Mechatronika Modul 5-8

Mechatronika Modul 5 - 8

Jegyzet (Elképzelés)

Mechatronikus komponensek Mechatronikus Rendszerek és funkciók Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés Mechatronikus rendszerek távdiagnosztikája és karbantartása

EU-Projekt: 2005-146319 „MINOS“, 2005-2007

Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvevő szakemberek mechatronika témakörben történő továbbképzéséről Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerző nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehető felelőssé az abban foglaltak bárminemű felhasználásért.

www.minos-mechatronic.eu

A szakmai anyag elkészítésében és kipróbálásában az alábbi magáncégek és intézmények vettek részt • • • • • • • • • • • •

Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország – Projektvezetés Corvinus Egyetem, Informatikai Intézet, Magyarország Stockholm-i Egyetem, Szociológiai Intézet, Svédország Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország Henschke Consulting Drezda, Németország Christian Stöhr Unternehmensberatung, Németország Neugebauer und Partner OHG Drezda, Németország Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Lengyelország Euroregionális Ipari és Kereskedelmi Kamara Jelenia Gora, Lengyelország Dunaferr Dunaújváros, Magyarország Knorr-Bremse Kft. Kecskemét, Magyarország Nemzeti Szakképzési Intézet Budapest, Magyarország

Tartalom: Jegyzet, munkafüzet és oktatói segédlet az alábbi témakörökhöz • Modul 1: Alapismeretek • Modul 2: Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment • Modul 3: Folyadékok • Modul 4: Elektromos meghajtók és vezérlések • Modul 5: Mechatronikus komponensek • Modul 6: Mechatronikus rendszerek és funkciók • Modul 7: Üzembehelyezés, biztonság, teleservice • Modul 8: Távkarbantartás és távdiagnosztika

További információ: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete) Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz, Deutschland Tel.: +49(0)0371 531-23500 Fax: +49(0)0371 531-23509 Email: [email protected] Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch

Mechatronika Modul 5: Mechatronikus komponensek

Jegyzet (Elképzelés) Készítették: Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország

Cser Adrienn Corvinus Egyetem, Információtechnológiai Intézet, Magyarország

EU-Projekt: 2005-146319 „MINOS“, 2005-2007 Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvevő szakemberek mechatronika témakörben történő továbbképzéséről Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerző nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehető felelőssé az abban foglaltak bárminemű felhasználásért.


Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos

Tartalom 1

Induktív érzékelők.............................................................................................. 5 1.1 Bevezetés.................................................................................................. 5 1.2 Fizikai alapok ............................................................................................. 6 1.2.1 LC rezonancia .................................................................................... 6 1.2.2 Elektronikus áramkör.......................................................................... 9 1.3 Alapkonstrukció........................................................................................ 10 1.3.1 Működési elv .................................................................................... 10 1.3.2 Redukciós tényezők ......................................................................... 13 1.3.3 Szerelés ........................................................................................... 14 1.4 Speciális szenzorok ................................................................................. 16 1.4.1 Gyűrű-érzékelő................................................................................. 16 1.4.2 Mágneses térre érzéketlen szenzorok.............................................. 17 1.4.3 Különleges körülményekre tervezett szenzorok................................ 18 1.5 Mozgás irányának felismerése................................................................. 19 1.6 NAMUR szenzorok .................................................................................. 20 1.7 Analóg induktív szenzorok ....................................................................... 21 1.8 Egyenáramú készülékek .......................................................................... 22 1.9 Váltóáramú készülékek............................................................................ 23 1.10 Érzékelők összekapcsolása ..................................................................... 24 1.11 Biztonság és védelem.............................................................................. 26 1.12 Busz kapcsolat......................................................................................... 27 1.13 Alkalmazások........................................................................................... 28 2 Kapacitív érzékelők.......................................................................................... 29 2.1 Bevezetés................................................................................................ 29 2.2 Fizikai alapok ........................................................................................... 30 2.3 Alapkonstrukció........................................................................................ 32 2.4 Szenzor típusok ....................................................................................... 35 2.5 Detektálandó tárgy anyagi minőségének hatása...................................... 37 2.6 Interferencia kompenzáció ....................................................................... 39 2.7 Alkalmazások........................................................................................... 40 3 Ultrahangos érzékelők ..................................................................................... 42 3.1 Bevezetés................................................................................................ 42 3.2 Fizikai alapok ........................................................................................... 43 3.2.1 Hanghullámok terjedése levegőben ................................................. 43 3.2.2 Környezeti hatások........................................................................... 46 3.2.3 Ultrahang hullám átalakítók .............................................................. 47 3.2.4 Hanghullám létrehozása................................................................... 50 3.3 Az ultrahangos érzékelők működésének elve .......................................... 54 3.3.1 Diffúz sugaras működés................................................................... 56 3.3.2 Átmenő sugaras üzemmód............................................................... 59 3.4 Lehetséges hibák..................................................................................... 61 3.4.1 Fizikai eredetű hibák ........................................................................ 61 3.4.2 Szerelésből adódó hibák .................................................................. 61 3.4.3 Szenzorok szinkronizálása............................................................... 63 3.5 Speciális ultrahangos érzékelők............................................................... 64 3.5.1 Reflexiós érzékelők .......................................................................... 64 3.5.2 Két átalakítós érzékelők ................................................................... 67

3

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ 3.6 Analóg kimenetű érzékelők ...................................................................... 69 3.7 Alkalmazások........................................................................................... 70 4 Fotoelektromos érzékelők................................................................................ 76 4.1 Működési elv............................................................................................ 76 4.2 Fotoelektromos komponensek ................................................................. 78 4.2.1 Fizikai alapok ................................................................................... 78 4.2.2 Fényemittáló elemek ........................................................................ 82 4.2.3 Fénydetektáló elemek ...................................................................... 88 4.3 Alapvető érzékelő típusok ........................................................................ 94 4.3.1 Átmenő sugaras érzékelők............................................................... 94 4.3.2 Retro-reflexiós érzékelők.................................................................. 96 4.3.3 Diffúz sugaras érzékelők .................................................................. 99 4.4 Jelfeldolgozás ........................................................................................ 101 4.4.1 Zavaró hatások .............................................................................. 101 4.4.2 Zavaró hatások kiküszöbölése ....................................................... 103 4.4.3 Működési többlet ............................................................................ 106 4.4.4 Működési távolság ......................................................................... 109 4.4.1 Válaszadási idő .............................................................................. 111 4.5 Speciális érzékelők ................................................................................ 112 4.5.1 Retro-reflexiós polarizált érzékelő .................................................. 112 4.5.2 Diffúz sugaras érzékelők elő- és háttér elnyomással ...................... 113 4.5.3 Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelők ..................................... 117 4.5.4 Optikai szálas érzékelők................................................................. 118 4.6 Csatlakozástechnika .............................................................................. 123 4.6.1 Csatlakozási típusok ...................................................................... 123 4.6.2 Kimenet átváltása........................................................................... 124 4.7 Alkalmazások......................................................................................... 126 5 Mágneses érzékelők...................................................................................... 128 5.1 Alapok.................................................................................................... 128 5.2 Fizikai alapok ......................................................................................... 129 5.2.1 Mágneses mező............................................................................. 129 5.2.2 Reed kapcsoló ............................................................................... 132 5.2.3 Hall effektus ................................................................................... 134 5.2.4 Magnetorezisztív hatás .................................................................. 135 5.2.5 Wiegand effektus ........................................................................... 136 5.3 Reed kapcsolós mágneses érzékelők .................................................... 137 5.4 Hall effektuson alapuló mágneses érzékelők ......................................... 140 5.5 Speciális mágneses érzékelők ............................................................... 141 5.5.1 Magnetorezisztív érzékelők ............................................................ 141 5.5.2 Wiegand mágneses érzékelők ....................................................... 142 5.5.3 Mágneses érzékelők permanens mágnesekkel .............................. 144 5.6 Szerelési követelmények ....................................................................... 145 5.7 Alkalmazások......................................................................................... 146

4


1 Induktív érzékelők 1.1 Bevezetés Az induktív érzékelők (szenzorok) az automatizálásban a helyzet és a transzlációs mozgás ellenőrzésére és vezérlésére leginkább elterjedt érzékelők. Sok alkalmazás esetén ez a szenzor a legjobb választás, hiszen egyszerű és kompakt felépítése mellett nagy megbízhatóság és egyszerű beszerelhetőség jellemzi. Az induktív érzékelők olyan jelátalakítók, melyek kimenetük állapotváltozásával jelzik fémes tárgyak jelenlétét érzékelési területükön belül, anélkül hogy direkt kontaktus alakulna ki. Egy induktív szenzor az alábbi alapvető építőelemekből áll: vasmagos indukciós tekercset tartalmazó fej, szinuszos feszültséget kibocsátó jelgenerátor, érzékelő rendszer (komparátor) és egy kimeneti erősítő. A tekercsből és vasmagból álló indukciós rezgőkör egy változó, nagy frekvenciás mágneses teret indukál a szenzor körül. Ez a mező minden, a szenzor közelében található fémes tárgyban örvényáramokat hoz létre. Ezek az örvényáramok az induktív áramkör terheléséhez vezetnek, melynek eredménye a rezgési amplitúdó csökkenése. A változás mértéke a fémes tárgy és a szenzor távolságának függvénye. A szenzor kimenetének megváltozása annak karakterisztikájától függően a fémes tárgy egy adott távolságon belül történő elhelyezkedése esetén következik be. Analóg szenzorok esetén a kimeneti jel szintje fordítottan arányos a tárgy szenzortól való távolságával.

