هوشیار صنعت اسپادانا

انکودرهای افزایشی و مطلق، تفاوت‌ها وکاربردها

چالش انتخاب بین سادگی راه اندازی انکودرهای افزایشی و امکانات خاص انکودرهای مطلق در ازای پیچیدگی.

انکودرها دستگاه‌هایی هستند که برای اندازه‌گیری موقعیت، سرعت و جهت حرکت استفاده می‌شوند. انکودرها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: انکودرهای افزایشی و انکودرهای مطلق. هر کدام از این دو نوع دارای ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود هستند که آن‌ها را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌سازد که در این مقاله به آن می‌پردازیم.

انکودرهای افزایشی[1]

ساختار سیگنال خروجی: انکودرهای افزایشی سیگنال‌هایی به صورت پالس تولید می‌کنند که نسبت به تغییرات موقعیت حساس هستند. این پالس‌ها توسط شمارنده‌ها[1] یا کنترلرها شمارش می‌شوند تا میزان حرکت و جهت آن مشخص شود. انکودرها عموماً سه سیگنال A,B,Z را برای شمارنده و یا هر پردازنده‌ای که قصد کنترل موقعیت را با آن داشته باشیم می‌فرستند. همه انکودرها سیگنال A,B را دارند و در برخی از آنها سیگنال Z که معرف یک دور کامل هست بسته به شرایط وجود ندارد. سیگنال Z در برخی از اسناد کارخانه‌ای ایندکس هم نامیده می‌شود و با حرف I  نمایش داده می‌شود.سیگنال‌های A و B دو سیگنال مربعی با چرخه کاری(Duty cycle) 50% هستند که نسبت به یکدیگر 90 درجه اختلاف فاز دارند در حرکت ساعتگرد(CW) سیگنال A پیش‌فاز بوده و در حرکت پادساعتگرد(CCW) سیگنال B پیش‌فاز است و با توجه به تقدم و تاخر سیگنال ها جهت حرکت نیز توسط پردازنده مشخص می‌گردد.

مقایسه انکودرهای افزایشی (INCREMENTAL ENCODER) نسبت به انکودر های مطلق (ABSOLUTE ENCODER)

مزایای انکودرهای افزایشی در مقایسه:

• سادگی و هزینه کمتر: انکودرهای افزایشی طراحی ساده‌تری دارند و معمولاً ارزان‌تر از انکودرهای مطلق هستند.
• کاربردهای سرعت:  به دلیل تولید پالس‌های پیوسته، برای اندازه‌گیری سرعت مناسب‌تر هستند، همچنین با توجه به اینکه شمارش پالس بسیار سریع تر از خواندن فریم داده انجام می‌شود برای کار در سرعت‌های بالا این انکودرها به شدت مناسبتر از انکودرهای ابسولوت هستند.
• سادگی ارتباط: تمامی پردازنده‌ها اعم از انواعPLC، میکروکنترلرها، شمارنده‌های تجاری و حتی آردوینو ARDUINO))  به سادگی با این انکودر ارتباط برقرار می‌کنند و نیاز به تخصص و تجربه خاصی برای راه‌اندازی ندارند. برنامه‌های کاربردی برای هر قسمت را در صفحه مربوط به محصولات سری IN50 ملاحظه فرمایید.

معایب انکودرهای افزایشی در مقایسه:

• عدم حفظ موقعیت پس از خاموش شدن:  موقعیت دقیق پس از خاموش و روشن شدن سیستم از دست می‌رود و نیاز به بازگشت به نقطه مرجع دارد. البته در برخی کاربردها با سیگنال ایندکس(Z) می‌توان تا حدی این مساله را جبران کرد.
• نیاز به شمارش مداوم: برای تعیین موقعیت دقیق، نیاز به شمارش پالس‌ها به صورت مداوم دارند و در صورت قطع ارتباط با پردازنده دیگر اطلاعات مربوط به موقعیت و سرعت قابل دسترسی نیستند.

