門機電控中編碼器信號干擾的預(yù)防與處理
——以一起信號干擾引起的變頻器故障的處理為例

◎ 陳俊宏

（廣東省儲備糧管理總公司東莞直屬庫，廣東 東莞 523143）

門座式起重機是港口碼頭前沿裝卸一般件雜貨、吊鉤和抓斗兩用的設(shè)備，它可以在工作范圍內(nèi)作起升、變幅、回轉(zhuǎn)的單獨或聯(lián)合動作，操作方便、動作靈活，工作效率高，在港口生產(chǎn)中得以普遍應(yīng)用。廣東省儲備糧管理總公司東莞直屬庫省糧碼頭（以下簡稱省糧碼頭）使用的門座起重機為江蘇鼎盛重工有限公司制造，主要包括行走機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、起升結(jié)構(gòu)、變幅結(jié)構(gòu)四大動作機構(gòu)，均采用西門子300PLC+S120系列變頻器進行驅(qū)動控制。

1 門機電氣控制系統(tǒng)

以省糧碼頭變頻機型為例，控制系統(tǒng)采用PLC進行邏輯運算，不同于老式常規(guī)的繼電器控制，PLC控制反應(yīng)速度快、噪聲低、能耗小、體積小、功能強大及編程方便，可以根據(jù)設(shè)備所要實現(xiàn)的功能修改程序，達到想要的效果。調(diào)速系統(tǒng)采用變頻器進行，搭配編碼器進行矢量運算，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)。這種控制方式精度高，能達到良好的控制性能。除此之外，門機上的輔助安全作業(yè)系統(tǒng)如負(fù)荷稱重系統(tǒng)、煙霧報警系統(tǒng)等也集成于整個電氣控制系統(tǒng)之中，保證了港機設(shè)備作業(yè)穩(wěn)定，安全可靠。

1.1 主令控制器

主令控制器一般由觸頭系統(tǒng)、操作機構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、齒輪減速機構(gòu)、凸輪和外殼等幾部分組成[1]；觸點容量大，操縱檔位也較多；其動作原理是靠凸輪來控制觸頭系統(tǒng)的關(guān)合。

1.2 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）是一種具有微處理器的用于自動化控制的數(shù)字運算控制器，可以將控制指令隨時載入內(nèi)存進行儲存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔蒀PU、指令及數(shù)據(jù)內(nèi)存、輸入/輸出接口、電源及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換等功能單元組成，其工作過程一般分為3個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個階段[2]。完成上述3個階段為一個掃描周期，在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個階段。

1.3 變頻器

變頻器是一種應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備，主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元及檢測單元微處理單元等組成[3]。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的。

1.4 電動機

電動機主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分，是一種將轉(zhuǎn)子置于定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場中，在磁場旋轉(zhuǎn)的作用下轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進而轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場作用感應(yīng)產(chǎn)生力矩，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的裝置。

1.5 編碼器

編碼器是一種將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移（碼盤）或直線位移（碼尺）轉(zhuǎn)換成電信號，按工作原理不同可分為增量式編碼器和絕對式編碼器[4]。其中，增量式編碼器首先將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再將電信號轉(zhuǎn)換成計數(shù)脈沖，最后用脈沖的個數(shù)來表示位移的大??；絕對式編碼器的每個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，其最終結(jié)果只與測量的起點和終點有關(guān)，與其中間過程無關(guān)。

2 門機電控中的編碼器問題

2.1 變頻器閉環(huán)控制環(huán)節(jié)

閉環(huán)控制系統(tǒng)，即根據(jù)控制系統(tǒng)輸出變化信息進行動態(tài)調(diào)節(jié)，通過比較反饋信息與輸入信息，再將兩者比較的結(jié)果反饋至系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)控制，進而避免系統(tǒng)偏離設(shè)定預(yù)期。同理，變頻閉環(huán)控制是指變頻器利用一定方法或裝置反饋的信息與輸出值進行對比、運算，使變頻器輸出結(jié)果貼近精確的設(shè)定值。一般來說，變頻器控制電機有3種閉環(huán)反饋方式，第一種是霍爾傳感器，第二種是利用線圈旋轉(zhuǎn)時的自感應(yīng)反電動勢，第三種是旋轉(zhuǎn)編碼器，前兩種速度精度低，在低速運轉(zhuǎn)時十分難辨別，而帶編碼器的閉環(huán)控制恰恰彌補了前二者的缺陷。此外，在西門子S120、G120系列變頻器中，帶編碼器的矢量控制和無編碼器的矢量控制最大的區(qū)別是在于速度閉環(huán)控制時，速度反饋的來源不同。帶編碼器時為編碼器的實測值，不帶編碼器時為內(nèi)部模型的速度預(yù)估值[5]。