1. ábra: Induktív szenzor működési elve

5

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________

1.2 Fizikai alapok 1.2.1 LC rezonancia Az induktív szenzorok változó mágneses mezejének forrása egy tekercs. Ha a tekercsen átfolyó áram időben változik, a tekercs mágneses fluxusa is változik. Ezek a változások mindig az önindukió jelenségével kapcsolatosak, azaz a tekercs meneteiben keletkező feszültség ellentétesen ható áramot indukál. Párhuzamos rezgőkörök esetén a teljes energiát az indukciós tekercs mágneses mezejének energiája (EL) és a töltött kondenzátor Ec elektromos mezejének energiája (Ec) tárolja. Ezen két energiatag összege tetszőleges időpillanatban állandó, azaz E = EL + Ec = állandó (lásd ábra). Kezdetben az LC kör az L tekercsből és C kondenzátorból álló kör nyitott, és a teljes energiát a töltött kondenzátor fegyverzetei tárolják. A kör zárása után a kondenzátor kisül, tehát áram folyik, melynek értéke nulláról Imax-ig emelkedik. Ekkor a kondenzátor teljes energiáját a tekercs tárolja. Még ha a kondenzátor teljesen ki is sül, a körben az áram továbbra is azonos irányba folyik. Ennek oka a tekercs öninduktanciája, mely fenntartja a csökkenő áramot. Ez az áram feltölti a kondenzátort, tehát az energia ismét itt tárolódik. Amint a kondenzátor töltése eléri annak maximális értékét, az áramkörben megszűnik az áram. A végállapot tehát megegyezik a kiindulási állapottal, eltekintve a kondenzátor ellentétes irányú töltésétől, mely hatására az áram az áramkörben ellentétes irányban folyik majd. Összefoglalva tehát, minden LC körben a kondenzátorban elektromos, a tekercsben pedig mágneses rezgés keletkezik. Valós LC-körökben a tekercs és a kondenzátor saját ellenállása következtében mindig fellép energiaveszteség. Ennek következtében egy RLC ellenállású áramkör rezgései csillapítottak (azaz csökkennek). A rezgést külső szinuszos jelgenerátor segítségével lehet fenntartani. A rezgés amplitúdója ekkor maximális, ha a fenntartó külső forrás frekvenciája megegyezik a csillapítatlan LC-kör sajátfrekvenciájával.

6


f = f0 =

1 2π LC

[Hz]

ahol: f f0 L C

külső szinuszos forrás frekvenciája, csillapítatlan LC-kör sajátfrekvenciája induktivitás [Henry] kapacitás [Farad]

A fenti egyenlet az áramkör feszültség vagy áram rezonancia feltétele. A rezgés amplitúdója annál nagyobb, minél nagyobb az adott áramkör jósági tényezőa.

I

L

I EL-

++

L

--C

EL=0 EC=E

C

+

-

L

I

+

EC-

EL-

EC-

L

C

L

EL=E EC=0

t

-C

-++

C

EL=0 EC=E

2. ábra: LC-kör rezgése

a)

b)

c)

RLC L

LC L

C

R

RLC C

G

R

L C

3. ábra: LC- és RLC-körök rezgése: a) csillapítatlan LC-kör; b) RLC-kör külső forrás nélkül; c) RLC-kör külső szinuszos forrással

7

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A Q jósági tényező az L és C elemek által létrehozott veszteségek mértéke, melyeket a párhuzamos R ellenállás jelképez. Veszteségmentes áramkörben rezonancia esetén az R ellenállás végtelen lenne. Minél nagyobb az áramkör ellenállása, annál nagyobb a párhuzamos ellenállás, tehát annál nagyobb a jósági tényező is.

Q=

8

R 2πfL


1.2.2 Elektronikus áramkör Egy tekercsből és egy kondenzátorból álló rezonancia körrel rendelkező generátor rezgésének fenntartására műveleti erősítőket vagy tranzisztorokat használunk. A rezgés beindulásához két független feltételnek kell teljesülnie: a fázis és az amplitúdó feltételnek. A fázis feltétel szerint a kimeneti feszültség fázisának meg kell egyeznie a bementi feszültség fázisával. Az amplitúdó feltétel szerint az erősítőnek az összes, a rezgőkörben fellépő csillapítási veszteséget kompenzálnia kell. Ebben az esetben egyedül a generátor közli a kimenet rezgését fenntartó jelet. Egy tekercset és kondenzátort tartalmazó rezgőkörben feszültség és áram rezgések is keletkeznek. A rezgőkörbe bevezetett áram energiájának egy része a kondenzátor töltésére és így a rezgés fenntartására szolgál. A rendelkezésre bocsátott és a veszteségi energia egyensúlyának beállta után az LC-körben folyó áram amplitúdója nem változik, így a rezgés csillapítatlanná válik. Ilyen generátort ábrázol az alábbi ábra a) része. A kimenő jel szintje a rezgőkör Q jósági tényezőának függvénye. A jósági tényező alacsony értéke számottevően csökkenti az elektronikus áramkör kimeneti jelét. LC-generátorokat a néhány tíz kHz-et meghaladó frekvenciájú rezgések keltésére használjuk. Kisebb frekvenciák esetén a szükséges önindukciós tényező (L) értéke túl nagy, mely a tekercs túlzottan nagy méretét vonná maga után. a)

+U

b)

UD

UD C1 C2

L

Q=10

Q=1 1

2

3

ω ω0

4. ábra: a) LC-generátor a csillapítást kompenzációs erősítővel; b) kimeneti jel szintje különböző Q értékek esetén

9


1.3 Alapkonstrukció 1.3.1 Működési elv Az induktív szenzor aktív része egy vasmagra tekert, változó mágneses terű tekercs. A mag szerepe nyitott mágneses kör esetén a tekercs mágneses mezejének felerősítése, és annak a mérési terület felé irányítása. A mágneses mező változása mindig elektromos mező keletkezését vonja maga után (örvényáram). Ha a változó mágneses mezőben egy vezető jelenik meg, az elektromos mező erővonalai mentén örvény mágneses mező keletkezik (l. ábra). Ez a mező ellentétes a tekercs mágneses mezejével, és elveszi a rezonancia-kör energiájának egy részét. Ez azt jelenti, hogy a rezonancia-kör veszteségeiben változás lép fel, ami befolyásolja a jósági tényezőt és a rezgés amplitúdója csillapodik. A csillapítás addig lép fel, amíg a vezető tárgy ki van téve a tekercs mágneses mezejének. Ha a tárgyat eltávolítjuk a mezőből, a rezonancia csillapítása megszűnik, és a rezgés amplitúdója visszatér kiindulási értékére.

5. ábra: Fémes tárgy a vasmagos tekercs mágneses mezejében

10

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A szenzor elektromos áramköre az amplitúdó csillapodása alapján meghatározza a tárgytól való távolságot, és létrehozza a kimeneti jelet. A kimeneti jel általában kétállapotú: a tárgy a szenzor munkaterületén belül vagy kívül helyezkedik el. Előfordulhat azonban analóg jel is, mely fordítottan arányos a tárgy szenzortól mért távolságával. A szenzor elektromos áramköre az észlelő részen kívül egy hiszterézises komparátort és egy végrehajtó (kimeneti) rendszert is tartalmaz. A hiszterézis segítségével elkerülhető a detektálandó tárgy instabil állapota vagy rezgése esetén esetlegesen előforduló, a feszültségellátás fluktuációjából, vagy a hőmérséklet változásából adódó zavar. A hiszterézis az a távolság különbség, mely esetén a szenzor közeledő és távolodó tárgyak esetén reagál. A szenzor állapota ekkor KI-ről BE-re változik, vagy fordítva (l. ábra). A hiszterézis mértéke a szenzor típusától és méretétől függ, de általában nem haladja meg a mérési tartomány 20%-át. Az induktív szenzorok változó mágneses teret létrehozó LCgenerátora nagyfrekvenciás (HF) generátor, mely tipikus tartománya 100 kHz és 1 MHz között van. A tekercs átmérőjének növelésével nő a szenzor maximális terhelési áram kapacitása, azonban csökken a működési frekvencia. Az átlagos induktív szenzorok mérési területe nem haladja meg a 60 mm-t. A szenzorok háza eltérő lehet, léteznek hengeres (fém) és prizmás (műanyag) házak, így a szenzor működési helyén optimálisan installálható.

