门机电控中编码器信号干扰的预防与处理——以一起信号干扰引起的变频器故障的处理为例

◎ 陈俊宏

（广东省储备粮管理总公司东莞直属库，广东 东莞 523143）

门座式起重机是港口码头前沿装卸一般件杂货、吊钩和抓斗两用的设备，它可以在工作范围内作起升、变幅、回转的单独或联合动作，操作方便、动作灵活，工作效率高，在港口生产中得以普遍应用。广东省储备粮管理总公司东莞直属库省粮码头（以下简称省粮码头）使用的门座起重机为江苏鼎盛重工有限公司制造，主要包括行走机构、旋转机构、起升结构、变幅结构四大动作机构，均采用西门子300PLC+S120系列变频器进行驱动控制。

1 门机电气控制系统

以省粮码头变频机型为例，控制系统采用PLC进行逻辑运算，不同于老式常规的继电器控制，PLC控制反应速度快、噪声低、能耗小、体积小、功能强大及编程方便，可以根据设备所要实现的功能修改程序，达到想要的效果。调速系统采用变频器进行，搭配编码器进行矢量运算，形成闭环调节。这种控制方式精度高，能达到良好的控制性能。除此之外，门机上的辅助安全作业系统如负荷称重系统、烟雾报警系统等也集成于整个电气控制系统之中，保证了港机设备作业稳定，安全可靠。

1.1 主令控制器

主令控制器一般由触头系统、操作机构、转轴、齿轮减速机构、凸轮和外壳等几部分组成[1]；触点容量大，操纵档位也较多；其动作原理是靠凸轮来控制触头系统的关合。

1.2 可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， PLC）是一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。可编程控制器由CPU、指令及数据内存、输入/输出接口、电源及数字模拟转换等功能单元组成，其工作过程一般分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段[2]。完成上述3个阶段为一个扫描周期，在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。

1.3 变频器

变频器是一种应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元及检测单元微处理单元等组成[3]。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

1.4 电动机

电动机主要包括定子和转子两部分，是一种将转子置于定子产生的旋转磁场中，在磁场旋转的作用下转子绕组切割磁感线产生感应电动势，进而转子绕组中的感应电流与磁场作用感应产生力矩，带动转子转动的装置。

1.5 编码器

编码器是一种将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移（码盘）或直线位移（码尺）转换成电信号，按工作原理不同可分为增量式编码器和绝对式编码器[4]。其中，增量式编码器首先将位移转换成周期性的电信号，再将电信号转换成计数脉冲，最后用脉冲的个数来表示位移的大小；绝对式编码器的每个位置对应一个确定的数字码，其最终结果只与测量的起点和终点有关，与其中间过程无关。

2 门机电控中的编码器问题

2.1 变频器闭环控制环节

闭环控制系统，即根据控制系统输出变化信息进行动态调节，通过比较反馈信息与输入信息，再将两者比较的结果反馈至系统进行调节控制，进而避免系统偏离设定预期。同理，变频闭环控制是指变频器利用一定方法或装置反馈的信息与输出值进行对比、运算，使变频器输出结果贴近精确的设定值。一般来说，变频器控制电机有3种闭环反馈方式，第一种是霍尔传感器，第二种是利用线圈旋转时的自感应反电动势，第三种是旋转编码器，前两种速度精度低，在低速运转时十分难辨别，而带编码器的闭环控制恰恰弥补了前二者的缺陷。此外，在西门子S120、G120系列变频器中，带编码器的矢量控制和无编码器的矢量控制最大的区别是在于速度闭环控制时，速度反馈的来源不同。带编码器时为编码器的实测值，不带编码器时为内部模型的速度预估值[5]。

2.2 编码器常见故障

在码头粉尘大、烟雾多等恶劣的环境下，传感器、控制器等较精密设备的稳定运行十分受影响，也就间接影响到涉及的相关闭环控制系统的稳定性。以编码器来说，一般有以下几种常见故障。①元器件故障，因自身损坏，不能正常输出波形。②电源故障，编码器通常为DC 5 V，一般不低于DC 4.75V，可能电源出现问题或电缆过长线阻过大。③位置故障，编码器未与电机转轴同心，影响信号的采集，导致输出波形错误或偏差过大。一般安装时要与转轴良好对中，防止运行间松动特别是门机振动频繁的运行环境下。④信号故障，因通信电缆存在断路、短路等接触不良及光栅污染（粉尘环境尤甚）或屏蔽层没有良好接地出现干扰。一般来说，这类故障较上述其他项出现频次更高。

