增量编码器接入PLC以后,现场最容易形成一个判断:只要A相、B相都有脉冲,PLC也能够看到计数变化,接线基本就没有问题。真正运行起来却可能完全不是这样。设备低速点动时转一圈计数基本正确,提高电机速度以后PLC累计值开始明显变少;手动转轴十圈几乎没有误差,自动运行几分钟后位置已经偏了很多;还有些设备更换编码器后,A、B相指示灯都在闪,程序也能计数,但实际一圈得到的脉冲数始终不稳定。这类故障不能只用“有没有信号”判断,因为编码器输出的不只是高低电平,还涉及输出电路形式、信号幅值、上升下降速度和允许传输频率。低速能够识别,只能证明当前条件下PLC偶尔能够看懂这些脉冲,并不能证明高速时每一个脉冲都能被可靠捕获。
首先需要确认编码器究竟采用什么输出方式。工业增量编码器常见输出形式包括集电极开路、推挽输出以及差分线驱动等,不同产品对接收端的要求并不一样。集电极开路型输出本身通常需要合适的外部上拉和接收回路才能形成稳定电平;推挽输出能够主动拉高和拉低信号,但仍需要与PLC允许输入电压范围匹配;差分线驱动则通常使用A/A反、B/B反以及Z/Z反成对传输,通过接收两根线之间的差分状态提高抗干扰能力。如果原系统使用差分编码器,维修时换成只有A、B、Z单端输出的产品,即使机械尺寸和脉冲数完全相同,也不能认为电气接口可以直接替换。反过来,把差分输出只取其中一根当普通单端信号使用,也可能失去原本设计的抗干扰能力。
供电电压相同,也不代表输出电平一定相同。有些编码器使用DC 5V供电,有些可以使用更宽范围直流电源,还有些内部输出级与供电方式存在明确关系。PLC高速输入端则可能分为5V差分、24V单端或者其他接口形式。如果把5V线驱动信号直接接到只适合24V逻辑的普通高速输入,PLC可能在低速或某些状态下偶尔识别,却无法保证电平始终越过可靠判定阈值;若把24V信号接入只允许低电压差分输入的接口,还可能造成硬件损坏。因此,更换编码器、PLC或高速计数模块时,必须同时核对供电规格和输出接口,而不是只看“都是ABZ三相”。
低速正常、高速开始少计数时,PLC高速输入允许频率是必须检查的一项。编码器标注每转多少脉冲,并不等于PLC每转只接收这么多个边沿。A、B相采用不同计数方式时,控制器可能按照单倍频、双倍频或四倍频识别。例如编码器机械一圈输出一定数量的A相周期,在四倍频方式下,每个周期的多个边沿都可能参与计数,最终进入高速计数器的有效边沿频率会明显提高。电机转速继续增加以后,输入频率很快就可能接近PLC高速计数通道的能力上限。此时编码器本身仍在正常输出,示波器甚至能够看到完整波形,但PLC已经来不及识别所有边沿,表现出来就是速度越高,累计位置越少。
计算时不能只看电机最终转速,还要考虑编码器安装在哪根轴上。编码器直接装在高速电机轴上,与安装在经过减速后的负载轴上,脉冲频率可能相差很多。设备原来使用每转较低脉冲数的编码器,后期为了提高精度换成高分辨率型号,如果PLC高速输入能力没有同步核对,很容易出现“理论分辨率提高了,实际反而计数不准”的结果。高分辨率不是无条件越高越好,脉冲数越多,控制器、线路和接收电路需要处理的频率也越高。选型时应根据最高机械转速、倍频方式和控制器高速输入能力留出合理余量,而不是只追求每转脉冲数。