2.2 編碼器常見故障

在碼頭粉塵大、煙霧多等惡劣的環(huán)境下，傳感器、控制器等較精密設(shè)備的穩(wěn)定運行十分受影響，也就間接影響到涉及的相關(guān)閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以編碼器來說，一般有以下幾種常見故障。①元器件故障，因自身損壞，不能正常輸出波形。②電源故障，編碼器通常為DC 5 V，一般不低于DC 4.75V，可能電源出現(xiàn)問題或電纜過長線阻過大。③位置故障，編碼器未與電機轉(zhuǎn)軸同心，影響信號的采集，導(dǎo)致輸出波形錯誤或偏差過大。一般安裝時要與轉(zhuǎn)軸良好對中，防止運行間松動特別是門機振動頻繁的運行環(huán)境下。④信號故障，因通信電纜存在斷路、短路等接觸不良及光柵污染（粉塵環(huán)境尤甚）或屏蔽層沒有良好接地出現(xiàn)干擾。一般來說，這類故障較上述其他項出現(xiàn)頻次更高。

2.3 編碼器連接

對于通信控制電纜的檢查維護，技術(shù)維護人員不應(yīng)忽視，定期進行電氣端子緊固并檢查是否存在短路斷路的地方，保持與檢查動力電同頻次或更高。一般而言，編碼器有8根導(dǎo)線，其中2根為供電電源線，另外6根為3組兩相脈沖信號線，即A相、B相、Z相，其中AB相是正交互差90°信號，Z相是零脈沖信號（辨識旋轉(zhuǎn)圈數(shù)或行走距離，可根據(jù)實際工況需求接線）。此外，不同品牌的變頻器在接線上也有各自的要求，以省糧碼頭門機變頻器S120為例，西門子公司在驅(qū)動系統(tǒng)中專門設(shè)計了帶DRIVE-CLiQ電纜通信接口的電動機和編碼器，而不帶此接口的電動機、編碼器則需要通過編碼器模塊，即SMC（機柜式編碼器模塊）或SME（機柜外部編碼器模塊）進行信號轉(zhuǎn)換，再連接到變頻器的電動機模塊當(dāng)中。上位機配置系統(tǒng)時，也需十分注意組態(tài)中編碼器的類別選型、參數(shù)設(shè)置，這將直接影響調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.4 屏蔽層接地

因編碼器信號屬于中高頻電磁波信號，加之處于港口特殊的作業(yè)環(huán)境，這就意味著通信傳輸類故障是港機電氣系統(tǒng)中編碼器出現(xiàn)頻率最高的，這其中一大部分就涉及到屏蔽層的接地問題。以S120、G120等系列為例，設(shè)備連接規(guī)范中指出在編碼器屏蔽層雙端需要大面積連接到金屬導(dǎo)體，即屏蔽層雙端接地，但這種接線方式極易受環(huán)境影響，當(dāng)發(fā)生兩地電位不等的情況，產(chǎn)生的環(huán)流干擾信號采集與傳輸，這就十分考驗實際工程中系統(tǒng)EMC、EMI是否達標(biāo)了。另一種常見方式為屏蔽層單端接地，即一端的屏蔽層進行接地，另一端懸空不接地或保護接地。單端接地在遠(yuǎn)距離傳輸時運用比較多，因為距離較長時所測量的數(shù)據(jù)極易受到干擾，造成誤差，所以在需外加中間信號電纜駁接時，只在接收端的屏蔽層進行 接地。

