Podstawy Automatyki Politechnika Poznańska Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów ĆWICZENIE 4 Stanowisko do badania czujników zbliżeniowych. Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową oraz zasadą działania czujników indukcyjnych oraz pojemnościowych. Ponadto w części praktycznej przedstawiono stanowisko, przy pomocy którego studenci będą mogli dokonać pomiaru odległości załączania i wyłączania w/w czujników. By tego dokonać, koniecznym będzie uprzednie zaprogramowanie mikroindeksera, sterującego pracą silnika krokowgo. 1 Technika regulacji Zadaniem regulacji jest utrzymanie wybranych wartości wielkości regulowanej lub ich zmienianie według przyjętego programu. Regulacja jest procesem celowego oddziaływania na wielkość regulowaną. Polega na przetwarzaniu wielkości regulowanej w wielkość sprzężenia zwrotnego, z którą porównujemy wielkość zadającą różnica pomiędzy ich wartościami służy do wpływania na przebieg wielkości regulowanej w sensie zbliżenia jej wartości do wartości wielkości zadającej. W układzie regulacji mamy zawsze do czynienia ze strukturą zamkniętą, ze sprzężeniem zwrotnym od wielkości regulowanej. Zakłócenia wchodzące do układu regulacji powodują jednak powstanie różnicy wartości zadanej i rzeczywistej (odchyłki regulacji). 1.1 Rola czujnika w układzie regulacji W zrealizowanym technicznie układzie regulacji wartość wielkości regulowanej x jest mierzona za pomocą odpowiedniego sensora (przetwornika pomiarowego) i ta wartość zmierzona odejmowana jest od wartości zadanej w wielkości zadającej (rys. 1). Odchyłka regulacji (uchyb) e = w - x przekształcana jest przez regulator w wielkość regulującą o wartości y R, sterującą elementem wykonawczym. Wielkością wyjściową elementu wykonawczego jest wielkość sterująca. Wielkość sterująca o wartości y wpływa na wartość wielkości regulowanej x przez element nastawczy, będący częścią wejściową obiektu regulacji. Wielkość regulowana x jest wyjściem obiektu regulacji [1]. 1
2 Podstawy Automatyki 4 Rysunek 1: Układ regulacji z regulatorem, urządzeniem wykonawczym, obiektem i przetwornikiem pomiarowym [1] 2 Czujniki zbliżeniowe Czujniki należą do grupy podstawowych elementów stosowanych w systemach automatyki. Bez ich udziału nie można byłoby zrealizować zautomatyzowanych procesów. Czujnik zbliżeniowy jest urządzeniem, które bezstykowo reaguje na zbliżające się obiekty. W efekcie wykrycia przedmiotu czujnik ten zmienia stan swojego wyjścia. Odległość, w której następuje zadziałanie czujnika jest zależna od konstrukcji i technologii wytworzenia. Na odległość zadziałania ma również wpływ sam wykrywany obiekt. 2.1 Klasyfikacja czujników Czujniki zbliżeniowe ze względu na ich fizyczny sposób działania można podzielić na dwie podstawowe grupy: czujniki z oddziaływaniem pola oraz z przekazywaniem energii (rys. 2). Rysunek 2: Klasyfikacja czujników zbliżeniowych o detekcji bezdotykowej
Podstawy Automatyki 4 3 2.2 Czujniki indukcyjne Czujniki indukcyjne jako czujniki zbliżeniowe reagują wyłącznie na wprowadzony w ich strefę działania obiekt metalowy. Charakteryzują się bezdotykową pracą, dużą żywotnością, wysoką częstotliwością przełączeń, dokładnością oraz wysoką odpornością na czynniki zewnętrzne takie jak wibracje, kurz, czy wilgoć. 2.2.1 Zasada działania Działanie typowego czujnika indukcyjnego (rys. 3) polega na wytwarzaniu odpowiednio ukierunkowanego zmiennego pola magnetycznego. Źródłem pola jest rdzeń ferrytowy z uzwojeniami, natomiast wygenerowane pole tworzy przed aktywną powierzchnią czujnika strefę czułości. Uzwojenia obwodu drgającego są przyłączone do oscylatora LC o częstotliwości od 200 khz do 1 MHz. W przypadku wprowadzenia w pole magnetyczne metalowego elementu dochodzi w nim do indukowania prądów wirowych, które powodują obciążenia układu oscylatora, pogorszenie jego dobroci i w efekcie spadek amplitudy oscylacji. Zmianę tą wykrywa detektor, zaś układ progowy zamienia ją na sygnał dwustanowy. Histereza układu progowego zapewnia dwustanową pracę czujnika i jego poprawne działanie w wypadku wystąpienia drgań urządzenia. Wzmacniacz wyjściowy umożliwia bezpośrednie i bezstykowe sterowanie elementów wykonawczych podłączonych na wyjściu czujnika [2, 3, 4]. Rysunek 3: Schemat działania czujnika pojemnościowego [3] Zalety indukcyjnych, bezstykowych sensorów binarnych: duża pewność działania przy sporadycznym lub częstym przełączaniu wysoka częstotliwość działania zabrudzenia niemetaliczne lub wilgoć nie wpływają na dokładność przełączania znikomy pobór energii (technika dwuprzewodowa) niski koszt, np. w porównaniu z sensorami optycznymi wysoka dokładność przełączania (poniżej 0,01 mm).