6. ábra: Induktív szenzor hiszterézise

11

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az tekercs által létrehozott mágneses tér fluxusa egy adott korlátos területet fed le, mely behatárolja a szenzor működési terültét. A szenzor előlapjától a tárgynak az áramkör átváltását előidéző távolságát névleges érzékelési távolságnak (Sn) nevezzük. Ez az érték szerepel a katalógusokban, értékét az EN 609475-2 szabvány szerint egy négyzet alakú acéllemezzel (St37) határozzák meg, melynek oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, és vastagsága 1 mm. A valós érzékelési távolságot (Sr) a gyártás során határozzák meg, ez némileg eltérhet a névleges érzékelési távolságtól. Néveleges működési feszültség és nominális környezeti hőmérséklet esetén 0,9 Sn ≤ Sr ≤ 1,1 Sn. A szenzor működésének megbízhatósága növelése érdekében az ajánlott működési tartomány tovább csökken: az üzemi érzékelési távolság Sa≤ 0,8 Sn. Ez a távolság a fémes tárgytól való azon biztonságos távolságnak felel meg, mely esetén a külső hőmérséklet és a hálózati feszültség teljes változási tartománya esetén is hibátlan működés garantálható. A szenzor Sn névleges érzékelési távolsága függ a ház D átmérőjétől, pontosabban a tekercs átmérőjétől és a mag tulajdonságaitól. Így tehát kisebb házba beépített szenzorok működési tartománya kisebb, mint a nagyobb méretű szenzoroké. Léteznek azonban speciális szenzor kivitelezési típusok, melyek növelik a működési tartományt.

50

Sn [mm]

40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

D [mm]

7. ábra: A szenzor átmérője és a névleges működési tartomány kapcsolata

12


1.3.2 Redukciós tényezők A detektált tárgy az áramkör rezonanciáját anyagától függő mértékben csillapítja. Az arany, réz vagy alumínium, melyek elektromos vezetőképessége nagyobb az St37-es acélénál, a rezgést kisebb mértékben csillapítják. Ezek a változások a tárgy szenzortól való távolságának megváltoztatásával kompenzálhatók, ez azonban a átmenő sugaras tartomány csökkenéséhez vezet. Ennek következtében, ha a detektált tárgy bronz, az St37–es acélra meghatározott érzékelési távolságot egy redukciós tényező segítségével módosítani kell: 0,5 × Sn. A szenzor tervezése annak érzékenységére is hatással van. Hengeres házban két alaptípus létezik: -

-

Árnyékolt: a rezonáns áramkör tekercse egy köpenyen belül helyezkedik el, mégpedig úgy, hogy a köpeny fémes frontfelülete a szenzor frontfelülete. Árnyékolatlan: a tekercs kinyúlik a házból, és egy kiegészítő műanyag sapka árnyékolja.

A kinyúló tekercses szenzorok érzékenysége a detektálandó tárgy irányába nagyobb, azonban ezáltal a környező más tárgyakat is jobban érzékelik.

8. ábra: Induktív szenzor különböző anyagokra korrigált érzékelési távolsága

13


1.3.3 Szerelés Az összeszerelési előírások betartása lehetővé teszi a környezet csillapító hatásából vagy több szenzor egymásra hatásából származó zavarok elkerülését. A szenzor közelében előírt szabad zóna mérete és alakja a érzékelési távolságtól, tervezés módjától és a detektálandó tárgy méretétől függ. A hengeres, fémes köpenyű ház a behelyezhető mag és indukciós tekercs méretét közvetlenül befolyásolja. Ennek következtében szoros összefüggés áll fenn a ház átmérője, és a érzékelési távolság és a szükséges szabad tartomány között, ahol a detektálandón kívül más fémes tárgy nem helyezkedhet el. Az árnyékolt szenzorok működési tartománya nagyobb az árnyékolatlan szenzorokénál, tehát a szükséges szabad zóna is nagyobb. Az árnyékolt hengeres szenzor nem érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, csak a közvetlenül előtte elhelyezett tárgyakat észleli. Ennek eredményeként ezeket a szenzorokat fémes elemek közé is beszerelhetjük. A szenzor frontfelületétől számítva a szabad tartomány 3Sn. Két, egymáshoz közel elhelyezkedő szenzor kölcsönös egymásra hatását elkerülendő a köztük levő távolság legalább az egyik szenzor D átmérőjének kétszerese legyen. Az árnyékolatlan hengeres szenzor érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, tehát a szabad terület oldalirányba is kiterjed, itt sem helyezkedhet el más tárgy. Az interferencia elkerülése végett a két szenzor távolsága itt legalább a D átmérő háromszorosa legyen. a)

b)

9. ábra: Árnyékolt és árnyékolatlan induktív szenzorok. a) karakterisztika; b) szerelési javaslat

14

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Minden szenzor műszaki specifikációja nyújt információt a kimenet maximális átváltási frekvenciáját illetően, mivel ez az adott szenzor jellemzője. A szenzor kimeneti állapotának átváltását jellemzi, ha egy St37-es acélból készült tárgy ciklikusan be- majd kilép az érzékelési távolságból. A frekvencia meghatározása az EN 50 010/IEC 60947-5-2 szabvány alapján történik. Az előírások a detektált tárgy dimenzióit, szenzortól való távolságát és a tárgy hosszának a tárgyak közötti távolság arányát adják meg. St37-es acélból készült standard méretű (oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, vastagsága 1 mm) lemezt egy nem vezető anyagból készült elembe szereljünk. A szenzor távolsága ettől a tárgytól a névleges érzékelési távolság (Sn) fele. Az EN 50010 szerinti mérési eljárás a tárgy hosszának és a tárgyak közötti távolság 1:2-es arányán alapszik. Ez az arány garantálja, hogy a környező tárgyak nem okoznak zavart. A kimeneti jel maximális átváltási frekvenciáját az alábbi képlet alapján számítjuk: f = 1/(t1+t2), ahol: t1 t2

a standard lemez hosszának adott távolság megtételéhez szükséges idő a két egymást követő lemez távolságának adott távolság megtételéhez szükséges idő

A mérés eredménye mindig függ a tekercset csillapító tárgy méretétől, annak a szenzortól való távolságától és a tárgy sebességétől. A standard lemeznél kisebb tárgy vagy kisebb tárgyak közötti távolság esetén a maximális átváltási frekvencia csökkenése várható.

Sn/2 D

D

D

UD

2D

t1

t2

t1

t

10. ábra: Az EN 50010 szabvány előírásai

15


1.4 Speciális szenzorok 1.4.1 Gyűrű-érzékelő Induktív gyűrű-érzékelők esetén az érzékelési tartomány a szenzor gyűrű alakú házának belsejében található. Az érzékelőt úgy tervezték, hogy a lyukon áthaladó tárgyakat észlelje. Alakjukat figyelembe véve ezek az érzékelők a lyukon áthaladó kis, fémes tárgyak, pl. csapok, szegek, csavarok számlálására alkalmasak. Az ilyen érzékelők háza általában műanyagból készül. Az ilyen érzékelők működése egy nagyfrekvenciás generátoron alapszik, mely a lyukon belül mágneses teret hoz létre. A tekercs toroid nagy teljesítményű maggal rendelkezik, mely jósági tényezőa jobb, mint a vasmagos tekercseké. Tetszőleges fémes tárgy jelenléte a rezgések amplitúdójának csökkentésén keresztül aktiválja a szenzort. Az amplitúdó-csökkenést egy komparátor ismeri fel, majd egy küszöb érték átlépésekor átvált a kimeneti állapot. Az érzékelő működési tartománya a lyuk átmérőjétől, és az érzékelendő fém méretétől és fajtájától függ. A szenzor aktiválásához a csillapítás egy adott szintje szükséges. Ha a detektálandó tárgyak túl kicsik, elképzelhető, hogy a csillapítás mértéke is túl csekély lesz. Érthető tehát, hogy minden szenzorméret esetén létezik egy minimális hossz vagy átmérő, ami felett a detektálandó tárgy biztos felismerése garantálható. A gyűrű-érzékelő előnye, hogy a detektálandó tárgyak mozgása pályájának nem kell szükségszerűen azonosnak lenniük. A gyűrű kialakítás lehetővé teszi a térbeli orientációtól független érzékelést. a)

b)

