浅析编码器在超级工程中的应用

品质始于设计与沟通

真正的技术，并不是在于有多时髦先进的名词，而在于真实为客户利益设计，在于在产品使用过程中的品质保证和简单好用无需服务或者少服务，产品体现出来的使用性低成本。

没有客户利益设计的创新是噱头，没有品质保证的创新是折腾。这是超级工程中需要的编码器特征。这种编码器的品质始于设计与沟通。

南海造岛，那18个月发生了什么

为什么从SSI改为4—20mA？

18年前美国军用飞机耀武扬威地飞到了我们海南岛的家门口，并与我保卫国家主权的空军发生撞机事件。南海自古是中国领土海域，中国每天所用的石油资源，绝大部分运载石油的船只都必须经过南海。

中国必须保卫南海。在南海造岛，保家卫国！

造岛需要有技术，由于美国人的阻挠，国外的造岛技术不愿意给中国，那么我们就自己来干！

实际上我们的造岛技术始于上海的洋山港，挖泥船。

洋山港本来也是东海上的一座小岛，离上海要有100多公里，但是那里是离上海最近的深水港区。洋山港的设计者们在设计时遇到了一个难题，就是处于钱塘江与长江两个大江入海口的洋山，每年随着上游冲下来的流沙堆积，会不会建好后的深水港变为浅水港，航道被积沙堵塞？于是想到了挖泥船（当时还叫挖泥船还不是现在的吹砂造岛功能），但是一问进口的这种深水型挖泥船很贵，买一条船还远远不够，于是就有了一个中国人自己干的“百船计划”：将一百条船改造为这种深水挖沙船，挖出来的沙堆起来继续造洋山港二期、三期。。。

而今上海洋山港的年吞吐量已是世界第一大港，这洋山港的建设也同样是举世瞩目的超级工程了。而这一个“百船计划”，后来扩充升级拉到了南海，又造出了让全世界惊呼的“造岛狂魔”的大号。

挖泥船：

在挖泥船上最初用的是进口编码器，SSI信号。

SSI称为同步串行界面，所谓的同步是由时钟信号触发数据传输，每一个时钟脉冲对应一位数据，在接收单元以时钟同步来识别数据位解码。SSI信号的编码器需要有专门的接收控制器有SSI界面接口。

在船舶上有多个位置需要用到绝对值编码器

1、滑轮锚链绳索收缩排线

大型的轮船靠岸停船，固定轮船的绳索原来都是用手工和电机直接放绳索，大船的绳索需要很多人在不同位置来观测和放绳收绳，绳索放出去的长度和收回来的长度总是要重复操作多次才能确定，这样造成了人力，物力和时间精力上的损失。

解决方案: 选用多圈绝对值器,在每个绳索的滑轮上面装上编码器，把绳索的长度测好在PLC里面做好程序，经过编码器的转动信号反馈给PLC来实现绳索的自动化收放，编码器使人工操作转向自动化控制，实现了精确定位。

2、挖泥吹砂船的挖斗角度控制

大型的挖泥刀向下的深度,有传动机械上在安装的编码器反馈信号并控制,选用绝对值多圈编码器4—20mA信号输出,计算传动机械旋转角度，并计算出向下挖潜深度，进控制器控制向下角度。

3、船舶大件升降液压同步控制

拉绳绝对值编码器在油缸上的多点同步控制的应用

船舶上的大件例如舵叶和螺旋桨质量很大，最大可达几百吨，舵叶和螺旋桨作上下垂直运动，其液压系统驱动台车平台四角上四个驱动顶升油缸，由于四个油缸相对液压源距离长短不一，管路压力损耗不同，其四个油缸上下移动速度有很大差异，应此，实际上台车平台的上升和下降是处于倾斜态势上下运动的，严重时，会出现明显的倾斜现象，造成安全隐患。要用拉绳绝对值编码器反馈四个液压油缸的移动高度，确保四个油缸的高度一致，始终保持在水平同步，实现多缸的高精度同步有较大难度，尤其是在大负荷、大负载且负载分布不均的情况下，采用绝对值编码器进行实时位置反馈，比例伺服阀实时控制油缸流量的闭环控制方案来实现油缸运动位移的精确控制，采用主/从同步控制策略实现四个主顶升油缸的同步运动。