3 故障發(fā)生情況

2021年5月10日下午15:21，門機司機反饋在門機裝船作業(yè)進行擺幅操作時，頻繁出現(xiàn)變幅停機故障。為防止出現(xiàn)高空撒落等安全隱患，門機停止作業(yè)。15:40，技術(shù)人員趕到現(xiàn)場進行處置，根據(jù)司機室觸摸屏反饋變幅變頻器故障情況，打開電柜變頻器面板顯示F31118故障代碼。查閱S120故障手冊，故障代碼顯示原因為編碼器轉(zhuǎn)速差值超出公差。根據(jù)故障手冊及維修經(jīng)驗，技術(shù)人員首先查看電柜側(cè)編碼器信號線接線正常；隨后打開電機風(fēng)機罩子，查看位于轉(zhuǎn)軸末端的編碼器機械連接正常，信號線無碰殼，緊固正常。隨后打開下位機starter軟件進行軌跡波形錄制對比，發(fā)現(xiàn)在出幅和收幅動作都不定時出現(xiàn)波形偏差超出故障閾值觸發(fā)故障。根據(jù)波形判斷，可能存在通信線路干擾的地方，隨后對整個通信線路進行檢查，發(fā)現(xiàn)在SMC30模塊接收端一處接地電纜側(cè)存在斷纜虛接情況。對其進行修復(fù)后再次運轉(zhuǎn)半小時以上錄制波形監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故障不再發(fā)生，問題得以解決。

4 故障分析

4.1 故障發(fā)生原理

在帶有編碼器反饋的速度閉環(huán)控制下，當(dāng)電機運行時，位于電機轉(zhuǎn)軸處的編碼器采集轉(zhuǎn)速處理成電信號發(fā)送至SMC30處理單元，隨后傳送至變頻器驅(qū)動單元進行處理，驅(qū)動單元對采集信號與此刻主令控制器操縱的檔位對應(yīng)的轉(zhuǎn)速進行對比，當(dāng)公差大于驅(qū)動單元專家列表參數(shù)P0492值時，驅(qū)動單元輸出故障信號，切斷使能信號，PLC輸出信號進行電機剎車抱閘，中止作業(yè)。

4.2 故障發(fā)生原因

在糧食碼頭惡劣的環(huán)境下，隨著作業(yè)時長的累積，通信線纜會因門機震動、鼠蟲撕咬等出現(xiàn)松動或斷纜的情況。當(dāng)編碼器屏蔽層沒有良好接地時，信號干擾就會隨之出現(xiàn)。

5 改進方案

（1）考慮到碼頭特殊工況環(huán)境及門機時常震動的運行特點，應(yīng)定期維護檢查通訊、控制線路特別是屏蔽層，避免出現(xiàn)接地不良導(dǎo)致的通訊故障。

（2）針對雙端接地可能存在電壓差等不穩(wěn)定性，可以改用單端接地，效果良好。

（3）針對頻繁出現(xiàn)的電磁干擾（錄制的波形毛刺較多），必要時可以通過動力線與雙絞線分開布局、軟硬件手段進行噪聲濾波、光電耦合隔離等方法進行抑制。

（4）適當(dāng)?shù)靥岣逷0492閾值，過高則影響控制精度。

（5）以省糧碼頭為例，針對進口編碼器供貨周期久的情況，可提前供貨備件，降低因備件故障導(dǎo)致的經(jīng)濟損失。

6 結(jié)語

近年來，隨著省糧東莞庫百萬噸倉容投產(chǎn)，碼頭裝卸業(yè)務(wù)量也隨之達到前所未有的高峰。因此門機的利用率呈現(xiàn)跨越式提升，而如何減少故障率、保證裝卸的效率，就十分考驗技術(shù)人員平時的維保功力以及應(yīng)急排故水平。通過此次S120變頻器故障反饋，以編碼器信號屏蔽層問題為例進而引申到港口電氣設(shè)備其他方面的保養(yǎng)維護，技術(shù)人員應(yīng)針對一些故障頻發(fā)部位、關(guān)鍵核心部位進行定期專項性保養(yǎng)檢查，結(jié)合規(guī)范、經(jīng)驗梳理一套指導(dǎo)流程，及時備好易損器件，有效降低港機故障發(fā)生率，保障港口生產(chǎn)效益。