11. ábra: Induktív gyűrű-érzékelő; a) kialakítás; b) a szenzor mérete és a detektálandó tárgyak minimális mérete közötti kapcsolat

16


1.4.2 Mágneses térre érzéketlen szenzorok A nagy áramokat igénylő hegesztési eljárások erős mágneses mezővel járnak. Az induktív érzékelők ilyen területen való használata a kimenti állapot kontrollálatlan viselkedésének veszélyével jár, mely a mágneses mező a mag szaturációs intenzitására kifejtett hatásának következménye. Erős mágneses terek másik negatív hatása a tekercsben egy újabb áram indukciója. Ez az áram zavarja az oszcillátor működését és a kimeneti állapot véletlenszerű átkapcsolásához vezethet. Mindemellett a hegesztési eljárást rengeteg szikra kíséri, mely a ház és az aktív felületet károsítja. A szikrák miatt az ilyen alkalmazásokra tervezett szenzorok Teflon® bronz bevonatúak, első felületük pedig hőálló műanyaggal védett. A hibás működés elkerülése végett ezek az érzékelők különleges elektronikus áramkörrel és kis mágneses permeabilitású maggal rendelkeznek. Az ilyen, speciális szinterelt vasból készült magokat csak a tipikus vasmagokénál sokszorosan sűrűbb mágneses mező szaturál. Tehát az ilyen maggal rendelkező szenzorok sokkal kevésbé érzékenyek a külső interferenciára, mivel saját mágneses terük koncentrált és irányított. A külső mágneses mezőkkel szemben a mag nélküli szenzorok érzékenyek a legkevésbé. Hagyományos érzékelők esetén a mag a külső mágnesességet önmaga köré koncentrálja. Ezzel szemben a mag nélküli berendezések esetén a tekercs nem-mágneses, műanyag orsóra van feltekerve.

12. ábra: Erős mágneses mezőre érzéketlen tekercsek

17


1.4.3 Különleges körülményekre tervezett szenzorok A standard szenzorok nem standard működési körülmények közötti használata működési hibákat vagy akár tartós károsodást is okozhat. Az érzékelők különleges körülményekre való adaptálásához általában a ház különleges anyagból való elkészítése, a méretek növelése, speciális összeszerelési eljárások alkalmazása, és védelmül kialakításával vagy tervezési változtatásokkal az elektromos áramkörök működési körülményeinek biztosítása szükséges. A gyártók a kereslet alapján különböző különleges körülmények között működő szenzorokat kínálnak. Ilyenek például: -

a 200°C feletti hőmérsékletet tűrő érzékelők,

-

kémiailag ellenálló,

-

olajra érzéketlen,

-

magas páratartalomra érzéketlen szenzorok,

-

3-5 mm fejátmérőjű miniatűr érzékelők,

-

nagy nyomású környezetben működő szenzorok felépítésének a belső elektronika védelme érdekében robusztusnak és jól tömítettnek kell lennie. A tekercset és a magot a front oldal felől egy vastag, kopásálló kerámia korong védi. A tekercs védelmére az egy kicsit hátrébb elhelyezkedő tekercs ezáltal a működési tartomány csökkenését okozza. Ennek kiküszöbölésére módosított, nagyobb működési tartományt biztosító áramkörre van szükség. A megfelelő tömítettséget a szenzor kerámia előlapja és a rozsdamentes acél ház termális összekapcsolásával érjük el: a felmelegített házat ráemeljük a kerámia korongra, így lehűlése után a ház rászorul a korongra, és biztosítja a megfelelő tömítettséget.

18


1.5 Mozgás irányának felismerése A transzlációs vagy rotációs mozgás irányának felismeréséhez egy szenzorpár szükséges. Rotációs mozgás esetén a kimeneti jel átváltásáért felelős elem lehet például egy fogas kapcsoló. Az induktív érzékelő jele a fázis-diszkriminátorba (két jel fázisának különbségét felismerő berendezés) kerül. Ha a mozgás balra irányul, az 1-es jel megelőzi a 2-est, ekkor az L (left=bal) kimeneti állapotot állítja be a berendezés. Jobb felé irányuló mozgás esetén a helyzet fordított, ekkor a 2-es jel előzi meg az 1-es jelet, ekkor a rendszer az R (right=jobb) kimeneti állapotot állítja be. Hasonlóan történik a lineáris mozgás irányának meghatározása is, ekkor bistabil gyűrű-érzékelőt alkalmazunk. Ez az érzékelő két, sorba kapcsolt, de különböző generátorok által ellátott tekercset tartalmaz. A szenzor felépítése lehetővé teszi az egyes tekercseken átfolyó áramok megkülönböztetését. Minden adott időpillanatban egyszerre csak egy generátor működhet. Ha egy tárgy balról jobbra érkezik, az első tekercs rezgése csillapul először, majd csak ezután a második. Ellentétes irányú mozgás esetén a helyzet fordított. A tekercseken folyó áramok elemzésével egy mérőrendszer megállapítja a mozgás irányát.

U1 U2

t t

U1 U2

t t

13. ábra: Mozgás irányának meghatározása két hagyományos szenzorral és egy bistabil érzékelővel

19


1.6 NAMUR szenzorok A NAMUR induktív szenzorok olyan két vezetékes érzékelők, melyek belső ellenállása fémes tárgy érzékelésekor megváltozik: a „nincs fémes tárgy” helyzethez kicsi, a „fémes tárgy detektálva” helyzethez pedig nagy ellenállás tartozik. Ezek az érzékelők külső erősítőkkel működnek. A NAMUR induktív érzékelők kimeneti jelei szigorúan definiált tartományban mozoghatnak. AZ EN 60947-5-6 (korábban EN 50227) szabvány szerint ez a tartomány 1,2 mA-től 2,1 mA-ig terjed. Minden DC erősítőről táplált NAMUR érzékelő áramkarakterisztikája megegyezik, és a szigorúan definiált átváltási hiszterézis 0,2 mA. A NAMUR induktív érzékelők egy részlegesen csillapított tekerccsel rendelkező oszcillátorból és egy demodulátorból állnak. A detektált tárgy és a szenzor távolságának változása a kiadott áram változásává alakul, melyet a külső erősítő kétállapotú jellé alakít. A NAMUR szenzorok robbanásveszélyes környezetben csak szikraálló jelváltó erősítővel használhatók. Lehetséges a szenzor biztonsági előírásoknak nem megfelelő erősítővel való használata is, ám ekkor az erősítőnek a veszélyes tartományon kívül kell elhelyezkednie. A 0,15 mA-t meg nem haladó áramot a külső erősítő „nincs jel” állapotként értelmezi, a 6 mA-nél nagyobb áramokat pedig rövidzárlatként.

14. ábra: NAMUR érzékelő; a) karakterisztika; b) elektromos áramkör

20


1.7 Analóg induktív szenzorok A hagyományos érzékelőkkel ellentétben, melyek csak az érzékelést vagy nem-érzékelést regisztrálják, az analóg kimenetű induktív szenzorok teljes mérési tartományukon belül képesek egy tárgy pozíciójának meghatározására. Egy tárgy távolságának Sn-ről nullára változása a kimeneti jel 0-ról 20 mA-re való változásának felel meg. Az analóg kimeneti jelű szenzorok a közelítésérzékelőkhöz hasonlóan működnek. A rezonancia áramkör által létrehozott változó mágneses mezőt a szenzor érzékelési távolságán belül jelenlévő fémes tárgy csillapítja. A csillapítás a tárgy szenzorhoz való közeledésével erősödik. A speciális oszcillátor-tervezés lehetővé teszi a rezonanciakör csillapítását a távolság változásának, azaz a jósági tényező változásának függvényében. Ezt a rendszer kimeneti jellé alakítja, ami a linearizációs rendszernek köszönhetően csaknem lineáris. Az alábbi ábrán látható diagramok és számértékek egy St37-es acélból készült tárggyal készült mérések eredményei, mivel ezen anyag esetén az érzékelési tartomány maximális. Más mágneses permeabilitású fémek esetén redukciós tényezőket kell használnunk. A jelenleg kapható érzékelők legtöbbje gyakorlatilag a teljes mérési tartományban lineáris karakterisztikával rendelkezik (az ábrán szürkére satírozott terület).

