Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski. Projekt UE Nr MINOS, Realizacja od 2005 do 2007

Transkrypt

1 Mechatronika Moduł 6: Systemy i funkcje mechatroniczne Podręczniki (Koncepcja) Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski Politechnika Wrocławska, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Wrocław, Polska Matthias Römer Uniwersytet Techniczny w Chemnitz, Instytut Obrabiarek i Procesów Produkcyjnych Projekt UE Nr MINOS, Realizacja od 2005 do 2007 Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji przemysłowej. Ten projekt został zrealizowany przy wsparciu finansowym Komisji Europejskiej. Projekt lub publikacja odzwierciedlają jedynie stanowisko ich autora i Komisja Europejska nie ponosi odpowiedzialności za umieszczoną w nich zawartość

2 Partners for the creation, evaluation and dissemination of the MINOS and the MINOS** project. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Zawartość Szkolenia Minos: moduły 1 8 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla): Podstawy/ Kompetencje międzykulturowe, zarządzenie projektem/ Fluidyka / Napędy Elektryczne i Sterowanie / Elementy Mechatroniki/ Systemy i Funkcje Mechatroniki/ Logistyka, Teleserwis, Bezpieczeństwo/ Zdalne Zarządzanie, Diagnostyka Minos **: moduły 9 12 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla): Szybkie Prototypowanie / Robotyka/ Migracja/ Interfejsy Wszystkie moduły dostępne są w następujących językach: Polski, Angielski, Hiszpański, Włoski, Czeski, Węgierski i Niemiecki W celu uzyskania dodatkowych informacji proszę się skontaktować z Chemnitz University of Technology Dr.-Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, Chemnitz phone: + 49(0) fax: + 49(0) minos@mb.tu-chemnitz.de or

3 Systemy i funkcje mechatroniczne - Podręcznik Minos Spis treści: 1 Czujniki indukcyjne Informacje podstawowe Konstrukcja podstawowa Współczynniki korekcyjne Sposób zabudowy Czujniki specjalne Czujniki indukcyjne pierścieniowe Czujniki pracujące w silnym polu elektromagnetycznym Czujniki pracujące w trudnych warunkach Czujniki NAMUR Analogowe czujniki indukcyjne Zasilanie czujników Zasady łączenia czujników Zabezpieczenia i bezpieczeństwo czujników Podłączanie czujników do sieci komunikacyjnych Aplikacje Czujniki pojemnościowe Informacje podstawowe Zasada działania czujnika pojemnościowego Typy czujników pojemnościowych Materiał obiektu Kompensacja zakłóceń Aplikacje Czujniki ultradźwiękowe Informacje podstawowe

4 Minos Systemy i funkcje mechatroniczne - Podręcznik 3.2 Wpływ środowiska Wytwarzanie fali ultradźwiękowej Zasada pracy Zakłócenia pracy czujników Synchronizacja czujników Specjalne czujniki ultradźwiękowe Czujnik refleksyjny Czujniki z dwoma przetwornikami w jednej obudowie Czujniki z wyjściem analogowym Aplikacje Czujniki fotoelektryczne Charakterystyka konstrukcji Podstawowe rodzaje czujników Czujnik przelotowy Czujniki refleksyjne Czujniki dyfuzyjne Zapobieganie interferencji Modulacja światła Polaryzacja światła Margines działania Odległość robocza Czas reakcji Specjalne rodzaje czujników Czujniki refleksyjne z polaryzacją światła Czujniki dyfuzyjne z eliminacja wpływu tła i pierwszego planu Czujniki refleksyjne z autokolimacją Czujniki ze światłowodami Światłowody Zasada działania Technika połączeń Typy połączeń Przełączanie wyjścia czujnika Aplikacje

5 Systemy i funkcje mechatroniczne - Podręcznik Minos 5 Czujniki magnetyczne Informacje podstawowe Histereza Efekt Halla Efekt magnetorezystancyjny Efekt Wieganda Czujniki magnetyczne z kontaktronem Czujniki magnetyczne z hallotronem Czujniki magnetyczne specjalne Czujniki magnetorezystancyjne Czujniki magnetyczne Wieganda Czujniki magnetyczne z magnesem Warunki zabudowy Aplikacje Funkcje czujników w systemach mechatronicznych Podstawowe zastosowania sensorów w systemach mechatronicznych Złożoność struktur systemów mechatronicznych i umiejscowienie w nich sensorów Złożoność funkcji systemów mechatronicznych i umiejscowienia w nich sensorów Zastosowanie sensorów do diagnozowania systemów mechatronicznych Zastosowanie sensorów w nadzorowaniu systemów mechtronicznych Zastosowanie sensorów w diagnostyce serwisowej systemów mechatronicznych Sieci przemysłowe Istota komunikacji między czujnikami a odbiornikami ich sygnałów Przetwarzanie cyfrowe i interfejsy cyfrowe Interfejs RS 232 C (w Europie oznaczany symbolem V24) Sieci komunikacyjne i zarządzanie nimi Hierarchia komunikacji Sieci i bus systemy polowe

