张中华
宁波北仑国际集装箱码头有限公司
摘 要： 龙门吊和桥吊编码器在生产作业中常因高温或者振动引发异常，故障不易判断，且修理时间较长。集装箱码头大型设备编码器测试装置依据港机实时工况运行，结合示波器对编码器输出波形进行观察，判断编码器是否故障，测试准确性高，为编码器维保修理检测工作带来极大便利。
关键词： 编码器； 自动化； 故障
编码器是龙门吊和桥吊进行集装箱装卸作业时，对起升、大车、小车等电机进行闭环控制的机电自动化反馈装置。龙门吊和桥吊编码器使用周期受控因素较多，安装不平整不到位、使用环境恶劣、机械振动，都会影响其使用寿命[1]。一般使用年限在3年左右，更换维护费用大。宁波北仑国际集装箱码头有限公司现有41台新老搭配的轮胎式龙门吊和1台换箱门机及11台桥吊，大量的编码器应用于这些港机上。编码器工作方式是依靠电机或机械传动的中心轴带动，来读取测速反馈信号，形成自动化控制。编码器在工作过程中造成的故障占设备总故障的比例一直居高不下，导致港机技术员在编码器的测试保养上花费了许多时间。为了实现编码器测试维修保养的自动化功能，需要一个自动化的编码器测试工作台，使编码器在真实工况运行下测试[2]。
本测试装置由小型齿轮减速电容运转异步电机、调速装置、霍尔测速数显装置、电源、开关旋钮、指示灯、机械台、示波器等构成。经过各部件图形设计、加工、设备安装、测试、整改、重新测试等步骤，依据工况条件，实现编码器在不同速度段时，设计出与现实工况相同的测试工作台。编码器是靠电机中心轴带动的，电机的转速就是编码器的控制命令，通过机械连接缓冲把电机中心轴与编码器轴相连，经示波器测量并观察编码器输出波形状态。利用测试工作台，实现编码器不在港机上也能真实反映工作时的运行工况，从而能有效地对编码器状态进行测试，判断其正常与否，针对测试结果对编码器进行维保。
该编码器测试装置使用单相220 V的51K40GN-CR齿轮减速电容运转异步电机，作为电力拖动，其主要参数为：电机额定功率40 W，额定电流为0.35 A ,启动电容为2.5 uf/450 V，频率50 Hz，输入电压AC220 V，额定转速1 300 r/min。其搭配通用小型螺旋齿轮使用，可以缓冲启动时的冲击，达到易调速控制特点，且稳定性好。该编码器测试装置电器原理图见图3。
正反转切换主要用途是改变测试工作台电机运行旋转方向，即编码器的旋转方向来反映生产作业时的实际运行工况。用外置转换旋钮改变电机运行方向，以改变编码器旋转方向。
图1 集装箱码头大型设备编码器测试装置电器原理图
另外，在此基础上加上LED识别指示灯，红色代表电源指示，绿色代表正转指示，黄色代表反转指示，使各状态一目了然。
3.1 编码器测试装置的调速原理与作用
单相交流电机调速器的工作原理是在电动机控制回路中串入双向可控硅，通过积分器与转速给定信号比较,其误差放大后和过零触发信号经驱动移相触发器实现电压自动调整，从而使转速稳定在给定值；控制可控硅的导通角，从而控制电动机的端电压。需要改变转向时，只需将电动机正反转接头对换即可。该电路是带反馈可控硅调压电路。
本装置调速机构采用AC220 V供电，频率50 Hz，最大电流5 A，可带动电机功率为6～140 W，调速反应灵敏度0.5%，通过双向SCR，改变其导通角来进行速度调节，可完全适应测试工作台电机调速拖动编码器。
3.2 测试装置内的霍尔测速数显构成及选型
霍尔测速数显装置由数显表头和霍尔开关2个部分组成。霍尔开关是一种利用霍尔效应的磁感应式电子开关，属于有源磁电转换器件。当霍尔感应头与磁铁处于垂直状态，两端产生电位差，将这个信号传给数显表头并计数1，在1 min之内如此反复，就完成了转速测量工作。
RC41智能数显转速表，测速范围3.8～9 999 r/min，输入电源DC8～24 V或AC6～18 V，输出电流20 mA供传感器用，4位LED显示。采用低速测周期，高速测频率，通过算法使整个测量范围保持高精度，能瞬时反映转速，如停机时能立即显示零，并使显示数据不闪烁。采用精密的电压基准源，温度系数小，采用光耦隔离，数字滤波，抗干扰性能好，工作稳定。
3.3 测试装置的电源解决方案
(1)主工作电源AC220 V解决方案。采用安全隔离变压器，使测试台与市电安全隔离，同时又可预防电源谐波干扰，防止影响编码器的测试精度。既可提高测试精度，又能确保人员的安全。
(2)副工作电源解决方案。采用变压器降压，经桥式整流滤波稳压后，产生DC12 V的稳定电压，此电压可满足调速控制、数显转速表的供电要求。
3.4 编码器测试装置控制流程
测试装置接通电源，按需选择正反转转换开关，使正反转控制命令切换到电机，相应指示灯点亮。通过调速装置控制电机的速度，同时霍尔传感器检测到电机的速度，使电机转速反应在显示屏上。此速度也就是编码器实时旋转速度和运转方向，能较好地反应机上实时运行速度的状态。
编码器测试装置依据港机实时工况运行，结合示波器对编码器输出波形进行直观观察，以波形正常与否为依据，可及时发现有故障编码器。同时，对时有时无的隐蔽性故障编码器，可适时进行故障跟踪，直至修复。
该装置可与任何示波器匹配测量，不受测试装置的约束，具有体积小、移动方便、实时工况模拟性高、测试准确性高、低成本、低功耗、低复杂度的特点，为编码器维保修理检测工作带来极大便利，避免因编码器故障影响生产作业。此编码器测试装置工作台，还可拓展应用到其他行业上的编码器测试维保工作中。
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