15. ábra: Analóg szenzor induktív kimenettel

21


1.8 Egyenáramú készülékek Az egyenáramú érzékelők általában adapterek segítségével működnek, melyek kimeneti feszültsége fluktuál. A feszültség értékének túl nagy fluktuációja az induktív szenzorok váratlan viselkedéséhez vezethet. A hibátlan működés biztosítása érdekében a tápfeszültség változása nem haladhatja meg az átlagérték 10%-át, tehát az alábbi feltételnek kell teljesülnie: Uss ≤ 0,1 UD Ezt a tartományt a feszültség értéke nem hagyhatja el, még pillanatnyi feszültségcsúcs USS formájában sem. Az ilyen csúcsok elkerülése végett a stabilizált adapterek, vagy egy nagyobb jelsimító kondenzátor használata javasolt. A DC tápfeszültségű szenzorok kimenetét egy NPN vagy PNP elrendezés újragenerálja. Ez az NPN konfiguráció esetén azt jelenti, hogy az RL terhelő ellenállás a szenzor kimenete és az U tápfeszültség pozitív pólusa közé, PNP konfiguráció esetén pedig ugyanez az ellenállás a szenzor kimenete és az U tápfeszültség negatív pólusa közé kerül. Mindkét fenti típusú kimenet esetén rendelkezésre áll az NO normál esetben nyitott, és NC normál esetben zárt funkció. A szenzorok egy részének kiegészítő NP kimeneti funkciója is van, két egymástól független kimenettel, azaz NO-val vagy NC-vel. A terhelő ellenállás bekötését ebben az esetben a b) ábra mutatja. a)

b)

NPN

U

Uss

UD

RL

Uss <= 0.1Uśr

+

-

PNP

t

RL

+

-

16. ábra: Induktív szenzorok DC tápfeszültség esetén; a) tápfeszültség; b) az RL terhelő ellenállás bekötése

22


1.9 Váltóáramú készülékek A váltóáramú érzékelőket nem szabad közvetlenül rákapcsolni az AC adapterre, ez ugyanis a szenzor belső áramköreit károsítaná. A váltóáramú érzékelőket az RL terhelő ellenállással sorba kell kapcsolni. Az alábbi ábra tipikus elrendezést mutat be. Két vezetékes AC érzékelő használata az áramkörre vonatkozólag további korlátozásokat jelent. Az oszcillátor mellett a két vezetékes AC érzékelők egy tranzisztorral is rendelkeznek, mely teljesítmény-erősítőként működik. Ezeket az érzékelőket a terheléssel közvetlenül sorba kapcsoljuk. Ennek eredményeként folyamatos az áramszivárgás, még a szenzor kikapcsolt állapotában is. Ez több érzékelő akár soros, akár párhuzamos kapcsolása esetén egy bizonyos feszültség veszteséget eredményez. Az AC szenzorok tápfeszültségének kiválasztásakor a gyártó által specifikált maximális és minimális terhelési áramot se alul, se túl nem szabad lépni!

HIBÁS

HELYES

RL

17. ábra: Váltóáramú érzékelők

23


1.10 Érzékelők összekapcsolása Több szenzor soros vagy párhuzamos kapcsolása a berendezés különleges alkalmazásait teszi lehetővé. A szenzorok megfelelő kapcsolása esetén ÉS, VAGY és/vagy NOR logikai kapcsolatok is létrehozhatók. Az ÉS logikai funkció garantálja, hogy több összekapcsolt szenzor esetén a kimeneten csak akkor jelenik meg jel, ha minden egyes érzékelő állapota KI-ről BE-re váltott. A NOR funkció megszakítja az Ri ellenállást ellátó áramkört, mely csak akkor működik, ha minden szenzor állapota BE-ről KI-re változott. Ezeken kívül azonban további logikai kapcsolások is létrehozhatók. A sorba kapcsolt szenzorok maximális száma a tápfeszültség nagyságától, az érzékelők kimenetén lévő feszültségeséstől és a kapcsolódó terhelés paramétereitől függ. A szenzorok kimenetén lévő feszültségeséssel csökkentett tápfeszültség értékének mindig meg kell haladnia a kapcsolódó terhelés minimális működési feszültségét.

DC +

DC/AC +

-

(+)

+/-

N

(+)

+

+

-

RL

(+) RL

18. ábra: Érzékelők csoportjának soros kapcsolása (ÉS logikai kapcsolás)

24

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A VAGY kapcsolás esetén akkor keletkezik kimeneti jel, ha az érzékelők közül egynek megváltozott a kimeneti állapota. Ezt a funkciót párhuzamos kapcsolással hozhatjuk létre. Párhuzamosan kapcsolt három vezetékes DC szenzorok esetén nincsenek lényeges korlátozások. A kimenettől függetlenül párhuzamosan akár egy tucat érzékelő is összekapcsolható. Két vezetékes érzékelők párhuzamos kapcsolása esetén a szenzorok szivárgó áramai összeadódnak, mely hátrányosan befolyásolhatja a működést. Ezért a két vezetékes érzékelők párhuzamos kapcsolása nem ajánlott, bár nem is tiltott. Az így kapcsolt szenzorok maximális száma a terhelés típusától, és az érzékelők kimeneti áramkörein folyó szivárgási áramoktól függ.

DC +

-

+

+

DC +

-

+

RL

RL

+

-

-

+

+

-

-

AC

RL

19. ábra: Érzékelők csoportjának párhuzamos kapcsolása (VAGY logikai kapcsolás)

25


1.11 Biztonság és védelem Az érzékelők egyik legfontosabb tulajdonsága az installáció során fellépő esetleges hibák kiküszöbölésének lehetősége. Ez elektromos védő elemek segítségével biztosítható, melyek a szenzor belső áramköreit védik. A legtöbb állandó áramú érzékelő esetén a kimenetek az alábbi negatív következményekkel járó események ellen védettek: -

a tápfeszültségre történő téves irányú csatlakoztatás a kikapcsolást követő túlfeszültség a kimeneten rövid és nem-ciklikus impulzusok a tápvezetéken keresztül túlzott kimeneti áram és rövidzárlat

Az egyenáramú szenzorok elektromos áramköreinek rövidzárlata magát a szenzort nem károsítja, még ismételt és tartós esetben sem, mivel a rövidzárlat alatt a szenzor diódái kikapcsolt állapotban vannak. A rövidzár kiküszöbölése után az érzékelő hibátlanul működik. Fém házban található érzékelők esetén, amennyiben azok tápfeszültsége az emberre veszélyes, földelésre van szükség. Ha egy közelítéskapcsoló KI állapotban van, az áramkörben szivárgási áram jelenik meg, mely az érzékelő hibás működését eredményezheti. Ennek elkerülése végett egy további Rp ellenállást kapcsolunk párhuzamosan magával a terheléssel. Ez az ellenállás felveszi a szivárgási áramot, mivel értéke kisebb, mint az ellenállás működéséhez szükséges áram. Az Rp ellenállás és ennek P teljesítménye az alábbiak alapján számítható: Rp = U / Imin

P = U2 / Rp

20. ábra: Szivárgási áram egy AC induktív érzékelőt tartalmazó áramkörben

26


1.12 Busz kapcsolat Az érzékelők és vezérlőelemek kapcsolatát manapság modern kommunikációs hálózatok segítségével biztosítjuk. Ez a megoldás a régi, nagy kábeligényű megoldást váltotta fel. A hálózati megoldások lényege, hogy a jeleket egy köztes berendezés érzékeli, majd egy buszon keresztül továbbítja őket a fő egységnek (l. alábbi ábra). Ez lehetővé teszi -

a költségek jelentős csökkentését a szenzor és a meghajtó közötti távolság növelését a szenzor kalibrációjával és karakterisztikájával kapcsolatos adatok átvitelét

A legnépszerűbb megoldás ma a nyitott hálózat (open network), mely szabványokon alapulva különböző gyártók termékei közötti kapcsolatot is lehetővé tesz. A leggyakrabban használt kommunikációs protokollok: Ethernet, Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN, AS-I. A hálózatok segítségével elosztott vezérlő rendszereket hozhatunk létre, melyek lehetővé teszik a jelfeldolgozás egy részének alacsonyabb szintjeire, azaz a folyamathoz közelebb kerülését. Az alapvető hálózati berendezések bemeneti és kimeneti (input/output, azaz I/O) modulok, melyek az adott típusú hálózathoz illő interfészt tartalmaznak. A modult egy adott hálózati címen egy fő egység észleli, mely lehetővé teszi az adatok nagy sebességű továbbítását. Ez különösen fontos az érzékelők esetén, hiszen itt a jeleket gyakran bonyolult eljárásokkal kell feldolgozni, azonban a döntéshozatalra rövid idő áll csak rendelkezésre.

