光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。

下面以國產(chǎn)長春光機(jī)所的LF型光電編碼器配合三菱FX系列PLC在礦山提升機(jī)上的應(yīng)用為例加以說明。

1?光電編碼器的應(yīng)用

從我們多年使用LF型光電編碼器的情況看，其使用性能良好，在角度測量、位移測量時(shí)抗干擾能力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào)，且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號(hào)。因此，我們?cè)诘V井提升機(jī)電控系統(tǒng)中需要作為位置和速度測量時(shí)，對(duì)礦井提升深度的測量選用LF-102.4CF型光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選用1024個(gè)脈沖/圈，考慮到與之配套的PLC的高速計(jì)數(shù)口的計(jì)數(shù)頻率問題，也可選用2048個(gè)脈沖/圈的，這取決于系統(tǒng)要求的精度。工作時(shí)編碼器既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)根據(jù)編碼器旋轉(zhuǎn)的方向判定提升機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

1.1?在提升機(jī)位置測量方面的應(yīng)用

采用LF-102.4CF型旋轉(zhuǎn)式增量型光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與提升機(jī)滾筒軸頭的輸出傳動(dòng)軸相連。當(dāng)提升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光電編碼器產(chǎn)生光電計(jì)數(shù)脈沖，被PLC的高速計(jì)數(shù)口捕獲，由于從提升開始點(diǎn)到停車點(diǎn)之間的距離是一定的，因此提升機(jī)滾筒所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)是固定的，所以滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)增量型編碼器所計(jì)的總脈沖數(shù)是一定的，反之滾筒反向旋轉(zhuǎn)時(shí)其所計(jì)的總脈沖數(shù)減少也是一定的。根據(jù)這種原理，我們可以通過判斷所計(jì)脈沖數(shù)的多少，通過計(jì)算可以得出目前實(shí)際的提升深度是多少。具體方式是：①將提升容器提至井口正確停車位置；②將PLC編碼器計(jì)數(shù)寄存器中計(jì)數(shù)值清零；③慢速開車至井底準(zhǔn)確停車點(diǎn)；④將PLC編碼器計(jì)數(shù)寄存器中計(jì)數(shù)值讀出，并將此時(shí)的總計(jì)數(shù)值被總井深值去除，得到計(jì)數(shù)系數(shù)；⑤將實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)系數(shù)相乘，得到深度值。

1.2?在速度測量方面的應(yīng)用

采用LF-102.4CF型旋轉(zhuǎn)式增量型光電編碼器，還可以對(duì)提升機(jī)的提升速度進(jìn)行測量。具體原理是PLC可以在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，如200ms，對(duì)高速計(jì)數(shù)口在該段時(shí)間內(nèi)所得到的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行測量。因此當(dāng)提升速度快時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度加快，單位時(shí)間內(nèi)捕獲的計(jì)數(shù)脈沖就多；反之，當(dāng)提升機(jī)慢速運(yùn)行時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢，單位時(shí)間捕獲的脈沖數(shù)就少。計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)所捕獲的脈沖數(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算可精確算出提升機(jī)的運(yùn)行速度。有些PLC本身就帶有根據(jù)脈沖數(shù)專門設(shè)置的運(yùn)算命令，使用時(shí)只要調(diào)用該命令，并輸入脈沖數(shù)就可以了，非常方便。

光電編碼器進(jìn)行提升速度計(jì)算在提升機(jī)速度保護(hù)方面具有非常重要的意義，它使過去依賴測速反饋發(fā)電機(jī)作為速度保護(hù)的單一手段更加豐富，從而大大提高了提升機(jī)的安全性。

1.3?在提升機(jī)錯(cuò)向保護(hù)方面的應(yīng)用

LF-102.4CF型旋轉(zhuǎn)式增量型光電編碼器，在提升機(jī)的錯(cuò)向保護(hù)方面還可以得到應(yīng)用，由于增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。而提升機(jī)給出運(yùn)行方向，由于某種原因?qū)嶋H滾筒旋轉(zhuǎn)方向與給出的方向相反，我們稱為錯(cuò)向，錯(cuò)向?qū)μ嵘龣C(jī)的運(yùn)行是不允許的，由于光電編碼器的上述特性，我們可以很方便地判斷出滾筒的實(shí)際運(yùn)行方向是否與給定方向一致，不一致時(shí)馬上加以保護(hù)。由于光電信號(hào)速度很快，因此判斷方向非常靈敏，相比過去采用測試測速發(fā)電機(jī)所發(fā)電壓極性來判斷滾筒實(shí)際轉(zhuǎn)向的方法來說可靠性大為提高。

