Енкодери за тежки работни условия

• Агресивните условия могат не само да компрометират изправното функциониране на чувствителни електромеханични устройства като енкодерите, но и да им нанесат сериозни щети
  
  
• За тежки промишлени приложения е препоръчително се селектират модели в специално изпълнение – с висока степен на защита на корпуса (IP) и устойчив на температурни и механични въздействия дизайн
  
  
• Безлагерните конструкции елиминират множество проблеми при експлоатацията на енкодери в агресивни среди

Работната среда в редица промишлени отрасли се характеризира с наличието на екстремни температури, влага, интензивно запрашаване, вибрации, химикали и разнородни замърсители. Агресивните условия могат не само да компрометират изправното функциониране на чувствителни електромеханични устройства като енкодерите, но и да им нанесат сериозни щети. Най-често негативните влияния се натрупват в продължение на няколко години и в даден момент водят до отказ на устройството. В доста случаи се стига и до внезапни повреди в енкодерите вследствие на извънредно събитие.
Ето защо експертите в сферата на индустриалната автоматизация препоръчват за тежки промишлени приложения да се селектират модели в специално изпълнение – с висока степен на защита на корпуса (IP) и устойчив на температурни, механични и химически въздействия дизайн. Сред препоръчителните за такива сценарии решения са безлагерните конструкции, както и специализираните инструменти за мониторинг на състоянието и диагностика на оборудването, които навременно предупреждават за предстоящи или настъпили неизправности.

Съображения при избора във връзка с работната температура

Т. нар. IP (Ingress Protection) клас по стандарта IEC 60529 дефинира на какъв тип негативно влияние и с каква продължителност е проектирано да издържа дадено устройство. Изборът на енкодер с оптимален IP рейтинг (нито по-нисък, нито по-висок) гарантира, че няма да възникнат повреди вследствие на характерните за средата работни условия, както и че няма да бъдат вложени твърде много средства в прекалено "подсигурен" за приложението си продукт.

Освен със съответната степен на IP защита енкодерите се характеризират и с номинален температурен рейтинг, чрез който производителят указва в какъв температурен диапазон е предназначено да работи устройството. На пазара се предлага широка гама от специализирани модели за екстремни среди, а голяма част от доставчиците в бранша осигуряват и удобни онлайн конфигуратори, чрез които потребителят може да открие оптималния продукт спрямо зададените параметри на търсене.

Сред най-честите проблеми при енкодерите, работещи при агресивни условия, са тези, свързани с лагерите. При регулярно регистриране на несъосност на валовете или други рецидивиращи проблеми с лагерните механизми е добре да се заложи на производител, който влага по-качествени компоненти (например съединители/връзки за куплиране) с оптимизиран за приложението дизайн. Алтернативен вариант е използването на резолвери, които не са податливи на повреди в електрониката поради екстремни температури, влага или вибрации, тъй като не разполагат с такава. Доставчиците предлагат богат избор от такива устройства, със сходен електромеханичен дизайн като класическите енкодери или пък с безрамкова/безлагерна конструкция.

Що се отнася до ефектите от работа при влага, прекалено високи или ниски температури – както оптичните, така и магнитните енкодери (макар и в по-лека степен) са застрашени от влошаване на функционалните показатели и механичните свойства и драстично съкращаване на сервизния живот.
При оптичните устройства топлинното разширение след прегряване може да доведе до контакт между диска и източника (детектора) и да причини щети или дори фатална повреда на енкодера. Екстремните температури увеличават риска от възникване на неизправности и в самите дискове, например изкривяване на сигнала поради обезцветяване на повърхността или огъване на компонента. Продължителното излагане на твърде високи температури постепенно компрометира изправността и на лагерите, смазочните флуиди и уплътненията, което може да предизвика преждевременен отказ на устройството.

Ниската температура на работната среда пък води до опасност от появата на друга група проблеми. Кодираните дискове на оптичните модели могат да се изкривят заради свиване на материала и отново да се стигне до влошаване в качеството на сигнала и други потенциални аномалии. Лагерните смазки пък се втвърдяват на студено, а ако енкодерът е бил извън работен режим преди това, те най-вероятно няма да са и равномерно разпределени в механизма. Така би могло да настъпи нежелано триене и последващи повреди.