4 Podstawy Automatyki 4 Wady to: wykrywane są tylko metale i grafit małe odległości działania Przykładowe zastosowania: określanie kąta obrotu, ew. prędkości obrotowej sygnalizacja położenia oraz zliczania obrabianych taśmowo detali pomiary w strefach zagrożenia 2.3 Czujniki pojemnościowe Czujniki pojemnościowe są alternatywą dla czujników indukcyjnych. Ich podstawową zaletą jest fakt, że pozwalają one na detekcję nie tylko obiektów przewodzących, ale i nieprzewodzących prąd elektryczny. 2.3.1 Zasada działania Zasada działania przetwarzania pojemnościowego sprowadza się do zmiany pojemności C kondensatora (rys. 4) powodowanej mierzoną wielkością fizyczną, która może zmieniać: przenikalność dielektryka ɛ t umieszczonego między okładzinami, pole czynne S okładzin (elektrod) lub odległość między nimi d [1]. C = gdzie: ɛ 0 - stałą dielektryczna próżni. S x ɛ t + d x ɛ 0 Rysunek 4: Schemat budowy sensora pojemnościowego [1] W czujniku pojemnościowym okładziny kondensatora tworzą odpowiednio powierzchnia elektrody i ekran (rys. 5), lub dwie usytuowane koncentrycznie metalowe elektrody (rys. 6) tworzące powierzchnię aktywną. Elektrody te sprzężone z oscylatorem o wysokiej częstotliwości tworzą układ rezonansowy. Jeżeli w strefie działania czujnika nie ma obiektu, to pojemność okładzin jest niska, a tym samym amplituda drgań oscylatora jest mała. Sytuacja diametralnie się zmienia w przypadku, gdy w strefie pojawi się obiekt. Wówczas dochodzi do zwiększania pojemności pomiędzy elektrodami, co w konsekwencji
Podstawy Automatyki 4 5 Rysunek 5: Schemat działania czujnika pojemnościowego [3] Rysunek 6: Widok czoła czujnika (powierzchnia aktywna) [3] powoduje wzrost amplitudy drgań w oscylatorze. Wbudowany detektor podobnie jak w czujnikach indukcyjnych wykrywa powstałą zmianę i przekazuje ją do układu progowego, który zmienia ją na sygnał dwustanowy z histerezą. Bezpośrednie i bezstykowe sterowanie elementów wykonawczych umożliwia wzmacniacz wyjściowy [2]. Ponieważ sensory pojemnościowe reagują na prawie wszystko, więc też na zwilżenie, zamglenie, oszronienie itp., należy zatem zminimalizować szkodliwe oddziaływania otoczenia. Na przykład stosuje się elektrody kompensacyjne, które powodują, że nad aktywną powierzchnią kondensatora powstaje obszar bez pola elektrycznego. Sensor praktycznie nie reaguje na przedmioty znajdujące się w tym obszarze, co oznacza, że nie zachodzi groźba samoczynnego przełączenia. Zalety sensorów pojemnościowych: reagowanie na prawie wszystkie materiały, najlepiej na metale duża pewność działania przy rzadkich lub częstych włączeniach niewystępowanie odbić zestyków prędkości zadziałania większe niż przy mechanicznych przełącznikach, porównywalne z sensorami indukcyjnymi mały wpływ warunków otoczenia, przy stosowaniu elektrod kompensacyjnych mały pobór mocy, technika dwuprzewodowa, umożliwiające stosowanie specjalnych wykonań sensorów w przemyśle chemicznym i w środowiskach zagrożonych eksplozją.