6 Minos Systemy i funkcje mechatroniczne - Podręcznik Rodzaje sterowania sieci polowych Sterowanie scentralizowane Rozproszone sterowanie Protokół sieci komunikacyjnej. Model OSI Rodzaje przemysłowych sieci komunikacyjnych (industrial bus systems) Sieć typu AS-I (Fieldbus AS Interface) Sieć typu Fieldbus CAN o strukturze otwartej (Field bus CAN open) DeviceNet Fieldbus Interbus-S Sieć typu Profibus Field bus Professional Bus (-DP, -FMS) Ethernet jako uniwersalna sieć łącząca pozostałe standardy sieci przemysłowych Ujednolicenie programowe sieci polowych poprzez projekt standardu NOAH Projektowanie podsystemów mechatronicznych Wprowadzenie Pojęcie mechatroniki Obrabianie i instalacja pojedynczych części Projektowanie sterowania Regulacja Złożone sterowania Kryteria porównawcze sterowań złożonych Części zasilania i sygnału w sterowaniach złożonych Część zasilania Część napędowa Elementy sygnałowe, sterujące i wykonawcze Projektowanie złożonych systemów mechatronicznych Dobór elementów Środki pomocnicze w projektowaniu złożonych systemów sterowania Schemat pozycjonowania Diagram przepływu programu Schemat logiczny Plan funkcji Wykres funkcji Schemat podłączeń Tworzenie schematów podłączeń dla złożonego systemu sterowania Pneumatyczny schemat działania Hydrauliczny schemat działania Schematy obwodów elektrycznych Realizowanie złożonego sterowania

7 Systemy i funkcje mechatroniczne - Podręcznik Minos 1 Czujniki indukcyjne 1.1 Informacje podstawowe Czujniki indukcyjne stanowią najpopularniejszą grupę czujników stosowanych w układach automatyki. Wykorzystywane są one do kontroli położenia, przemieszczeń i ruchu mechanizmów związanych ze sterowanymi urządzeniami. Ich prosta i zwarta konstrukcja, duża pewność i niezawodność działania oraz łatwy montaż sprawia, że są chętnie stosowane. Czujniki te reagują, na pojawienie się przedmiotów metalowych w strefie ich działania, przełączeniem stanu wyjścia czujnika lub zmianą wartości sygnału wyjściowego. Podstawowymi składnikami czujnika indukcyjnego są (rys. 1.1): głowica zawierająca cewkę indukcyjną z rdzeniem ferrytowym, generator napięcia sinusoidalnego, układ detekcji (komparator) i wzmacniacz wyjściowy. Obwód indukcyjny składający się z cewki i rdzenia ferrytowego wytwarza wokół czoła czujnika zmienne pole elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości. Pole to indukuje prądy wirowe w metalu zbliżanym do czujnika, co z kolei powoduje obciążenie obwodu indukcyjnego i w efekcie spadek amplitudy oscylacji. Wielkość tych zmian zależy od odległości przedmiotu metalowego od czoła czujnika. Przełączenie wyjścia następuje po zbliżeniu metalu na określoną odległość, wynikającą z charakterystyki czujnika. W czujnikach z wyjściem analogowym poziom sygnału wyjściowego jest odwrotnie proporcjonalny do odległości obiektu od czujnika. L C OBIEKT GŁOWICA CZUJNIKA UKŁAD GENERATORA UKŁAD DETEKCJI UKŁAD WYJŚCIOWY Rys. 1.1: Budowa czujnika indukcyjnego 7

8 Minos Systemy i funkcje mechatroniczne - Podręcznik 1.2 Konstrukcja podstawowa Część aktywna czujnika indukcyjnego zawiera cewkę nawiniętą na ferrytowym rdzeniu kubkowym, wytwarzającą zmienne pole magnetyczne. Zadaniem rdzenia kubkowego, o otwartym obwodzie magnetycznym, jest wzmocnienie strumienia magnetycznego cewki oraz skierowanie go w kierunku strefy pomiarowej czujnika. Zmianom pola magnetycznego towarzyszy zawsze powstanie pola elektrycznego (wirowego). Gdy w tym zmiennym polu elektrycznym znajdzie się przewodnik, to wokół linii pola elektrycznego pojawi się pole magnetyczne wirowe (rys. 1.2). Przeciwdziała ono polu magnetycznemu cewki, odbierając część energii z obwodu rezonansowego. Jest to równoznaczne ze zmianą strat w obwodzie rezonansowym, co powoduje pogorszenie jego dobroci. Skutkuje to tłumieniem amplitudy oscylacji. Tłumienie amplitudy utrzymuje się przez cały czas przebywania obiektu przewodzącego w strefie działania pola magnetycznego cewki. Po usunięciu przedmiotu tłumienie obwodu rezonansowego zanika i amplituda oscylacji powraca do wartości początkowej. Obiekt przewodzący Pole magnetyczne prądów wirowych Pole magnetyczne cewki Uzwojenia cewki Amplituda Amplituda Rdzeń ferromagnetyczny Czas Czas Rys. 1.2: Obiekt metalowy w polu magnetycznym cewki z rdzeniem ferrytowym 8