При магнитните енкодери разширяването и свиването на дисковете би могло да обърне полюсите и да компрометира изходните данни. Рискът от контакт между компонентите вследствие на топлинно разширение при тях е сведен до минимум, тъй като толерансите при въздушните междини са по-големи.

Селекция на енкодер за екстремни температури

Задълбоченият анализ на работните условия и конкретните параметри на температурата е от критично значение при специфициране на енкодер за дадено индустриално приложение. Специалистите препоръчват при характерни за средата екстремуми да се заложи на модел с рейтинг в диапазона -40°C – 85°C и максимална скорост до 3000 об/мин. Важно е да се отчете, че за всеки 1000 оборота в минута над допустимата честота на въртене горната температурна граница типично трябва да се занижи с до 10 единици.

Важен показател за дълговечността на енкодерите за агресивни промишлени среди е т. нар. HALT (Highly accelerated lifetime testing) метод на заводско изпитване, при който дизайнът и работата на устройството се подлагат на тестване с комбинация от вибрации и шокови спадове и пикове в температурата. Ако разполага с такъв сертификат, даденият модел е с гаранция за безпроблемно дългосрочно използване в тежки приложения. Стъклените градуирани дискове обикновено не подлежат на подобно сертифициране, тъй като са крехки и чупливи.

Изискванията на приложението по отношение функционалните показатели на еднкодерите също са важен критерий за избор на модел. Често се налага компромис с резолюцията при селекция на диск с дадени качествени характеристики. Стъклените и металните кодирани дискове се отличават със сравнително ограничена разделителна способност. Най-висока резолюция би могла да бъде постигната при компоненти с високоефективно отразително полиестерно покритие, например майлар (mylar). Тези дискове обаче са и много по-податливи на температурни изменения. Ето защо невинаги е препоръчително да се заложи на устройството с най-високи работни показатели.

Влияние на влагата върху работата на енкодерите

Наличието на влага е разпространено обстоятелство в множество промишлени сектори, например в целулозно-хартиената индустрия и други производства. В редица отрасли, като хранително-вкусовия и фармацевтичния, са необходими и специализирани технологични процедури за почистване и стерилизиране. Те включват не само мокрене на повърхностите и оборудването, но и интензивно промиване с вода под налягане или дезинфекция с гореща парна струя. Влагата може да повреди както електронните, така и оптичните компоненти на енкодерите. Проблеми крият и корозивните среди в химическата и корабостроителната индустрия например.

Ако един енкодер със степен на защита IP54 е достатъчно устойчив на навлизане на прах в корпуса и напръскване с вода, то за системи, които са подложени на ежедневно промиване, е необходим модел с клас поне IP64 – за почистване с водна струя под ниско налягане, и IP66 – за струи с високо налягане. Рейтинг IP67 осигурява защита дори при потапяне изцяло под вода до определена дълбочина. Електронните компоненти са капсулирани, лагерите са със специфичен дизайн, а уплътненията, смазочните флуиди и корпусите са от специализирани за целта материали. Добре е да се обърне необходимото внимание и на монтажните изисквания на продукта.

В зависимост от необходимата резолюция и производителност на енкодера в голяма част от агресивните приложения с наличие на влага се препоръчва избор на магнитната технология пред оптичната.

Диагностика на състоянието

За да се гарантира, че интегрираните в дадена промишлена система енкодери работят изправно, е добре в поддръжката им да се заложат решения за мониторинг на състоянието. За проверка на работните напрежения е достатъчно регулярното използване на преносим мултиметър. Експертите препоръчват обаче да се предвиди и диагностика посредством осцилоскоп, която да осигури цялата необходима информация относно изходния сигнал и работата на устройството. За тестване на енкодера може да се използва и стандартен квадратурен брояч с адаптиран кабелен комплект, чрез който да се провери съответствието на моментната с номиналната резолюция. При генерална диагностика на повреди загубите на импулси, фазовото изместване и отклоненията в работните цикли са индикации за износване на лагерния блок, замърсяване с прах на оптичния диск или сензорния чип. Откриването на такива проблеми на практика е възможно с брояч, но в дългосрочен план осцилоскопът би бил по-полезен инструмент.