6 Podstawy Automatyki 4 Wady to: większy koszt w porównaniu z sensorami indukcyjnymi większe odległości działania niż przy sensorach indukcyjnych, ale mniejsze niż przy optycznych większe wymiary w porównaniu z sensorami indukcyjnymi ze względu na niezbędną minimalną powierzchnię aktywną. Przykładowe zastosowania: pomiar poziomu cieczy pomiar wypełnienia pojemnika granulatem sygnalizacja przerwania taśmy z papieru, folii z tworzywa itp. pomiar grubości taśmy gumowej. 3 Stanowisko laboratoryjne Stanowisko laboratoryjne do badania czujników zbliżeniowych umożliwia pomiar odległości zadziałania i wyłączania czujników zbliżeniowych. Dzięki zastosowaniu uniwersalnego uchwytu dla próbek, badania można dokonać dla próbek wykonanych z różnych materiałów o różnej grubości (stal, szkło, tworzywa sztuczne itp.). 3.1 Konstrukcja Zasadniczym elementem konstrukcyjnym stanowiska do badania czujników zbliżeniowych jest metalowy stelaż. Został on wykonany z rurek kwadratowych 25mm 25mm. Na konstrukcji stalowej poziomo zamocowano płytę stalową o grubości 3mm, która stanowi podstawę zarówno dla elementów wykonawczych jak i sterowniczych. W celu uzyskania odpowiedniej ekspozycji elementów sterowniczych a jednocześnie maksymalnego bezpieczeństwa, elementy sterownicze zostały odseparowane przezroczystą płytą ze szkła akrylowego. Na płycie zamocowano przyciski włączające i wyłączające zasilanie, kontrolki oraz dwa wskaźniki pomiarowe współpracujące z przetwornikami pomiarowymi. Rysunek 7 przedstawia widok stanowiska laboratoryjnego do badania czujników zbliżeniowych. Instalacja elektryczna Stanowisko laboratoryjne zostało zaprojektowane w taki sposób, aby cechowało się łatwą obsługą i dużym bezpieczeństwem. Wszystkie elementy sterownicze są połączone na stałe i nie wymagają ingerencji użytkownika. Stanowisko zasilane jest napięciem 230V AC i zabezpieczone jest bezpiecznikiem nadprądowym 6A. Na obwodzie głównym zainstalowany jest stycznik główny (K1), z którego zasilane są pozostałe obwody. Stycznik ten sterowany jest poprzez obwód, w którym znajdują się przycisk włączenia (S1) i wyłączenia (S2) oraz przycisk awaryjnego wyłączenia (S3). Napięciem 230V AC, oprócz głównego obwodu sterującego,
Podstawy Automatyki 4 7 Rysunek 7: Widok stanowiska laboratoryjnego do badania czujników zbliżeniowych zasilane są również zastosowane wskaźniki pomiarowe MD100 i MD100R. Silnik krokowy pobiera energię z dedykowanego zasilacza, na którego wyjściu występuje napięcie stałe 72V DC. Pozostałe elementy zasilane są napięciem bezpiecznym 24V DC. 3.2 Budowa stanowiska 3.2.1 Elementy wykonawcze i sterownicze Głównym elementem wykonawczym umożliwiającym badanie czujników zbliżeniowych jest moduł liniowy MLA firmy Wobit, który jest napędzany silnikiem krokowym. Moduł ten bazuje na profilu aluminiowym i szynowej prowadnicy li- Rysunek 8: Przykładowy widok modułu liniowego serii MLA firmy Wobit [5] niowej, po której toczy się wózek. Ruch obrotowy silnika napędza koło zębate, które za pośrednictwem paska zębatego przemieszcza liniowo wózek prowadnicy. Na rysunku 8 przedstawiono przykład modułu liniowego serii MLA formy Wobit.
