Быстрый переход на страницу №
Контроль вращения и угла поворота
Абсолютные энкодеры
Baumer IVO

Энкодеры и их интерфейсы. Инкрементальный, параллельный, последовательный, полевая шина или Ethernet?

Абсолютные энкодеры — шинный модульный интерфейс Датчики угла поворота (энкодеры) определяют угловое положение вращающегося вала и преобразовывают его в сигнал, пригодный для дальнейшей обработки в системе автоматизации и управления. Как это происходит в каждом конкретном случае, определяется в основном выбранным типом интерфейса. Понятие «интерфейс» охватывает все многообразие конструктивных и электрических правил и условий для связи датчика с блоком управления. В зависимости от типа интерфейса имеется большое количество правил, которые касаются типа кодирования, свойств и уровней сигнала а также документирования кабелей и соединителей. В течение последних лет существенно выросли требования к скорости передачи, объему передаваемых данных и длине линий передачи. В зависимости от существующих требований и систем управления при использовании энкодеров много разных интерфейсов имеют право на существование.

Передача данных по параллельному каналу

Самые простые требования к интерфейсу предъявляют инкрементальные энкодеры. В большинстве случаев ставшие привычными оптические энкодеры выдают два смещенных по фазе на 90° симметричных прямоугольных сигнала. Типичный признак для инкрементального энкодера - это временная диаграмма с фазовым смещением сигнала на 90° и в этом случае коммутационными треками. Более сложные, поставляемые на заказ, инкрементальные энкодеры выдают также специальные сигналы для непосредственного управления электроприводами. Параллельная передача данных функционирует безупречно при использовании современных инкрементальных энкодеров с высоким разрешением, которые могут выдавать до 1,25 млн. импульсов за один оборот вала, что позволяет позиционировать объект с высокой точностью. Несколько труднее реализовать передачу данных от абсолютных энкодеров, которые постепенно приходит на замену инкрементальным, потому что они могут сохранять данные в обесточенном состоянии. Это означает, что при отключении напряжения питания и последующем новом включении данные об угловом положении объектов не теряются и технологический процесс не будет нарушен.

Абсолютные энкодеры — шинный модульный интерфейс Абсолютные датчики угла поворота выдают сигнал, соответствующий позиции вала, как уникально закодированный пакет данных. При кодировании шириной 12 бит это означало бы, что такой энкодер нуждается в 12 сигнальных линиях плюс рабочее напряжение. Многооборотные датчики угла поворота, которые подсчитывают также количество выполненных оборотов вала, выдают при этом сигнал более высокой разрядности. Издержки, связанные с большим количеством проводников в кабеле, обычно не принимаются во внимание. Исключение составляют абсолютные энкодеры, которые дополнительно выполняют задачи управления объектами, к примеру, если параллельные выходы совместно с интегрированным программным обеспечением выполняют функции т.н. «кулачкового механизма». Такие энкодеры осуществляют зависимое от времени и от угла поворота управление, например, упаковочными машинами.

Передача данных по последовательному каналу: SSI- и BISS-интерфейс

Всякий раз, когда речь идет о передаче данных без высоких затрат, связанных с прокладкой кабельной сети, параллельный интерфейс упирается в границы своих возможностей. Все-таки современные многооборотные датчики работают сегодня с разрешением до 36 бит. Ничего удивительного в том, что параллельная передача сигнала с высоким расширением постепенно вытеснялась уже начиная с 1985 года последовательным синхронным интерфейсом SSI (Synchronous Serial Interface). Параллельный код, соответствующий углу поворота, трансформируется в последовательный, который передается синхронно тактовому сигналу принимающего прибора (счетчика, процесс-контроллера итд). Напряжение питания, передача данных и синхронизация не зависят от разрешения энкодера, нуждаются только в скрученной паре сигнальных проводов, а всего не больше шести проводников.

При этом реализуется скорость передачи до 1,5 МБ/с при длине линии до 1200 м. Использование интерфейса SSI возможно также при использовании датчиков с высоким разрешениием, даже если данные должны передаваться в промышленных регионах со сложной обстановкой в плане электромагнитных помех на большие расстояния. С недавнего времени многооборотные энкодеры предлагаются с последовательно работающим интерфейсом BISS (Bidirektional Seriell Synchron). Этот независимый от производителя, двунаправленный интерфейс совместим с аппаратурой, имеющей интерфейс SSI, гарантирует не только очень быструю коммуникацию со скоростью передачи до 10 МБ/с, но и может при необходимости одновременно передавать сигналы от 8 энкодеров. Поэтому типичной областью применения такого интерфейса является позиционирование нескольких осей электропривода.

Полевая шина: большое многообразие и муки выбора

Абсолютные энкодеры — шинный модульный интерфейс Чтобы сократить издержки, связанные с прокладкой кабельной сети, в современной автоматизации с 80-х годов применяются полевые шины. Сэкономленные при этом средства исчисляются двухзначными процентами по сравнению с параллельной передачей сигнала. Размеры распределительных и шкафов управления существенно меньше. Дополнительные возможности диагностики системы облегчают обслуживание и способствуют удобству и доступности всех узлов. Разумеется, не существует никакой полевой шины, которая победила бы и вытеснила все остальные шины абсолютно во всех приложениях. Сегодня применяются почти 50 различных полевых шин, которые отличаются друг от друга принципиально по техническим функциям, области и многочисленности применения.