Износване на лагерите може лесно да бъде регистрирано чрез леко преместване на корпуса на енкодера в различни посоки, за да се инспектира пространството между механичните компоненти. Повреди от този тип са свързани най-вече с наличието на токове на утечка, изтриване на сачмените лагери, засъхване на смазката на лагера или нейното замърсяване с прах. Добър подход при съмнения за такива проблеми е да се премахнат радиалните уплътнения или лагерните предпазители и да се провери дали греста съдържа нежелани частици и дали цветът, текстурата и вискозитетът й са различни от очакваните.

Безлагерните конструкции са отлично решение за приложения в чисти помещения с големи ограничения на допустимите отклонения при монтажа. При адекватна защита на устройството могат да се реализират множество ползи. Монтажът на задния фланец при големи и тежки синхронни или асинхронни двигатели обаче би могъл да се окаже предизвикателство. При магнитни енкодери е важно да се вземат предвид металните частици, които е възможно да се натрупат върху ринга, тъй като те биха повлияли на сигнала.

На пазара се предлагат и специален клас безконтактни енкодери, при които е елиминиран рискът от износване на компонентите. Те са оптимално решение за редица приложения с наличие на абразивно замърсяване и интензивни вибрации.

При анализа с цел отстраняване на неизправности при енкодерите в агресивни среди е добре да се вземат предвид няколко ключови фактора, като обикновено изходното напрежение е най-маловажният сред тях. Ако се изпраща импулсен вход към PLC или панелен измервателен уред, тогава напрежението при включване е вероятно да е доста под номиналното напрежение на енкодера. По-значителен проблем е формата на вълната/честотата на импулсите на устройството. В зависимост от типа на използваното устройство варира и начинът, по който се генерира импулс. Чрез измерване с осцилоскоп може да се проследи интервалът между импулсите.

На база спецификациите на продукта може да се изчисли дали той работи изправно и в кой компонент има потенциален проблем. При наличие на импулси с неправилна скорост подозренията са за механичен проблем, например приплъзване на лагера.

Интерфейсна диагностика и интелигентна поддръжка

В зависимост от модела и приложението съвременните енкодери осигуряват множество възможности за интерфейсна диагностика на устройството. Все по-търсени в практиката са т. нар. интелигентни или смарт модели. Налични са програмируеми версии както при инкременталните, така и при абсолютните енкодери. Обикновено са подходящи за директен ретрофит на амортизирани устройства в експлоатация. Разполагат с LED дисплеи и позволяват прецизно конфигуриране. Посредством мрежова EtherNet/IP свързаност те подлежат на непрекъснат мониторинг и диагностика и могат да изпращат до потребителя известия във връзка с прогнозната поддръжка на системата. Power-over-Ethernet технологията вече стандартно позволява управление и захранване само чрез един-единствен кабел.

Продуктите с поддръжка на комуникационния стандарт IO-Link позволяват визуализиране в реално време на температурата на енкодера, както и продължителността на работния цикъл. Сред параметрите, които подлежат на интерфейсен мониторинг, са и броят обороти на всяко пълно завъртане при ротационните енкодери. Съвременните софтуерни платформи за диагностика включват инструменти за анализ на регистрираните проблеми, възможни причини и ефективни стратегии за отстраняване на проблемите.

Безлагерните ротационни устройства са добро решение за множество приложения, при които се наблюдават силни вибрации или големи натоварвания на вала. Тези устройства елиминират риска от редица повреди във връзка с физическото състояние поради сведения до минимум брой подвижни компоненти и типично са по-добре уплътнени. В комбинация с високоиздръжливия дизайн по-ниската им цена е добра обосновка при избора им за тежки индустриални приложения.