驱动功率：6x75kw

（6）摘钩方式：液压摘钩

（7）调速方式：变频调速

供电方式：挂缆滑车/拖链

3 光电旋转编码器

光电旋转编码器是一种旋转式位置传感器，在现代自动控制系统中广泛应用于角位移或角速率的测量，它的转轴通过齿轮、对轮、同步带等多种连接方式与被装置的转轴相连，随被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲，同时增量式光电编码器具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点，特别是在高分辨率和大位移测量的时候，增量式光电编码器更具优越性；而绝对型旋转光电编码器的测量位置绝对惟一、抗干扰、无需掉电记忆的特点，在角度、长度测量和定位控制比增量式光电编码器也具有一定的优势。但是对于重车调车机定位控制来说，主要是通过旋转编码器与主电机齿轮轴一同旋转来反馈脉冲信号到高速计数模块计数脉冲，经由DCS交换数据存储数据计算数据与设定位置数据进行比较来控制重车调车机的定位的。所以选用增量式编码器结合高速计数模块作重车调车机的定位控制已经足够了。

不过要注意的是：在安装增量式光电旋转编码器时要安全牢固，不可有抖动。不带电时编码器不能有任何的旋转位移，突然送电处于工作状态时，编码器输出的脉冲也不能有干扰，这样会丢脉冲，高速计数模块所计数的脉冲量就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的计数结果（即所设定的停止位置与实际停止位置不同）出现后才能知道。

当然，我们在使用增量式光电编码器作为重车调车机的定位控制之前，必须慎重进行编码器选型。

4 增量式光电编码器的选型事项

（1）机械安装，包括对轮止口、同步带平行度，轴径的大小，安装方式；电缆出线和屏蔽措施；工作环境IP防护等级是否满足要求。

（2）分辨率，即编码器工作时每圈输出的脉冲数，是否满足精度要求。

（3）电气接口，编码器基极电压（E），集电极C（常见C为NPN型管输出，C2为PNP型管输出）。

以上三点，除了第一点外，对于第二、三点，作为电气设计或应用是很关键的。重调机的运行速度经过齿轮比之后变得比较小，所以根据编码器的电气最大响应速率公式：

计算出来编码器的最大的响应速率，只要等于大于重调机的运行最大速率即可；至于编码器输出方式主要取决于与之匹配的高速计数卡件ECI。目前，选用较多的是NPN型集电极开路输出脉冲的输出方式。那么，在应用之前，我们先来认识增量式光电编码器的结构和工作原理。

5 增量式光电编码器的结构和工作原理

5.1 增量式光电编码器的结构

角位移量：转轴旋转的码盘给出的脉冲数量，配合旋转方向，用计数器再对这些脉冲进行加减计数。

5.2 增量式光电编码器的工作原理

主要构造为码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器。主码盘（光电盘）通过刻有节距相等的辐射状窄缝，形成等量分布的透明区和不透明区。鉴向盘与主码盘平行，上面刻有透明的a、b两组检测窄缝，彼此错开1/4节距，实现输出信号的相位差为90o。运行状态时主码盘与转轴一起转动，鉴向盘静止不动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被遮住，输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，一个近似正弦的电压既通过光电变换器输出，电压相位差为90o。

6 增量式编码器的应用

6.1 增量式编码器的脉冲计数及方向

选型的重要依据就是增量型旋转编码器使用每圈产生的脉冲数，脉冲数越多，分辨率也就越高。增量型编码器通常有三路输出信号分别为A、B和Z，一般采用TTL电平，A脉冲在前，B脉冲在后，A，B脉冲相差90o，每圈发出一个Z脉冲，可作为参考机械零位；A超前B为90o为正转，B超前A为90o为反转，这样便可以确定旋转方向。

6.2 增量式光电编码器在重调机上的定位控制应用

增量式光电编码器与高速计数模块的电气连接不是所有的DCS控制系统的输入量模块都支持脉冲输入的功能，所以在配置DCS控制系统时，必须配置一个高速计数模块作为编码器输出脉冲的接受并计数存储等功能块。这样，采用国电智深的DCS控制系统中配置的ECI高速计数模块作为增量式光电编码器脉冲输出的功能块。

通过现场的光电编码器反馈给高速计数模块的脉冲及方向，进行加减计数并存储在指定的数据区，经过DCS里设定设计好的程序进行计算和逻辑比较后，输出“控制位”来对重调机的定位控制的目的。

7 DCS采集光电编码器数据的课题方案成效

（1）配合国电智深公司开发了ECI卡件，专门采集光电编码器（E6B2-CWZ6C）的数据。

（2）正反两个方向具备增减计数。

（3）ECI卡件具备，数据复位功能。

（4）在特殊情况下对数据进行校正，校正的数值可以设定。

解决了光电编码器应用于位置控制系统的难题。

8 结束语

利用上述技术，实现了DCS和光电编码的完美对接。利用数字段计数来控制重车调车的位移与位置，不仅实现了正反两个方向的增减微调，更能够自动核对数码和位置，然后对其进行比较。完美解决了光电编码器在位置控制系统中的难题，使得重车调车机系统的自动控制方式得到很大的提升，降低了设备的故障率，为企业创造出更多的经济利益。