8 Podstawy Automatyki 4 Do sterowania silnikiem bipolarnym, 2-fazowym (57BYGH 805) z krokiem 1,8 zastosowano mikroindekser MI 1.8.8 oraz sterownik silnika krokowego SMC 139WP. Mikroindekser jest uniwersalnym urządzeniem, które pozwala za zadawanie trajektorii ruchu i pozycjonowanie silnika za pośrednictwem sterownika silnika krokowego. Na rysunku 9 przedstawiono przykład mikroindeksera MI 1.8.8 firmy Wobit. Rysunek 9: Widok mikroindeksera MI 1.8.8 firmy Wobit [5] Sterownik silnika krokowego SMC 139WP jest mikrokrokowym, wysokonapięciowym sterownikiem silnika krokowego. Charakteryzuje się on dużą uniwersalnością, ponieważ posiada 8 nastaw prądów w zakresie od 3 do 8,2 A przy jednym zasilaniu oraz 8 głębokości podziałów krokowych. Dzięki zawartym w swojej konstrukcji nieliniowym przetwornikom D/A sterownik pozwala na uzyskanie podziału krokowego 1/16. Na rysunku 10 przedstawiono przykład sterownika silnika krokowego firmy Wobit. Rysunek 10: Widok sterownika SMC 139WP firmy Wobit [5] W przypadku modułu liniowego MLA jeden pełen obrót silnika przekłada się na 150 mm przesunięcia linowego. Przy zastosowaniu silnika krokowego o skoku równym 1,8 rozdzielczość przesunięcia linowego przy pracy pełnokrokowej wynosi 0,75 mm/krok. Wartość ta nie zapewnia dokładnego pomiaru, dlatego wykorzystując możliwości sterownika SMC 139WP dokonano podziału krokowego. W wyniku zastosowania podziału krokowego 1/16 uzyskano rozdzielczość przesunięcia liniowego równą 0,0468 mm/krok.
Podstawy Automatyki 4 9 3.2.2 Zastosowane czujniki Stanowisko obejmuje dwa czujniki zbliżeniowe. Pierwszym z nich jest czujnik indukcyjny PR30-15DP w obudowie cylindrycznej, gwintowanej o nominalnym zakresie detekcji równym 15 mm ± 10%. Drugi to czujnik pojemnościowy CR30-15DP również w obudowie cylindrycznej, gwintowanej o nominalnym zakresie detekcji równym 15 mm ± 10%. Czujnik pojemnościowy w odróżnieniu od indukcyjnego posiada potencjometr umożliwiający ustawienie jego czułości. Rysunek 11: Wygląd czujników CR30-15DP oraz PR30-15DP W tabeli 1 przedstawiono podstawowe dane techniczne czujników indukcyjnego i pojemnościowego. Model Czujnik PR30-15DP indukcyjny Czujnik pojemnościowy CR30-15DP Odległość detekcji 15 mm ±10% 15 mm ±10% Histereza max. 10% odległości detekcji max. 20% odległości detekcji Standardowy element wykrywany 45x45x1 mm (stal) 50x50x1 mm (stal) Ustawienie odległości 0 do 10,5 0 do 10,5 Zasilanie 12-24 VDC 12-24 VDC Zakres napięcia pracy 10-30 VDC 10-30 VDC Prąd upływu max. 10 ma max. 15 ma Częstotliwość pracy 100 Hz 50 Hz max. ±10% odl. detekcji przy max. ±10% odl. detekcji przy Wpływ temperatury +20 C w zakresie 25 do +20 C w zakresie 25 do +70 C +70 C Prąd obciążenia 200 ma 200 ma Rezystancja izolacji min. 50 MΩ (500 VDC) min. 50 MΩ (500 VDC) Wytrzymałość nap. 1500 VAC 50/60 Hz przez 1500 VAC 50/60 Hz przez 1 min. 1 min. Odporność na wibracje amplituda 1 mm przy 10 do amplituda 1 mm przy 10 do 55 Hz, w 3 osiach, przez 2 godz. 55 Hz, w 3 osiach, przez 1 godz. Odporność na udary 500 m s 2 (50 G) w 3 osiach, 3 razy (50 G) w 3 osiach, 3 ra- 500 m s zy Wskaźnik wskaźnik detekcji: czerwona dioda LED Temperatura pracy 25... + 70 C (bez kondensacjicji) 25... + 70 C (bez kondensa- Wilgotność 