کاربرد‌های انکودر افزایشی:

انکودرهای افزایشی با توجه به سهولت راه‌اندازی سرعت بالا و قیمت مناسب جایگاه پرکاربردترین‌ها را در صنایع مختلف ‫به خود اختصاص داده است. در زیر قسمتی از کاربردهای این انکودر آوردشده:

• ‫خودروسازی: اندازه گیری سرعت چرخ ها،کنترل ترمزABS، کنترل موقعیت، سیستم های ناوبری.
• رباتیک: کنترل حرکت دقیق بازوها و مفصل ها، اندازه گیری موقعیت ابزارها، سیستم های بینایی ماشین.
• کنترل عددی(CNC): کنترل موقعیت دقیق ابزارهای برش، حفاری و فرزکاری، کنترل حرکت محورهای ماشین کاری.
• بسته بندی: کنترل سرعت و موقعیت نوار نقاله، کنترل پرکردن بسته بندی ها، کنترل بسته بندی محصولات.
• پزشکی: تجهیزات تصویر برداری پزشکی، تجهیزات جراحی، دستگاه های فیزیوتراپی.
• انرژی: توربین های بادی، نیروگاه های خورشیدی، سیستم های کنترل موتور.
• چاپ: کنترل موقعیت رول های کاغذ، کنترل کیفیت چاپ.
• نساجی: کنترل سرعت و تنش نخ، کنترل موقعیت دستگاه های بافت.
• هوافضا: سیستم های کنترل پرواز،  سیستم های هدایت و ناوبری.
• آسانسور: تشخیص سرعت، کنترل حلقه بسته گشتاور موتور، تشخیص طبقات و موقعیت کابین.
• اتوماسیون صنعتی: کنترل موتورهای سروو، سیستم های کنترل خط تولید، خطوط تولید فولاد و رولفرمینگ.

در این ویدئو یک نمونه از راه اندازی یکی از خطوط رول فرمینگ توسط واحد اتوماسیون صنعتی شرکت هوشیار صنعت را مشاهده می‌کنید. این خط به سفارش شرکت فولادبام اسپادانا راه اندازی شده است. انکودر استفاده شده در این پروژه انکودر 1000 پالس IN50 (افزایشی) می‌باشد.

انکودرهای مطلق[1]

ساختار و عملکرد:

انکودرهای مطلق یک کد منحصر به فرد برای هر موقعیت تولید می‌کنند. این کدها معمولاً به صورت باینری، گِری یا BCD[2] تولید می‌شوند و مستقیماً به سیستم کنترل ارسال می‌شوند. مهم‌ترین پارامتر در انکودرهای مطلق پروتکل ارتباطی آنها و طریقه ارسال داده برای گیرنده(پردازنده) هستند. از پر کاربردترین‌های انکودر مطلق می‌توان به انکودرهای زیر اشاره کرد:

• انکودر(Synchronous Serial Interface) SSI
• انکودر مدباس (MODBUS)
• انکودر پروفی باس(PROFIBUS)
• انکودر پروفی نت(PROFINET)
• انکودرها با خروجی آنالوگ(ANALOG)
• انکودر (CAN OPEN)

موضوع مهم پشتیبانی پردازنده و کنترلر از پروتکل انکودر است. بر خلاف انکودرهای افزایشی که به تمامی پردازنده‌ها با ورودی‌های فرکانس بالا متصل می‌شوند، در انتخاب این انکودرها امکانات موجود در پردازنده باید مورد توجه قرار گیرد.  انکودرهای مطلق پس از خاموش شدن و روشن شدن مجدد، موقعیت خود را به یاد می‌آورند و نیازی به بازگشت به نقطه مرجع نیست حتی در صورت قطع برق و تغییر موقعیت در زمان خاموشی، مقدار زاویه به محض روشن شدن مقدار صحیحی است(در این مورد انکودرهای تک دور(Single turn)  و چند دور(Multiturn) تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند.