Разумеется, не все полевые шины пригодны для промышленного использования. К более подходящим и надежным системам, которые проверены временем, принадлежат прежде всего Profibus, Interbus, CAN, CANopen, DeviceNet и в последнее время также новые технологии, которые делают возможными связь на уровне Ethernet. Какой шинный интерфейс применяется, зависит существенно от уже имеющейся на автоматизируемом производстве системы управления. Абсолютные энкодеры постепенно вытесняют инкрементальные. Типичными являются специфические штеккеры для разных полевых шин. Наиболее известными и выделяющимися являются съемные корпуса шинных интерфейсов, которые применяются на энкодерах всех разновидностей.

Profibus и Interbus

Абсолютные энкодеры — шинный модульный интерфейс Profibus разрабатывался компанией Siemens и основанной в 1989 году организацией пользователей, а также стандартизировался в Международной комиссии по электротехнике по ряду стандартов IEC 61158. Вариант Profibus-DP (децентрализованная периферия) применяется повсеместно в автоматизации производства. Для передачи данных вполне хватает двухжильного скрученного экранированного кабеля. Также возможна передача данных по световоду. Комплектные кабельные трассы можно заменять при этом одним единственным оптоволоконным световодом. Аналогичное справедливо и для шины Interbus, которая разрабатывалась, как быстрая шина для передачи данных от сенсоров к исполнительным механизмам в промышленности. Подсоединение реализуется посредством пятижильного экранированного кабеля и позволяет связывать участников по оптоволоконному световоду. Интерфейс разработан компаниями Phoenix Contact и Interbus-Club.

CAN, CANopen и DeviceNet

Интерфейс CAN (Controller Area Network) связывает между собой много равноправных компонентов посредством двухжильного кабеля. Протокол CAN разработан в 1983 году фирмой Bosch для применения на автомобилях. На основе высокой помехозащищенности, невысоких затрат и возможности работы в режиме реального времени, CAN предназначен для автоматизации, прежде всего, текстильных машин, грузоподъемной техники, сельскохозяйственных машин.

CANopen оказался идеальным интерфейсом для передачи небольших массивов данных и быстрой синхронизации. Коммуникационный протокол этого интерфейса системы базируется на известном протоколе шины CAN. Первые энкодеры с интерфейсом CANopen появляются уже в 1995 году, преимущественно в европейском промышленном регионе.

Между тем количество пользователей растет как в Северной Америке, так и в Азии. Разумеется, была разработана несколько иная, также базирующаяся на протоколе CAN, полевая шина с интерфейсом DeviceNet, преобладающая, прежде всего, в Северной Америке. Имеются соответствующие энкодеры с этим интерфейсом в самых разных исполнениях.

EtherCAT: современное решение для автоматизации

В офисах широко применяется Ethernet, промышленная концепция которого, именуемая EtherCAT, была разработана для объектов автоматизации производственных процессов. Интерфейс отличается высокой эффективностью при простоте использования, имеет высокий потенциал, вытеснять в долгосрочном плане "классические" полевые шины. Благодаря оптимальному использованию полосы пропускания Ethernet небольшие массивы данных также могут передаваться эффективно по EtherCAT.

При этом EtherCAT - это открытая технология. Она поддерживается EtherCAT Technology Group и специфицирована по стандарту IEC. Соответствующие энкодеры предлагаются уже в рынке компонентов автоматизации. Типичные примеры применения этого интерфейса – это кузнечно-прессовое и штамповочное производство в автомобильной индустрии.

Корпус шинного интерфейса – концепция гибкости

Абсолютные энкодеры — шинный модульный интерфейс

Многообразие применяемых в промышленности интерфейсов полевых шин уже сегодня приводит не только к мукам выбора, но и к трудностям взаимодействия систем с различными интерфейсами. Производители машин и оборудования должны оперативно реагировать на пожелания заказчиков. Для решения этих проблем была разработана модульная концепция энкодера, которая упрощает монтаж и ввод в эксплуатацию, а также заранее решает проблемы, которые могут позже возникнуть, связанные с переводом предприятия на другую полевую шину.

Таким образом имеются, к примеру, цельные агрегатные конструкции, у которых можно комбинировать применение одной и той же базовой модели энкодеров в сочетании с с различными интерфейсами, размещенными в отделяемом стандартизированном корпусе шинного интерфейса. Это упрощает прокладку кабелей, повышает гибкость, сокращает время хранения на складе.

Немецкая фирма Baumer IVO GmbH разрабатывает и производит инкрементальные и абсолютные энкодеры со всеми вышеупомянутыми интерфейсами, а также наиболее современные модели со свободно монтируемым модульным корпусом шинного интерфейса.