21. ábra: Profibus hálózatos és anélküli kommunikációs rendszer egyszerűsített szerkezete 27


1.13 Alkalmazások

22. ábra: Fúrófej törésének, és gyártószalagon haladó tárgyak észlelése

23. ábra: Drót folytonosságának ellenőrzése

28


2 Kapacitív érzékelők 2.1 Bevezetés A kapacitív érzékelők elektromos mező segítségével működési tartományukon belül elhelyezkedő tárgyak észlelésére alkalmasak. Az induktív érzékelőkkel ellentétben nem-fémes tárgyakat, például műanyagot is észlelnek. A kapacitív szenzor nem-vezető réteg mögött elhelyezkedő tárgyak detektálására is alkalmas, így gyakran alkalmazzák tartály falán keresztül folyadékok vagy pelletek észlelésére. A kapacitív érzékelőket általában közelítésérzékelőként használjuk, de a tárgy szenzortól mért távolságával arányos jel létrehozására is alkalmasak. Az ilyen érzékelők észlelési távolsága igen kicsi, kb. 30 mm, de léteznek speciális berendezések is, melyeknél ez 60 mm is lehet. Ha egy fémes tárgy vagy dielektrikum megjelenik a szenzor észlelőfelületének közelében, az a kimeneti állapotának KI/BE vagy BE/KI váltásával reagál. A kapacitív érzékelő a következő alkotóelemekből áll: fej elektródával, potenciométer (P), oszcillátor, detektáló áramkör, kimeneti áramkör (l. alábbi ábra). A kapacitív szenzor aktív komponense két fém elektróda, mely nyitott kondenzátort alkot. Ha egy tárgy közelít ehhez a kondenzátorhoz, annak megváltozik a kapacitása. A kondenzátor teljes kapacitása, mely meghatározza a kimeneti jel szintjét, a szenzor alap kapacitás és a detektált tárgy által okozott kapacitásváltozás összege.

24. ábra: Kapacitív szenzor blokk vázlata

29


2.2 Fizikai alapok A kapacitív szenzor alap modellje két elektródával (A és B) rendelkezik, melyek egymással szemben helyezkednek el. Az elektródák egy síkban való elhelyezése által nyitott kondenzátort kapunk. A C indirekt elektróda (vastagsága → 0) A és B elektróda közé helyezésével két sorba kapcsolt kondenzátort kapunk. Hasonló hatás érhető el nyitott kondenzátor esetén is, ahol az elektromos mezőt egy indirekt elektróda két ellentétes irányultságú mezőre osztja. A két kondenzátor kapacitása megegyezik, és az alábbi képlet alapján számítható:

C=

ε r ε 0S d

ahol C S ε0 εr d

kondenzátor kapacitása az elektródák felülete dielektromos állandó (vákuum vagy levegő) a kondenzátort kitöltő anyag dielektromos állandója elektródák közötti távolság

a) U

ε0 U/2

C

A

C

d/2

U/2 d/2

ε0

ε0 d/2

ε0 0

b)

B

A

0

U

B

25. ábra: Elektródák elhelyezkedése a kondenzátorban; a) kondenzátor, ahol az A és B elektródák egymással szemben helyezkednek el; b) nyitott kondenzátor, ahol az A és B elektródák egy síkban helyezkednek el

30

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A nyitott kondenzátor elektrosztatikus mezejébe helyezett vezető önmaga válik a C indirekt elektródává. Egy ilyen rendszer kapacitása mindig nagyobb, mint az indirekt elektróda nélküli rendszeré. Ha a nyitott kondenzátor elektromos mezejébe nem-vezető (szigetelő) anyagot helyezünk, a kapacitás a szigetelő dielektromos állandójával arányosan nő. Ennek oka, hogy a kezdeti nyitott kondenzátor kapacitása a levegő permittivitásától függ, és a folyadékok és szilárd anyagok dielektromos állandója mindig nagyobb a levegő (εlevegő = 1) dielektromos állandójánál.

26. ábra: Nyitott kondenzátor elektromos mezeje vezető és szigetelő anyagok esetén

31


2.3 Alapkonstrukció A szimmetrikus elektromos mező létrehozásához a külső B elektródának a hengeres A elektródával koncentrikusnak kell lennie (l. ábra). A detektálandó tárgy mint C köztes elektróda működik, és aktiválja a szenzort. A B gyűrű külső átmérője az érzékelő aktív síkja. Az ilyen szenzorok kapacitása a detektálandó tárgy távolodásával hiperbolikusan csökken.

27. ábra: Elektromos mezők a kapacitív szenzor fejben

32

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az érzékelő kapacitív szerkezete mindig a detektálandó tárgy anyagi minőségétől és a földeléstől függ. A nem-vezető tárgyak, azaz például a papír vagy üveg a dielektromos állandó növelésével csak a szenzor saját kapacitását növelik. Ez a növekedés azonban kicsi, mivel a dielektromos állandó növekedése csekély, tehát az érzékelési távolság is kicsi. Földeletlen vezető tárgyak esetén további két sorba kapcsolt kondenzátor alakul ki, az egyik a tárgy és a szenzor elektródája, a másik a tárgy és a külső elektróda között. Ebben az esetben a szenzor érzékelési távolsága nagyobb. A legnagyobb érzékelési távolságot úgy érhetjük el, ha a detektálandó tárgy földelt vezető. Ekkor a tárgy és a szenzor közötti, további kapacitás az érzékelő saját kapacitásával párhuzamos kapcsolást alkot.

28. ábra: A szenzor kapacitív szerkezete; a) szigetelő esetén; b) földeletlen vezető esetén; c) földelt vezető esetén

33

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az A és B elektródákat egy magas frekvenciájú oszcillátor kapcsolja össze. Az oszcillátor csak akkor lép működésbe, ha tárgy kerül az érzékelési tartományba, ui. az A és B elektródák közötti kapacitás növekedése aktiválja. Az oszcillátor rezgési amplitúdóját egy átmenő sugaras áramkör analizálja, mely a kapcsolási áramkör felé jelet generál. Az oszcillátor és az elektróda közötti visszacsatoló áramkörben egy potenciométer található, mely az oszcillátor áramkörének aktiválási szintjét állítja be. A névleges érzékelési távolság Sn az a távolság, melyen a kimeneti áramkör átkapcsol. Ez a távolság egy földelt, 1 mm vastagságú, négyzetes keresztmetszetű, Fe360 acél tárgyra vonatkozik, melynek oldalának hossza megegyezik a szenzor érzékelési felületének átmérőjével, vagy 3*Sn-nel, attól függően, melyik érték a nagyobb.

29. ábra: Kapacitív szenzor érzékelési tartományának definíciója

34


2.4 Szenzor típusok A kapacitív szenzorok általában mint hengeres vagy kocka alakú közelítésérzékelők léteznek, melyek aktív oldala az egyik lapos felület. A hengeres érzékelők két típusa használatos. Az egyik típus árnyékolt, tehát a működési tartomány a szenzor előlapjánál kezdődik. Az ilyen típusok fémbe vagy más anyagba süllyesztve szerelhetők. A másik típus esetén a szenzor kiáll a házból. Ezek az érzékelők különösen jól használhatók, amikor az észlelendő anyag közvetlenül érintkezik az aktív felülettel (pl. ömlesztett anyagok vagy folyadékok szintjének figyelése). Ekkor az érzékelési tartomány 50%-al nagyobb. Léteznek speciális készülékek is, melyeket vízszintes vagy görbült felületek esetén használhatunk.