2.3 编码器连接

对于通信控制电缆的检查维护，技术维护人员不应忽视，定期进行电气端子紧固并检查是否存在短路断路的地方，保持与检查动力电同频次或更高。一般而言，编码器有8根导线，其中2根为供电电源线，另外6根为3组两相脉冲信号线，即A相、B相、Z相，其中AB相是正交互差90°信号，Z相是零脉冲信号（辨识旋转圈数或行走距离，可根据实际工况需求接线）。此外，不同品牌的变频器在接线上也有各自的要求，以省粮码头门机变频器S120为例，西门子公司在驱动系统中专门设计了带DRIVE-CLiQ电缆通信接口的电动机和编码器，而不带此接口的电动机、编码器则需要通过编码器模块，即SMC（机柜式编码器模块）或SME（机柜外部编码器模块）进行信号转换，再连接到变频器的电动机模块当中。上位机配置系统时，也需十分注意组态中编码器的类别选型、参数设置，这将直接影响调速系统的稳定性。

2.4 屏蔽层接地

因编码器信号属于中高频电磁波信号，加之处于港口特殊的作业环境，这就意味着通信传输类故障是港机电气系统中编码器出现频率最高的，这其中一大部分就涉及到屏蔽层的接地问题。以S120、G120等系列为例，设备连接规范中指出在编码器屏蔽层双端需要大面积连接到金属导体，即屏蔽层双端接地，但这种接线方式极易受环境影响，当发生两地电位不等的情况，产生的环流干扰信号采集与传输，这就十分考验实际工程中系统EMC、EMI是否达标了。另一种常见方式为屏蔽层单端接地，即一端的屏蔽层进行接地，另一端悬空不接地或保护接地。单端接地在远距离传输时运用比较多，因为距离较长时所测量的数据极易受到干扰，造成误差，所以在需外加中间信号电缆驳接时，只在接收端的屏蔽层进行 接地。

3 故障发生情况

2021年5月10日下午15:21，门机司机反馈在门机装船作业进行摆幅操作时，频繁出现变幅停机故障。为防止出现高空撒落等安全隐患，门机停止作业。15:40，技术人员赶到现场进行处置，根据司机室触摸屏反馈变幅变频器故障情况，打开电柜变频器面板显示F31118故障代码。查阅S120故障手册，故障代码显示原因为编码器转速差值超出公差。根据故障手册及维修经验，技术人员首先查看电柜侧编码器信号线接线正常；随后打开电机风机罩子，查看位于转轴末端的编码器机械连接正常，信号线无碰壳，紧固正常。随后打开下位机starter软件进行轨迹波形录制对比，发现在出幅和收幅动作都不定时出现波形偏差超出故障阈值触发故障。根据波形判断，可能存在通信线路干扰的地方，随后对整个通信线路进行检查，发现在SMC30模块接收端一处接地电缆侧存在断缆虚接情况。对其进行修复后再次运转半小时以上录制波形监控，发现故障不再发生，问题得以解决。

4 故障分析

4.1 故障发生原理

在带有编码器反馈的速度闭环控制下，当电机运行时，位于电机转轴处的编码器采集转速处理成电信号发送至SMC30处理单元，随后传送至变频器驱动单元进行处理，驱动单元对采集信号与此刻主令控制器操纵的档位对应的转速进行对比，当公差大于驱动单元专家列表参数P0492值时，驱动单元输出故障信号，切断使能信号，PLC输出信号进行电机刹车抱闸，中止作业。

4.2 故障发生原因

在粮食码头恶劣的环境下，随着作业时长的累积，通信线缆会因门机震动、鼠虫撕咬等出现松动或断缆的情况。当编码器屏蔽层没有良好接地时，信号干扰就会随之出现。

5 改进方案

（1）考虑到码头特殊工况环境及门机时常震动的运行特点，应定期维护检查通讯、控制线路特别是屏蔽层，避免出现接地不良导致的通讯故障。

（2）针对双端接地可能存在电压差等不稳定性，可以改用单端接地，效果良好。

（3）针对频繁出现的电磁干扰（录制的波形毛刺较多），必要时可以通过动力线与双绞线分开布局、软硬件手段进行噪声滤波、光电耦合隔离等方法进行抑制。

（4）适当地提高P0492阈值，过高则影响控制精度。

（5）以省粮码头为例，针对进口编码器供货周期久的情况，可提前供货备件，降低因备件故障导致的经济损失。

6 结语

近年来，随着省粮东莞库百万吨仓容投产，码头装卸业务量也随之达到前所未有的高峰。因此门机的利用率呈现跨越式提升，而如何减少故障率、保证装卸的效率，就十分考验技术人员平时的维保功力以及应急排故水平。通过此次S120变频器故障反馈，以编码器信号屏蔽层问题为例进而引申到港口电气设备其他方面的保养维护，技术人员应针对一些故障频发部位、关键核心部位进行定期专项性保养检查，结合规范、经验梳理一套指导流程，及时备好易损器件，有效降低港机故障发生率，保障港口生产效益。