主/从同步控制策略的基本思想如下：以其中负载或移动最慢的任意一个为主令油缸，其它为从令油缸，当工作平台升降时，各个高精度的直线位移传感器拉绳式编码器实时测量4个油缸的运动位移，读取各个编码器的数值做四点高程差值比较，并调整四个油缸的比例调节阀调整流量，保持四个油缸的高度始终在同水平面上的同步升降。

当位移偏差超出了系统允许的极限值，则系统报警输出，油缸同步运动停止，并单缸调节修正，直至四油缸达到同一个水平面上。这就构成了一个多缸同步的闭环控制系统，实现四油缸的同步运动。

4、船用雷达与通讯天线

船用雷达天线与通讯天线，均需要回转的南北转角和东西仰角的控制，虽然控制角度最大仅为360°，但是因接收机械设备中减速齿轮箱关系，实际编码器需要用到18圈左右的量程，因此选型了两个绝对值真多圈编码器，对应转角和仰角的机械控制。在天线中心还有一个磁极位置的机械控制，也需要一个绝对值编码器。

5、自动操舵仪舵位指令（角度）输出,船用柴油机同步及角度控制

略。

6、岸上的预制件的浇筑

预制件的浇筑后上船出海，在《超级工程上》已经有过介绍，不再重复，略。

船上所选用的编码器原先为进口的SSI机械齿轮箱绝对值多圈编码器，外壳防护等级高，必须是IP67的外壳封装，并且不能用螺丝铆钉固定外壳，因为在船上长期的高温水汽盐分的环境下，由于热胀冷缩有螺丝铆钉的部分就会密封性能下降，而有海风裹着水气与盐分进入编码器中，造成编码器使用寿命迅速下降而损坏。

但是，在我们帮助选型了进口SSI编码器，经过用户使用一段时间后，用户过来与我们沟通，有几个问题需要我们帮助解决：

1，SSI信号需要有专门的接收设备，尤其是在船上长期出海无法用简单工具（万用表、示波器）检查判断信号，造成检修困难，有时出现故障无法判断是编码器问题，还是传输线缆与接线问题，或者接收器的问题，只能关掉自动控制回到人工观察。能不能有船上使用更方便的信号输出？

2，编码器信号电缆希望一根到底，中间没有接头，但是由于是订的进口编码器，这种电缆一次加长属于非标，订货周期长，价格高。

3，也有几个品牌的进口编码器防护等级与温度仍然不到位，在船上用了不久就出现了故障，只有很少数进口品牌符合了要求，今后供应链上是否会受到影响？（当时还没有透露将去南海执行的“秘密任务”。）能不能国产化这个编码器？

4，不仅仅是要有国产化机械齿轮箱绝对值多圈编码器，更要求在品质上能够达到那很少数进口品牌才能达到的要求，经受住在海风盐分高温高湿高强度环境下，连续18个月24小时连续干的不出故障少出故障的要求。国产化编码器的品质能不能达到？

我们的答案是这个产品必须国产化，而且我们已经在做了。并提出解决方案：

用国产化的绝对值多圈编码器！

1，绝对值编码器输出信号改为4—20mA模拟量信号和RS485数字量信号两路同时输出，4-20mA信号普通电工用万用表就可以查线看信号，而且几乎所有接收设备都可以有这个输入信号接口，而RS485信号适合远传，可传达至船上总控制室显示数据变化。

但是难度是4—20mA信号都有温飘与容易被干扰，船上温度高，大型电气设备多，我们需要在设计与实验中就保证这个编码器的温飘小与抗干扰强，保证数据的稳定可靠性，攻克这个模拟量更难做好的难题。

编码器代号9600

2，船上使用的编码器必须能够达到长期的80度温度下的保持正常工作，在设计中就必须从每一个零部件严格筛选，并经历高温实验箱80度下通电4小时读数的检测。

3，外壳封装不能用螺丝螺帽，必须一次性外壳压入封装，电缆一次加长。但是这样维修拆开检查就很麻烦了，也就是必须在船上海风高温高湿的情况下连续18个月以上工作，还必须维修率很低。在中国市场上能达到这个要求进口品牌编码器都不多，而且用于船用等级的产品都很贵。这种品质上的要求对于国产化绝对值多圈编码器是一个挑战。

