Enkodery absolutne bywają przedstawiane jako rozwiązanie bardziej zaawansowane od enkoderów inkrementalnych. Jednak takie podejście może prowadzić do wyboru niewłaściwego czujnika i zbędnego wydatku. O wyborze nie powinien decydować bowiem wyłącznie precyzyjny pomiar, ale również, a właściwie przede wszystkim, zachowanie maszyny i wymagania systemu automatyki przemysłowej po zaniku zasilania.
Najważniejsze jest zachowanie maszyny po zatrzymaniu
Oba rodzaje enkoderów mogą skutecznie dostarczać informacji potrzebnych do sterowania ruchem. Różnica staje się widoczna po wyłączeniu sterownika lub utracie zapisu aktualnego położenia.
Dlatego przed porównaniem parametrów warto przyjrzeć się maszynie. Czy może bezpiecznie wykonać ruch referencyjny? Czy jej elementy mogą zmienić pozycję przy wyłączonym zasilaniu? Ile kosztuje utrata informacji o dokładnym położeniu? Odpowiedzi na te pytania bywają ważniejsze niż najwyższa rozdzielczość enkodera dostępna w katalogu.
Głównym zadaniem układu z enkoderem inkrementalnym jest rozpoznanie zmiany pozycji na podstawie zliczanych impulsów. Po ponownym uruchomieniu enkoder zazwyczaj musi odtworzyć punkt odniesienia, na przykład dojeżdżając do czujnika bazowego. Samo bazowanie nie jest wadą i w wielu maszynach stanowi krótką, przewidywalną część cyklu rozruchu.
Dobrym przykładem jest tu prosty przenośnik, w którym enkoder używany jest do kontrolowania prędkości taśmy albo odmierzania odległości pomiędzy kolejnymi produktami. Po restarcie system automatyki nie musi znać położenia kątowego wału, wystarczy, że sterownik ponownie zacznie prawidłowo zliczać impulsy.
Podobnie może działać maszyna pakująca, która po uruchomieniu wykonuje krótki przejazd do czujnika bazowego. Jeżeli ta procedura trwa kilka sekund, zastosowanie enkodera inkrementalnego będzie rozwiązaniem całkowicie wystarczającym.
Problem pojawia się, gdy ruch referencyjny wymaga opróżnienia maszyny, ręcznego przestawienia mechanizmu lub przeprowadzenia kilku osi przez określoną sekwencję.
Wyobraźmy sobie robota, który po zaniku zasilania zatrzymuje się z detalem nad stanowiskiem montażowym. Automatyczny przejazd ramienia do pozycji bazowej mógłby spowodować uderzenie chwytaka w oprzyrządowanie albo upuszczenie produktu. Przed ponownym uruchomieniem operator musi więc zabezpieczyć detal i ręcznie przygotować maszynę do bazowania. W takiej sytuacji pozornie tańszy enkoder inkrementalny będzie generować spore koszty niewidoczne w cenie zakupu.
Enkoder absolutny przekazuje wartość przypisaną do określonego położenia. Po przywróceniu zasilania prawidłowo skonfigurowany układ może odczytać pozycję z enkodera absolutnego bez wykonywania pełnego przejazdu referencyjnego. Warunkiem jest zachowanie mechanicznej i programowej spójności układu pomiarowego. W układnicy magazynowej sterownik od razu rozpozna, na jakiej wysokości znajduje się platforma. W mechanizmie podnoszenia będzie wiedzieć, w którym miejscu zatrzymał się transportowany ładunek, a w maszynie wieloosiowej pozwoli określić wzajemne położenie osi przed wydaniem polecenia ruchu. Może to skrócić procedurę ponownego uruchomienia i ograniczyć liczbę zbędnych przejazdów referencyjnych.
Patrz też: Enkodery liniowe a dokładność pozycjonowania w maszynach
Ile kosztuje utrata informacji o położeniu?
Jak napisaliśmy powyżej, różnicy w cenie enkoderów nie powinno się rozpatrywać w oderwaniu od wymagań aplikacji. Kilkadziesiąt sekund bazowania raz na zmianę nie ma wielkiego znaczenia. Ale kilkanaście minut przestoju po każdym zaniku zasilania i konieczność wezwania operatora, to już całkiem realny koszt produkcji.
Warto więc sprawdzić, czy utrata pozycji oznacza konieczność:
- ręcznej interwencji operatora lub służb utrzymania ruchu,
- usunięcia produktu znajdującego się w maszynie,
- ryzyko zetknięcia narzędzia z detalem albo dwóch osi ze sobą,
- powstanie braków lub utratę przygotowanego materiału,
- wydłużenie czasu potrzebnego na usunięcie awarii.
Jeżeli te konsekwencje są nieistotne, wybór enkodera absolutnego może nie oznaczać wymiernej korzyści. Jeżeli jednak zanik zasilania zatrzymuje złożoną linię produkcyjną i wymusza synchronizację wielu elementów maszyn przemysłowych, jego wyższy koszt szybko się zwróci.
Dobór nie kończy się na słowach „enkodery inkrementalne” a „enkodery absolutne”
Sposób pomiaru jest dopiero początkiem. Enkoder musi pasować do konstrukcji, warunków pracy i systemu sterowania, a nieodpowiedni interfejs lub wykonanie mechaniczne mogą oznaczać konieczność zakupu nowego czujnika.