9 Systemy i funkcje mechatroniczne - Podręcznik Minos Układ elektroniczny czujnika określa odległość przedmiotu od cewki, na podstawie stopnia tłumienia amplitudy i generuje sygnał wyjściowy. Najczęściej jest to sygnał dwustanowy: obiekt jest w zasięgu czujnika lub go nie ma; rzadziej analogowy odwrotnie proporcjonalny do odległości obiektu od czujnika. Poza częścią detekcyjną w skład układu elektronicznego czujnika wchodzi komparator z histerezą i układ wykonawczy (wyjściowy). Dzięki histerezie unika się zakłóceń, które mogłyby się pojawić na wyjściu czujnika w chwili przełączania oraz w przypadku niestabilnego położenia albo też drgań wykrywanego przedmiotu oraz zakłóceń wywołanych wahaniami napięcia zasilania i temperatury otoczenia. Histereza jest różnicą odległości, przy której czujnik reaguje na zbliżanie i oddalanie metalu od jego czoła. Wtedy stan wyjścia zmienia się z OFF na ON lub z ON na OFF (rys. 1.3). Wartość histerezy zależy od rodzaju i wielkości czujnika i nie przekracza 20% zakresu pomiarowego. Przy jej występowaniu czujnik będzie prawidłowo pracował również wtedy, gdy wykrywany przedmiot znajduje się na granicy strefy działania czujnika. W czujnikach wyposażonych w sygnalizacje stanu wyjścia jest to sygnalizowane świeceniem diody LED. Generatory LC w czujnikach indukcyjnych wytwarzające zmienne pole magnetyczne, są generatorami wysokiej częstotliwości (HF) o typowych zakresach 100kHz 1 MHz. Ze wzrostem średnicy cewki zwiększa się maksymalne obciążenie prądowe, lecz maleje maksymalna częstotliwość pracy czujnika. Zasięg działania typowych czujników indukcyjnych nie przekracza 60mm. Czujniki mają zróżnicowane obudowy zarówno cylindryczne metalowe, jak i prostopadłościenne wykonane z tworzyw sztucznych. Umożliwia to optymalne zamocowanie czujników w miejscach pomiaru. S n S+ H n H S Metal ON OFF S Rys. 1.3: Histereza czujnika indukcyjnego 9

10 Minos Systemy i funkcje mechatroniczne - Podręcznik Strumień pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę indukcyjną obejmuje pewien ograniczony obszar, który wyznacza maksymalny możliwy zasięg czujnika indukcyjnego. Odległość od czoła czujnika, przy której następuje przełączenie obwodu wyjściowego zdefiniowana jest jako Nominalna strefa działania S n. Właśnie ta wartości podawana jest w danych katalogowych. Wyznacza się ją zgodnie z Normą EN , dla kwadratowej płytki stalowej (ST37) o boku równym średnicy czujnika i grubości 1mm. Rzeczywista strefa działania S r ustalana w procesie wytwarzania czujnika może odbiegać nieco od wartości S n. Dla nominalnego napięcia zasilania i nominalnej temperatury otoczenia mieści się ona w przedziale: 0,9S n S r 1,1S n. Dla zwiększenia pewności działania czujnika zalecaną strefą jest Strefa robocza S a 0.8S n. Wyznacza ona bezpieczny przedział odległości metalu od czujnika, zapewniając prawidłową pracę w pełnym zakresie zmian temperatury otoczenia i napięcia zasilania, niezależnie od ustawionej przez producenta rzeczywistej strefy działania czujnika. Zakres działania czujnika S n zależy od średnicy obudowy D, a dokładniej od średnicy cewki i własności rdzenia (rys. 1.4). Czujniki w małych obudowach mają więc mniejszą strefę działania niż te o większych gabarytach. Są też wykonania specjalne czujników o zwiększonym zakresie działania Sn [mm] D [mm] Rys. 1.4: Związek pomiędzy średnicą czujnika a nominalną strefą działania standardowych czujników indukcyjnych 10