35 do 95% RH 35 do 95% RH Zabezpieczenia przed odwrotną polaryzacją, przed odwrotną polaryzacją, wzrostem napięcia, przeciążeniem i zwarciem wzrostem napięcia wyjścia Stopień ochrony IP67 (wg specyfikacji IEC) IP65 (wg specyfikacji IEC) Masa ok. 181 g ok. 212 g Tabela 1: Dane techniczne używanych czujników [5] Oba czujniki mają wyprowadzone trzy przewody, zakończone wtyczkami laboratoryjnymi o różnych kolorach. Tego typu połączenie nie jest typowe, ale zapewnia dużą uniwersalność i łatwość instalacji. Czarna i czerwona wtyczka oznacza
10 Podstawy Automatyki 4 przewody zasilające czujnik, natomiast zielona oznacza wyjście sygnałowe czujnika. Wyjście sygnałowe obydwu czujników wykonane jest w układzie PNP, co oznacza, że na wyjściu sygnałowym pojawia się napięcie w momencie wykrycia obiektu przez czujnik. W przypadku braku detekcji na wyjściu sygnałowym czujnika panuje stan niski. Instalacja elektryczna wykonana na stanowisku zapewnia zasilanie czujników napięciem stałym 24 V. Gniazda umieszczone na panelu głównym są również koloru czarnego, czerwonego i zielonego, co minimalizuje możliwość pomyłki w podłączeniu. Należy bezwzględnie pamiętać, aby czynność podłączenia czujników wykonywana była wyłącznie przy wyłączonym zasilaniu stanowiska. 3.3 Przebieg ćwiczenia 1. Zapoznać się ze schematem elektrycznym układu (rys. 12 oraz tablica 2). Zlokalizować odpowiednie wejścia i wyjścia w układzie sterowania (przyciski, lampki sygnalizacyjne, wyłączniki krańcowe) 2. Zapoznać się z Instrukcją obsługi mikroindeksera MI 1.8.8 [6] 3. Tworzenie programu Uruchomić program WINMI Wstawić blok Enable Wybrać sterownik SMC139 Głębokość podziału mikrokrokowego - 16 Ustawić Stan Wyjścia Enable/Disable - LOW 4. Zadania do zrealizowania: Napisać następujące programy... (a) Zapalić Czerwoną lampkę (Sygnalizacja pracy silnika) (b) Zapalić C lampkę na 4 sekundy (c) Zapalać i gasić naprzemiennie lampkę C oraz Niebieską w interwałach co 0,5 sekundy, przez 10 sekund (d) Przyciskiem HOME zapalać lampkę C, gasić przyciskiem BAZA (uwaga - sygnał niski OFF odpowiada wciśniętemu przyciskowi) (e) Przycisk H powoduje przesunięcie wózka w prawo o 2 cm. Obliczyć ilość kroków potrzebnych do zrealizowania ruchu. Uwzględnić Głębokość podziału mikrokrokowego, oraz fakt, że na 1 obrót silnika przypada przesunięcie = 150 mm, zaś skok silnika = 1,8 Ustawić prędkość MIN = 32 kr s Ustawić prędkość MAX = 320 kr s Ustawić prędkość Docelową = 160 kr s
Podstawy Automatyki 4 11 Ustawić Przyspieszenie MAX = 3725,29 kr s 2 Przed rozpoczęciem ruchu Wyzerować Licznik Pozycji Do zadawania pozycji użyć komendy Znajdź Pozycję (Uwaga: Pozycja opisana jest liczbą króków) (f) Przycisk H powoduje przesunięcie wózka w prawo o 2 cm, przycisk B 3 cm w lewo (g) Wózek ma poruszać się w lewą stronę aż do napotkania krańcówki. W momencie dotknięcia krańcówki ma nastąpić zatrzymanie wózka. Sygnał niski OFF na odpowiednim wejściu odpowiada zadziałaniu krańcówki. (h) Podmienić w punkcie 4g wejście z krańcówki na sygnał wykrycia określonego materiału pochodzący z czujnika zbliżeniowego. Na podstawie punktu h) zrealizować program badający działanie czujników zbliżeniowych - indukcyjnego oraz pojemnościowego. Do analizy