2?應(yīng)用中問題分析及改進(jìn)措施

2.1?應(yīng)用中問題分析

光電編碼器都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，在使用中暴露出一些缺陷，其有內(nèi)在因素也有外在因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)光電編碼器因機(jī)械接口等原因而引起的移位或松脫，導(dǎo)致編碼器不能可靠地接收到光信號(hào)或計(jì)數(shù)值發(fā)生丟失的現(xiàn)象。例如：光電編碼器應(yīng)用在提升系統(tǒng)中，因光電編碼器是直接用螺栓固定在提升機(jī)主軸的傳動(dòng)軸上，中間是彈性軸聯(lián)接器，如果安裝時(shí)位置過于偏置，造成彈性聯(lián)軸節(jié)傾斜過度，失去彈性作用，因電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載發(fā)生振動(dòng)時(shí)，這樣的振動(dòng)速度會(huì)損壞光電編碼器的內(nèi)部功能，造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動(dòng)作。還有就是由于編碼器是在不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)中，當(dāng)彈性聯(lián)軸節(jié)的固定不緊時(shí)，會(huì)發(fā)生松脫現(xiàn)象，造成計(jì)數(shù)過程中突然丟失脈沖，如果丟失嚴(yán)重的話，會(huì)算出錯(cuò)誤的數(shù)值，造成井深深度指示不對(duì)，或誤報(bào)速度故障。

(2)因光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，受生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測裝置不能可靠地工作。例如在提升機(jī)天輪上安裝的用于防滑保護(hù)的編碼器，由于環(huán)境不好，夏天溫度過高，冬天溫度過低，雨天濕度過大等原因而導(dǎo)致光電檢測裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞而誤發(fā)出信號(hào)。

(3)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種電磁干擾源，對(duì)光電檢測裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電編碼器脈沖輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤計(jì)數(shù)。例如：光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至控制PLC的距離一般在20～100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由于電纜的導(dǎo)線電阻及線間電容的影響再加上和其它電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起脈沖波形失真，從而使計(jì)數(shù)信號(hào)發(fā)生偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。

2.2?改進(jìn)措施

改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器盡量不直接安裝在有震動(dòng)的負(fù)載外殼上，最好制作一固定支架來獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動(dòng)機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動(dòng)機(jī)沖擊負(fù)載對(duì)光電編碼器的機(jī)械沖擊。固定軸聯(lián)接器和傳動(dòng)軸之間的頂絲和固定鍵要經(jīng)常檢查，以防松脫。

合理選擇光電編碼器輸出信號(hào)傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性：一是對(duì)電纜受到的電磁干擾具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，因?yàn)榭臻g電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消；二是互絞后兩線間距很小，兩線對(duì)干擾線路的距離基本相等，兩線對(duì)屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對(duì)抑制共模干擾效果更加明顯。傳輸電纜最好單獨(dú)敷設(shè)，并遠(yuǎn)離變頻器，直流機(jī)車，電焊機(jī)等干擾強(qiáng)烈源。有時(shí)在高速計(jì)數(shù)口上加裝濾波電容，也可有效地排除高頻干擾。

利用PLC軟件監(jiān)控或干涉。在PLC程序中對(duì)某些保護(hù)，如錯(cuò)向和斷軸保護(hù)，設(shè)置一定的時(shí)間濾波，或在深度計(jì)算時(shí)，設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)有效距離也可在軟件上排除誤動(dòng)作。

3?結(jié)語

以上只是談了一些光電編碼器在礦山提升機(jī)電控系統(tǒng)上的一些基本用法，實(shí)際應(yīng)用中光電編碼器還有許多功能，其在電控系統(tǒng)中的重要性也越來越顯示出來。因此，目前在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中，光電編碼器的數(shù)量正在逐步增加，一個(gè)系統(tǒng)中最多時(shí)可用到3～4只光電編碼器。光電編碼器的應(yīng)用是和PLC近年的發(fā)展離不開的，目前在我國礦山系統(tǒng)中所涉及的一些電控領(lǐng)域，都會(huì)看到它的身影。

光電編碼器本身是由電子元器件構(gòu)成，它對(duì)安裝方式和環(huán)境有一定的技術(shù)要求，特別是在較惡劣環(huán)境下使用要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以使光電編碼器工作在其產(chǎn)品要求的技術(shù)條件下，才能發(fā)揮裝置的技術(shù)性能。否則光電檢測裝置的使用壽命及其工作的可靠性都將受到不同程度的影響。