30. ábra: Tipikus kapacitív szenzorok

35

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Több kapacitív szenzor felszerelése esetén a szenzorok egymásra hatása és külső elemekkel való interferenciája elkerülése érdekében vegyük figyelembe az alábbi ábrán látható szabályokat. A vezetékek és a kimeneti áramkör hasonlít az induktív szenzorok megfelelő megoldásaihoz, így két, három és négy vezetékes szenzorok is lehetségesek. Egyen- vagy váltóáramú tápellátás is lehetséges. a)

b)

31. ábra: a) süllyesztett és b) nem süllyesztett szenzorok felszerelése

36


2.5 Detektálandó tárgy anyagi minőségének hatása A kapacitív szenzorok kapcsolási távolsága széles tartományban változik. A legnagyobb távolságot vezető anyagok esetén érjük el, és mint azt korábban már említettük, az a földeléstől is függ. Vezető tárgyaknál az anyagi minőség nem befolyásolja az érzékelési távolságot. Szigetelők esetén azonban a kapcsolási távolság a dielektromos állandó függvénye, azaz minél nagyobb a dielektromos állandó, annál nagyobb a kapcsolási távolság. A kapacitív érzékelők működési tartománya a detektálandó tárgy dielektromos állandójával csökken (l. alábbi ábra). A következő táblázat a különböző szigetelők dielektromos állandóját tartalmazza. A szerves anyagok, azaz a fa, különböző magvak, stb. detektálásának távolsága nagyban függ azok víztartalmától. Ez a víz nagyon magas dielektromos állandójára (εvíz = 80) vezethető vissza.

32. ábra: Kapacitív szenzor kapcsolási tartománya a szigetelő dielektromos állandójának függvényében

37

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Anyag Alkohol Bakelit Benzin Cellulóz Fa Puha gumi Szilikon gumi Vulkanizált gumi Márvány Csillámpala (mica) Transzformátor olaj Papír Keménypapír Paraffin Plexi Poliamid Polyethylene Polypropylene Polystyrene Porcelán Üveg Teflon Levegő, vákuum Víz

εr 25,8 3,6 2,2 3 2 ... 7 2,5 2,8 4 8 6 2,2 2,3 4,5 2,2 3,2 5 2,3 2,3 3 4,4 5 2 1 80

1. táblázat: Különböző szigetelők dielektromos állandója (εr) A katalógusban található névleges érzékelési távolság (Sn) szabványos fémes tárgy esetén érvényes. A szenzor valós érzékelési tartományának (Sr) meghatározásához a nominális értéket az adott anyagra vonatkozó redukciós tényezővel kell megszorozni. Valós érzékelési tartományának (Sr) = Sn redukciós tényező Az alábbi táblázat néhány redukciós tényező értékét tartalmazza: Anyag Acél Víz Fa Üveg Olaj PVC PE Kerámia

Redukciós tényező 1 1 0,7 0,6 0,4 0,4 0,37 0,3

2. táblázat: Különböző anyagokra vonatkozó redukciós tényezők 38


2.6 Interferencia kompenzáció A átmenő sugaras áramkör tartalmaz interferenciaszűrőket, melyek a külső – ám nem túl nagy – elektromos mező hatását eliminálják. A szűrők azonban szignifikánsak lecsökkenthetik a maximális kapcsolási frekvenciát, és így negatívan befolyásolhatják a szenzor dinamikus karakterisztikáját. A szenzor elszennyeződése, a levegő nedvességtartalmának változása vagy az aktív felületen harmatcseppek megjelenése helytelen működést eredményezhet. Ha a zavaró mező homogén, egy további kompenzációs elektródát kapcsolunk az oszcillátor kimenetére, így lehetséges az érzékelési távolság állandó értéken tartása. A szennyeződések a szenzor elektróda és az érzékelő felület közötti kapacitás növekedését okozzák, ugyanakkor a szenzor elektróda és a kompenzációs elektróda közötti kapacitás kompenzációs csatolást hoz létre. Azonban egy vékony tárgy (pl. papírlap) és a szenzor érintkezésekor fennáll annak a veszélye, hogy a zavaró jel semlegesíti a fő elektróda jelértékét, és az érzékelő nem kapcsol át.

33. ábra: Szenzor kiegészítő kompenzációs elektródával

39


2.7 Alkalmazások Karakterisztikájuk és egyszerű felépítésüknek köszönhetően a kapacitív szenzorokat számos területen alkalmazzák. Ilyen például: -

tartály folyadékszintjének figyelése, granulátum szintjének ellenőrzése, vezető és szigetelő tárgyak számlálása, üres terek felismerése a csomagoláson keresztül, károsodás felismerése

34. ábra: Részlegesen telt tartály felismerése és elutasítása

35. ábra: Üveg vagy fém tartályok számlálása

40


36. ábra: Tartály folyadékszintjének figyelése, cső telítettségi állapotának meghatározása

37. ábra: Üres konténer felismerése a gyártósoron

41


3 Ultrahangos érzékelők 3.1 Bevezetés Az ultrahangos érzékelőket az anyag minőségétől és színétől függetlenül, átlátszó és átlátszatlan folyadékok szintjének meghatározására használjál. Elsősorban nagy portartalmú, magas szennyezettségű helyeken alkalmazzuk őket, mivel itt optikai érzékelők nem használhatók. Az érzékelők egy ultrahang-váltóval működnek, mely ultrahang sugarat bocsát ki, majd méri az emittált és a sugár útjában elhelyezkedő tárgyról visszavert sugár érkezése között eltelt időt. Ez az idő arányos a szenzor és a tárgy közötti távolsággal. Az ilyen szenzorok átváltási frekvenciája, működési elvük miatt más szenzorokhoz képest alacsony (néhány Hz-től kb. 100 Hz-ig). Az ultrahangos szenzorok akusztikus hullámokat hoznak létre, melyek frekvenciája (>20 kHz) kívül esik a hallható frekvenciákon. Az érzékelők magas működési frekvenciájuk miatt gyakorlatilag érzéketlenek a külső hangokból adódó interferenciával szemben. Az ilyen érzékelők az alábbi fő komponensekből épülnek fel: nagy feszültségű generátor, a szenzor fejében elhelyezkedő piezoelektromos konverter, jelfeldolgozó rendszer, kimeneti rendszer (l. alábbi ábra).

38. ábra: Ultrahangos érzékelő blokk vázlata

42


3.2 Fizikai alapok 3.2.1 Hanghullámok terjedése levegőben A hanghullámok különböző közegekben (gázok, folyadékok, szilárd anyagok) az adott közeg részecskéinek kölcsönös reakciói folytán terjednek. A levegőben ezek longitudinális hullámok, melyek terjedése a szomszédos, vibrációs állapotba gerjesztett molekulák ütközése folytán lehetséges. Ennek következtében a hanghullám terjedése a vibráló részecskék transzlációs mozgása nélkül lehetséges. A hanghullám λ hullámhossza az a távolság, amit a hullám egy periódus alatt megtesz. Az f vibrációs frekvencia a másodpercenkénti periódusok száma, mértékegysége a Hertz (Hz). A hang V terjedési sebessége a közeg fizikai tulajdonságaitól (sűrűség, mechanikus rugalmasság) függ. A hang sebességének alapvető képlete: V = λ · f, Ahol: f λ

Y

hang frekvenciája [Hz] hang hullámhossza [m]

λ

X 39. ábra: Hanghullám

43

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az ultrahangos érzékelők 23 és 400 kHz közötti frekvencián működnek.

40. ábra: Hanghullámok frekvencia tartománya

44

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A hanghullámok terjedését a fényhullámok terjedésére is érvényes fizikai törvények határozzák meg. A hullámok valamely akadályról részlegesen vagy teljesen visszaverődhetnek. A hang levegőbeli sebességét ismerve, a visszaverődő hullám (visszhang) visszatérési idejéből meghatározhatjuk a szenzor és a tárgy távolságát: S = V · t / 2, Ahol V t S

hang terjedésének sebessége levegőben (343 m/s T = 20°C hőmérsékleten) a hullám kibocsátásától annak visszatéréséig eltelt idő [s] a szenzor és a tárgy távolsága [m]

A sebesség és idő szorzatát el kell osztanunk kettővel, mivel a hullám a tárgy-szenzor távolságot kétszer (oda és vissza) teszi meg.

41. ábra: Tárgytól való távolság (S= tárgy-szenzor távolság, S1= hanghullám szenzortól a tárgyig való távolsága, S2= a visszavert hanghullám tárgytól a szenzorig való távolsága)

45


3.2.2 Környezeti hatások A hang terjedésének távolsága, eloszlása és sebessége részben a környezettől is függ. A közeg (levegő) fizikai tulajdonságainak véletlenszerű változásai befolyásolhatják a távolságmérés pontosságát. Ilyen környezeti változások lehetnek az alábbiak: Hőmérséklet: a levegő hőmérsékletének változása megváltoztatja a hanghullám sebességét. A változás mértéke hozzávetőlegesen 17%/°K. A legtöbb érzékelő belső hőmérséklet kiegyenlítővel van ellátva, mely a hőmérséklet ingadozás hatását nagymértékben (kb. 2/3 részben) eliminálja. Nyomás: Az atmoszférikus nyomás ±5%-os változása a hang sebességének ±6%-os változását eredményezi. Páratartalom: A levegő páratartalmának növekedése a hang sebességének 2%-os változását eredményezi (száraz levegőhöz képest). Légáramlatok: A légáramlatok hatása azok irányától és intenzitásától függ. Erős, 50 km/h-t meghaladó, a hang terjedésének irányában fújó szél számottevően befolyásolhatja a hang sebességét. A terjedés irányára merőleges szél a hanghullámokat el is térítheti. Szennyeződés: A levegő nagymértékű szennyezettsége az ultrahang-emitter felületének elszennyeződéséhez vezet, ami az emittált hullám tartományát akár 30%-al is csökkentheti.