مقایسه انکودرهای مطلق (ABSOLUTE ENCODER) نسبت به انکودر های افزایشی (INCREMENTAL ENCODER)

مزایای انکودر مطلق نسبت به افزایشی:

• دقت بالا و حفظ موقعیت: موقعیت دقیق هر نقطه در صورت قطع و وصل منبع انرژی حفظ می‌شود و پس از خاموش شدن نیازی به کالیبراسیون مجدد نیست.
• قابلیت اطمینان بالا: برای کاربردهایی که نیاز به دقت و قابلیت اطمینان بالا دارند مناسب است.
• قابلیت شبکه شدن: شاید مهمترین قابلیت انکودرهای ابسولوت این است که نوعاً قابلیت شبکه شدن بدون سیم‌کشی اضافه را دارند(به طور خاص در انکودرهای MODBUS و انکودرهای PROBUSیا (PROFINET). ارسال داده در این انکودرها تا مسیرهای بسیار بلند قابل دسترسی هستند که راه اندازی اتاق‌های کنترل در موقعیت دورتر از کارخانه را امکان‌پذیر می‌کند.

معایب:

هزینه بالاتر: طراحی پیچیده‌تر و معمولاً گران‌تر از انکودرهای افزایشی هستند.

پیچیدگی بیشتر: نیاز به سیستم‌های کنترل پیچیده‌تر برای پردازش کدهای موقعیت.

کاربرد‌ها:

• ‫خودروسازی: اندازه گیری سرعت چرخ ها،کنترل ترمزABS، کنترل موقعیت، سیستم های ناوبری.
• رباتیک: کنترل حرکت دقیق بازوها و مفصل ها، اندازه گیری موقعیت ابزارها، سیستم های بینایی ماشین.
• کنترل عددی(CNC): کنترل موقعیت دقیق ابزارهای برش، حفاری و فرزکاری، کنترل حرکت محورهای ماشین کاری.
• بسته بندی: کنترل سرعت و موقعیت نوار نقاله، کنترل پرکردن بسته بندی ها، کنترل بسته بندی محصولات.
• پزشکی: تجهیزات تصویر برداری پزشکی، تجهیزات جراحی، دستگاه های فیزیوتراپی.
• انرژی: توربین های بادی، نیروگاه های خورشیدی، سیستم های کنترل موتور.
• چاپ: کنترل موقعیت رول های کاغذ، کنترل کیفیت چاپ.
• نساجی: کنترل سرعت و تنش نخ، کنترل موقعیت دستگاه های بافت.
• هوافضا: سیستم های کنترل پرواز،  سیستم های هدایت و ناوبری.
• آسانسور: تشخیص سرعت، کنترل حلقه بسته گشتاور موتور، تشخیص طبقات و موقعیت کابین.
• اتوماسیون صنعتی: کنترل موتورهای سروو، سیستم های کنترل خط تولید، خطوط تولید فولاد و رولفرمینگ.

در این ویدئوی کوتاه، انکودر AS100 آنالوگ شرکت هوشیار صنعت، نصب شده در واحد گنداله سازی فولاد مبارکه اصفهان را مشاهده می‌کنید. این انکودر در این خط مسئول کنترل دریچه خروجی را بر عهده دارد.

مقایسه کلی:

جمع‌بندی

 انتخاب بین انکودر افزایشی و مطلق به نیازهای خاص پروژه بستگی دارد. اگر دقت بالا و حفظ موقعیت پس از خاموش شدن مهم است، انکودرهای مطلق  یا همان انکودر های ابوسولوت انتخاب بهتری هستند. اگر هزینه و سادگی مهم است و نیاز به اندازه‌گیری سرعت و جهت دارید، انکودرهای افزایشی مناسب‌تر خواهند بود.

با در نظر گرفتن این نکات و تطبیق آن‌ها با نیازهای پروژه خود، می‌توانید بهترین نوع انکودر را انتخاب کنید تا عملکرد و کارایی سیستم بهینه شود.

• [1] Incremental Encoders
• [2] Counters
• [3] Absolute Encoders
• [4] binary-coded decimal