输入滤波同样可能吃掉高速脉冲。很多PLC数字量输入为了抑制机械开关抖动和现场噪声,具有一定输入滤波时间。普通限位开关使用几毫秒滤波通常没有问题,但编码器脉冲可能只有几十微秒甚至更短。如果误把编码器接到普通输入,或者高速通道的软件滤波参数设置过大,窄脉冲就可能直接被过滤掉。低速时每个脉冲持续时间较长,系统还能正常计数;转速升高后脉冲越来越窄,于是开始不断漏计。这类故障非常符合“慢速全对、快速就少”的特征。排查时应确认编码器接入的确实是PLC指定高速计数端口,并检查输入滤波、计数模式和端口功能有没有因为程序修改或硬件更换而发生变化。
A、B相的相位关系也会影响方向判断和计数。正常正交增量编码器的A、B两相信号存在固定相位差,控制器利用谁领先谁来判断旋转方向。如果其中一相线路接触不良、受到严重干扰或者波形边沿变形,PLC可能误判部分方向,最终出现计数一会儿增加、一会儿又减掉一点。现场看到的结果就是位置累计值比实际偏小,但并不一定是简单“漏了脉冲”。如果设备静止时计数偶尔自己变化,或者轴始终向一个方向旋转而高速计数器方向位却不断切换,就应该重点检查A、B相波形和线路,而不是继续修改电子齿轮比。
长距离传输和电磁干扰在编码器回路中尤其明显。编码器通常安装在电机、输送机或旋转机构附近,信号电缆很容易与伺服动力线、变频器输出线和制动电阻线路处在同一设备区域。高速脉冲信号的边沿本来就很快,如果屏蔽、接地或双绞结构不合理,干扰脉冲可能被接收端错误识别为真实边沿,也可能使正常脉冲发生畸变。差分线驱动输出之所以在高速、长距离环境中应用较多,一个重要原因就是能够提高对共模干扰的抵抗能力,但前提是接收端也按照差分方式正确连接。将A与A反分别走在毫无关系的不同导线中,或者只接A而把A反悬空,实际上已经破坏了原本的传输结构。
接插件和公共端接触不良也会造成非常隐蔽的计数问题。编码器工作电流不大,一个略微氧化的连接器可能仍然能够提供足够电压,让编码器指示和低速输出看起来正常;设备振动、高速运行以后,连接处瞬间断续,PLC就会漏掉一串脉冲。尤其是空心轴编码器、机器人末端和拖链机构,电缆会长期振动或弯曲,内部芯线可能处于将断未断的状态。设备停下来用万用表测每根线都导通,一运行就出现位置丢失,就是这类故障的典型表现。排查时应结合运行状态检查接插件、拖链电缆和弯曲位置,必要时采用适合高速信号的测量手段观察波形,而不是只做静态通断测试。
如果PLC计数完全稳定,但机械位置仍然不对,则要继续把电气计数问题与机械传动问题分开。联轴器打滑、编码器空心轴夹紧不足、同步轮松动都会让编码器与实际负载之间产生相对运动。此时PLC记录到的每一个脉冲都可能是正确的,只是编码器测到的轴已经不能代表真正需要定位的机构。判断时可以在轴和联轴器上做可靠的位置基准检查,观察发生位置偏差后机械连接有没有相对移动。若高速计数器每转始终得到完全相同的脉冲数,而产品位置仍然逐渐偏移,就不应继续怀疑PLC丢脉冲,而应把重点转向机械传动和编码器安装。
编码器计数不准,比较有效的排查顺序是先确认输出形式与PLC高速输入接口是否匹配,再核对编码器分辨率、最高转速和实际脉冲频率,随后检查计数倍频、输入滤波和A/B相方向,最后再分析信号线、屏蔽、接插件以及机械连接。最重要的是把“编码器有没有输出”“PLC有没有收到全部脉冲”和“机械有没有真正跟着编码器运动”这三件事分开判断。涉及高速旋转轴、编码器和PLC高速计数端口检查时,应先落实停机、防误启动和机械防护措施;编码器供电、输出电路、允许频率和接线方式应以对应编码器、PLC或运动控制模块技术资料及设备原电气图纸为准。