wykorzystać następujące materiały: guma, aluminium, szkło akrylowe (pleksi), stal. Przed realizacją punktów (4e 4h) ustawić wózek na środku skali w położeniu 150 mm. Wciśnięcie przycisku Start Programu uruchamia ponowne wykonanie zakończonego programu (ze względu na sprzętową implementację tegoż przycisku). Tabela 2: Opis ważniejszych wyprowadzeń Indeksera MI 1.8.8 wraz z odpowiadającymi im sygnałami w układzie pin Wejście Sygnał 4 RUN Start Programu 6 STOP Awaryjne zatrzymanie Silnika 7 IN 8 Wyłącznik krańcowy 8 IN 7 Przycisk HOME 9 IN 6 Przycisk BAZA 13 IN 2 Czujnik zbliżeniowy 25 OUT 2 Lampka - Sygnalizacja pracy silnika 26 OUT 1 Lampka - Sygnalizacja zadziałania czujnika zbliżeniowego
12 Podstawy Automatyki 4 Rysunek 12: Schemat elektrycnzy ukłądu sterowania
Podstawy Automatyki 4 13 4 Instrukcja bezpieczeństwa Przed rozpoczęciem pracy na stanowisku laboratoryjnym należy zapoznać się z obsługą urządzeń oraz poniższą instrukcją bezpieczeństwa Na stanowisku występują niebezpieczne napięcia oraz elementy ruchome. Podczas wykonywania ćwiczeń należy zachować szczególną ostrożność. W żadnym wypadku nie wolno ingerować w elementy znajdujące się bezpośrednio za przeźroczystą płytą ochronną Podłączenie czujników zbliżeniowych należy wykonywać przy wyłączonym zasilaniu Należy zachować szczególną staranność podczas podłączania czujników. Niedopuszczalne są luźne połączenia spowodowane np. niedokładnym włożeniem wtyczki laboratoryjnej do gniazda Podczas prac związanych z montażem próbki należy zwrócić uwagę na linki przetworników linkowych. Niedopuszczalne jest ich dotykanie, naciąganie, szarpanie itp. Niewłaściwe obchodzenie się z linką może doprowadzić do jej przerwania i uszkodzenia przetwornika W przypadku montażu bądź demontażu czujników należy zachować szczególną ostrożność. Niedopuszczalne jest upuszczenie, rzucanie, uderzanie itp. Nieprawidłowe obchodzenie się z czujnikami może doprowadzić do ich nieodwracalnego uszkodzenia Należy zachować szczególną ostrożność podczas ruchu wózka. Przy postępowaniu niezgodnym ze wskazówkami zawartymi w tej instrukcji może nastąpić śmierć, ciężkie obrażenia ciała lub znaczne szkody materialne. 5 Pytania kontrolne 1. Jak tworzy się odchyłkę regulacji (uchyb)? 2. Jaka jest w ogólności rola czujnika w układzie regulacji? 3. Dlaczego za pomocą czujnika indukcyjnego nie wykryjemy obiektów z gumy bądź drewnianych? 4. Jaka cecha czujnika pojemnościowego pozwala mu na wykrycie elementów wykonanych np. z tworzyw sztucznych? 5. Mając dane L przesunięcie liniowe silnika na 1 obrót; α skok silnika krokowego; µ głębokość podziału mikrokrokowego; d odległość przesunięcia liniowego, o którą chcemy przesunąć wózek, wyznaczyć wzór na n, będącym ilością kroków potrzebnych do przesunięcia wózka.
14 Podstawy Automatyki 4 Literatura [1] Olszewski M.; Urządzenie i systemy mechatroniczne cz. 2, Wydawnictwo REA s.j., Warszawa, 2009 [2] Nagły M.; Stanowisko do badania czujników zbliżeniowych; Praca magisterska, Politechnika Poznańska, 2009 [3] Informacje o czujnikach, www.impol-1.pl [4] Indukcyjne czujniki zbliżeniowe, www.twt.com.pl [5] www.wobit.com.pl [6] Instrukcja obsługi Mikroindeksera MI 1.8.8 z preogramem WINMI, P.P.H. WObit Witold Ober