4，在海南三亚预制梁浇注，同步提升上船，因为需要用Canopen 双路同步纠偏控制器，使用Canopen绝对值多圈编码器。

经过与客户的提前沟通与设计中的品质考量，国产化绝对值多圈编码器从设计每一个环节到生产加工，都严格按照用户的品质要求，完全按用户技术要求和品质要求提供编码器。

那18个月震惊世界的超级工程干成了！

编码器在经2012年至2014年的洋山港试用后，2014年至2016年奔赴南海造岛作业，由于美国人捣鬼挑动菲律宾南海仲裁的闹剧，南海造岛必须争分夺秒，在经历18个月连续24小时高温高湿海风盐分震动的高强度的连续作业，南海造岛震惊了世界。展现了中国保卫南海主权的决心，与中国工程技术强大的实力。国产化编码器的品质也经受住了南海高强度的考验。

中国制造，也能品质制胜。

我们向世界展示了中国制造的优秀品质。

而中国自主知识产权的挖泥吹沙船也已经走向了世界，各大港口争相请中国人来帮助港口清沙，保持港口深度与船只畅通。

韩国世越号沉船打捞

全球直播66油缸同步控制

66个绝对值编码器确保66个液压油缸的同步提升，保证世越号沉船从海底打捞上来的姿态未做任何改变，便于事故调查真实性。

韩国发生了世越号沉船事件，死了很多人，死了很多读书的孩子们，引起韩国全国政治发生了改变，最终导致韩国女总统下台坐牢。由于政治上的敏感性，韩国人希望尽快打捞沉船，为事故原因分析调查，而且为便于真实性的调查，必须把沉船打捞出水时，保持在海底的同一个姿态，并在打捞时不能有二次船体损坏，不得有任何新的船体变形与裂缝产生，干扰到沉船事故的原因调查。

这项工程任务全球招标，由于整体打捞大船的技术难道大，而且还不能发生二次损坏船体的风险很大，很多外国公司包括韩国本土公司最后都纷纷退出，最后只有上海打捞局与一家欧洲打捞公司竞标，上海打捞局中标。

上海打捞局的方案是用潜水作业，在沉船下方插入33根钢梁作为“扁担”，两边穿过66根钢缆，并用66个液压油缸同步控制提升这33根扁担钢梁。

这是一个66个油缸同步（升降）移动的工控技术。

下面是工作过程示意图：

66个液压油缸同步，每次拉回钢缆一米，锁定器锁定钢缆，液压油缸再向前一米重新固定好钢缆，锁定器松开，重复上面行动。直至沉船扁担钢梁与浮船在同一个平面。

在技术上，每个编码器提供4—20mA信号，4个编码器（油缸）一组，组内做四油缸同步（见本文章南海造岛中有四油缸同步介绍），每组信号转换为Can总线信号，并全部66个油缸组网同步对比，调节每个油缸液压管路的流量，保持每一个油缸的位置同步控制。当其中之一的偏差大出预设的偏差范围即报警停机，防止受力不均意外发生，并单油缸调节此偏差较大的油缸位移位置，直至在同步范围内。

在海上连续工作，并在韩国人民的众目睽睽下，打捞工程包括编码器丝毫不得有半点差错的对韩国人直播了几个月，66个液压油缸必须严格始终保持同步移动，各个油缸位置偏差范围严格控制，并始终在一个可控的范围内，不然沉船受力不均，就很有可能产生新的变形或裂缝，就会干扰到沉船事故调查。

这是全球关注的事件，当沉船缓缓地像婴儿一般被轻轻从水里抱起来，与在海底的姿态保持不变时，没有任何二次船体裂缝与变形产生，满足了韩国对事故调查真实性的要求。韩国老百姓感动了，作为当今造船第一的韩国，韩国公司没有把握做成的事，中国人漂亮地干成了。这是中国工程技术的力量、中国制造品质与中国人民之善举的展现。

中国制造无论是从技术上还是在品质上，都赢得了世界的尊重。

超级工程已不仅在国内，也已开始走向了世界，向世界展示。

一带一路，中国工控。