Enkoder absolutny: jeden obrót czy pełny zakres ruchu?
Enkoder absolutny jednoobrotowy (singleturn) określa pozycję w obrębie jednego ruchu obrotowego wału, a po zakończeniu pełnego obrotu, zliczanie wartości zaczyna się od nowa. Tego typu enkoder wystarcza, gdy mechanizm pracuje w ograniczonym zakresie kąta obrotu albo gdy liczba obrotów nie ma znaczenia.
Enkoder wieloobrotowy (multirturn) podaje dodatkowo liczbę obrotów i jest potrzebny na przykład wtedy, gdy pełnemu przesunięciu wózka, podnośnika lub elementu prowadzonego śrubą odpowiada wiele obrotów wału. Bez tej informacji sterownik znałby położenie przy danym obrocie, ale nie pozycję mechanizmu w całym zakresie.
Jak dobrać enkoder, żeby dogadywał się ze sterownikiem?
Enkodery inkrementalne wykorzystują między innymi sygnały elektryczne A i B oraz impuls referencyjny Z. Dlatego wejściom sterownika muszą odpowiadać warianty elektryczne, takie jak TTL lub HTL. Znaczenie mają też długość przewodów, ekranowanie i zakłócenia.
W enkoderach absolutnych informacja o położeniu może być przesyłana, na przykład, przez SSI albo sieć przemysłową, a wybrany sposób komunikacji będzie mieć bezpośredni wpływ na konfigurację i diagnostykę. Dlatego przed dokonaniem wyboru enkodera trzeba sprawdzić interfejsy obsługiwane przez napęd, moduł wejściowy lub PLC.
Ma to szczególne znaczenie podczas modernizacji starszej maszyny. Zamiana enkodera inkrementalnego na absolutny może w jej przypadku wymagać wymiany modułu, nowego okablowania i modyfikacji programu. W takiej sytuacji, jeżeli bazowanie działa sprawnie i nie powoduje strat, pozostawienie dotychczasowego, prostego i niedrogiego enkodera inkrementalnego może okazać się w pełni uzasadnione.
Pozycja absolutna nie oznacza automatycznie bezpieczeństwa
Informacja dostępna po uruchomieniu pomaga ograniczyć niepotrzebne ruchy, ale nie sprawia, że enkoder automatycznie stanie się elementem systemu bezpieczeństwa. Funkcje związane z precyzyjnym pomiarem pozycji, bezpieczną prędkością lub kierunkiem wymagają stosowania urządzeń i architektury spełniających wymagania bezpieczeństwa funkcjonalnego.
Enkodery bezpieczeństwa mogą być enkoderami absolutnymi lub inkrementalnymi. Ważna jest ich certyfikacja, parametry, sposób montażu i współpraca z nadrzędnym układem sterowania. Dlatego, jeżeli od sygnału zależy bezpieczeństwo człowieka, dobór musi wynikać z oceny ryzyka dla maszyny.
Jak widać nie chodzi o wskazanie zwycięzcy. Enkoder inkrementalny sprawdza się tam, gdzie liczy się pomiar ruchu, prędkości lub drogi, a bazowanie jest łatwe i bezpieczne. Absolutny będzie lepszy, gdy maszyna musi od razu znać pozycję, a utrata tej informacji prowadzi do przestoju, kolizji lub skomplikowanego restartu. Najlepszy enkoder to po prostu ten, który odpowiada zachowaniu osi i możliwościom systemu sterowania.
Najczęściej zadawane pytania
Jaka jest różnica pomiędzy enkoderami absolutnymi i względnymi?
Enkoder względny, nazywany inkrementalnym, generuje impulsy odpowiadające zmianie położenia. Sterownik wyznacza na ich podstawie kierunek, prędkość lub drogę, ale do ustalenia pozycji potrzebuje punktu odniesienia.
Enkoder absolutny przypisuje pozycjom jednoznaczne wartości, dlatego po uruchomieniu może podać aktualne położenie bez wcześniejszego przejazdu bazowego.
Jakie są rodzaje enkoderów?
Enkodery dzielimy przede wszystkim na inkrementalne i absolutne, a te ostatnie na jednoobrotowe singleturn oraz wieloobrotowe multiturn.
Stosuje się również podział według rodzaju ruchu, zasady odczytu, konstrukcji wału i komunikacji. Spotykamy więc enkodery obrotowe i enkodery liniowe, wysokiej rozdzielczości enkodery magnetyczne, enkodery optyczne, z wałem pełnym lub drążonym oraz z różnymi interfejsami wyjściowymi.
Jak wybrać enkoder?
Najpierw trzeba ustalić, co ma być mierzone i czy po uruchomieniu maszyna musi od razu znać położenie. Następnie należy określić niezbędną rozdzielczość, zakres obrotów, prędkość, rodzaj interfejsu, warunki środowiskowe i sposób montażu. Należy też uwzględnić możliwość bezpiecznego bazowania, skutki zaniku zasilania oraz wymagania dotyczące bezpieczeństwa funkcjonalnego. Dopiero zestawienie tych informacji pozwala dobrać odpowiedni enkoder do konkretnego zastosowania.