42. ábra: A levegő hőmérsékletének hatása a hanghullám sebességére 46


3.2.3 Ultrahang hullám átalakítók Az ultrahang-hullámokat jelátalakítók hozzák létre, melyek manapság leggyakrabban piezoelektromos elven működnek. A piezoelektromos hatás speciális kristályok esetén jön létre, melyekben nyomás/feszültség hatására elektromos töltések keletkeznek. Piezoelektromos kristályok például a kvarc, vagy a lítiumszulfát. Speciális viselkedésük oka az elemi cellák kristályrácsban való spirális elhelyezkedése. Az effektus reverzibilis, tehát elektromos feszültéség hatására a kristály eldeformálódik. Az effektus két fajtása létezik: -

közvetlen piezoelektromos hatás, mely során a mechanikai hatások (pl. nyomás) elektromos jelekké alakulnak, fordított piezoelektromos hatás, mely során az elektromos jel mozgássá, vagy mechanikai rezgéssé alakul.

a)

b)

43. ábra: Piezoelektromos hatás; a) közvetlen; b) fordított

47

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az átalakító ∆l, a keltett hullám amplitúdójával megegyező deformációja arányos az U feszültséggel. Az arányossági tényező a d piezoelektromos állandó (dkvarc=2,3*10-12 [m/V]). ∆l = d · u [m] A ferromágneses anyagok csoportjába tartozó kerámiák szintén rendelkeznek piezoelektromos tulajdonságokkal. A ferromágnesség egyik alapvető tulajdonsága, hogy a dipólusokat permanens módon átrendezik, azaz a változás az elektromos mező eltávolítása után is fennmarad. Ez a tulajdonság a kerámiák speciális szerkezetéből adódik. Erős elektromos mező hatására a véletlenszerűen orientált elektromos dipólusok az átalakító felületével 45°-os szögbe rendeződnek, mégpedig permanensen. A lap felületére feszültséget kapcsolva, a dipólusok az ellentétes pólusok elve alapján elfordulnak, azaz a hasonló (+ és +, vagy – és -) taszítják, az ellentétesek (+ és -) pedig vonzzák egymást. A dipólusok mozgása az átalakító vastagságának ∆l növekedését vagy csökkenését – a feszültség előjelétől függően – okozza.

44. ábra: Piezoelektromos szenzor deformációjának vázlata; a) átalakító véletlenszerűen orientált dipólusokkal; b) átalakító az elektromos dipólusok permanens átrendezése után; c), d) átalakító deformációja feszültség következtében

48

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A piezoelektromos elemek, különösen a kerámiák a legkülönbözőbb alakokat vehetik fel (l. alábbi ábra). A piezoelektromos anyagok dielektrikumok. Feszültség rákapcsolásakor az átalakító szemben elhelyezkedő felületei fémes, néhány mikrométer vastagságú ezüst bevonattal vannak ellátva. A piezoelektromos tulajdonságok magas hőmérsékleten megszűnnek. Kvarc átalakító maximális működési hőmérséklete 200°C, a kerámia jelátalakítóé 100°C. Az elektromos energia mechanikai energiává alakításának hatásfoka kerámia átalakító esetén többször nagyobb, mint kvarc átalakító esetén.

45. ábra: Piezoelektromos elemek jellemző formái

49


3.2.4 Hanghullám létrehozása Ha az átalakító kapcsolatban áll az anyaggal vagy valamely közeggel (pl. levegővel), a feszültségváltozások okozta vibrációt átadja a közeg részecskéinek, ahol hullám keletkezik. Fordított esetben, ha a közeg részecskéi rezgést adnak át az átalakítónak, a felület mechanikai deformációja következtében elektromos töltések keletkeznek. Ugyanazt az átalakítót tehát jelek létrehozására és fogadására is használhatjuk.

46. ábra: Ultrahang emitter és vevő

50

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az ultrahang-hullám terjedése során szóródik (l. ábra). A legnagyobb hangenergia a szenzor tengelye köré koncentrálódik. Ha feltételezzük, hogy a hang energiája a szürke területen a hibátlan működéshez már nem szükséges, a méréshez felhasznált sugár alakja hasonlít egy α nyílásszögű kúpra. Az α szög határozza meg azt a területet, ahol az ultrahang-hullám energiája még nem esik a tengely körüli energia 50%-a alá. Az ultrahang-hullám átmérőjét a szenzor frontfelületétől X távolság az alábbi képlet alapján számíthatjuk ki: D = 2 · X · tan(α/2), Ahol: X α

a tárgy szenzortól mért távolsága az ultrahang sugár nyílásszöge

a)

b)

47. ábra: Szenzor által kibocsátott ultrahang-hullám sematikus ábrája: a) keresztmetszet a szenzor hossztengelye mentén; b) a sugár azon része, mely megfelel a szenzor követelményeinek

51

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az igényektől függően különböző szenzorokat gyártanak, melyek nyílásszöge eltér. A szög néhány foktól néhány tíz fokig változhat. A sugár alakját és szögét a szenzor rezgő felülete határozza meg, így nagyon különböző sugarakat létrehozó szenzorokkal találkozhatunk.

48. ábra: Szenzorkarakterisztikák, példák

52

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A szenzor érzékenysége a detektálandó tárgy távolságának növekedésével változik. Ezen változást kvalitatívan az alábbi ábra mutatja. Az érzékenységtől függően megtalálhatjuk azt az optimális távolságot, ahol a céltárgy észlelése a legvalószínűbb.

49. ábra: Érzékenység a szenzortól való távolság függvényében

53


3.3 Az ultrahangos érzékelők működésének elve Az ultrahangos érzékelők általában két üzemmód valamelyikében működnek: diffúz (diffúz sugaras szenzor) vagy átmenő sugaras (átmenő sugaras szenzor) üzemmódban, azonban az elsőt szívesebben használják. A céltárgyról visszavert ultrahang-sugár visszhang formájában visszatér a szenzorhoz. A kimenet típusától függően a detektor a visszatérési időből meghatározott távolságot analóg áram vagy feszültség jellé, illetve kétállású jelek esetén BE/KI jellé alakítja át. Amint a céltárgy elhagyja az érzékelési tartományt, a kimeneti rendszer visszatér eredeti állapotába. Az ultrahangos mérések tehát két szakaszból állnak (l. ábra): -

az átalakító ultrahang-sugarat küld a céltárgy felé, a céltárgy ultrahang-sugarat küld az átalakító irányába, amikoris ez a sugár az eredeti jel visszhangja.

Diffúz sugaras szenzorok esetén a két feladatot ugyanaz a piezoelektromos átalakító látja el.

50. ábra: Az ultrahangos mérés két szakasza: a) átalakító ultrahang-sugarat küld a céltárgy felé; b) a céltárgy visszaveri ezt a sugarat

54

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A szenzor érzékenysége a detektálandó tárgy sűrűségének növekedésével nő. Minél nagyobb ugyanis a tárgy sűrűsége, a hanghullám annál nagyobb részét veri vissza. Ez az oka annak, hogy az ultrahangos érzékelők kiválóan alkalmasak a nagy akusztikus visszaverési tényezővel rendelkező tárgyak észlelésére. Nagy akusztikus visszaverési tényezővel rendelkeznek általában a szilárd és folyékony, valamint a szemcsés anyagok is. A diffúz sugaras szenzorok periodikus hang impulzusokat hoznak létre. Az impulzus kibocsátása és a visszaérkező hullám észlelése között eltelt idő arányos a tárgy és a szenzor távolságával. Kétfunkciós átalakítóval, azaz jel generátorral és vevővel is rendelkező szenzorok esetén az impulzus Ti hosszának lényegesen rövidebbnek kell lennie, mint a visszhang megérkezéséhez szükséges Te idő. Az impulzusok néhány tíz Hz-es frekvenciával ismétlődnek. A szenzor az impulzus kiküldését követően azonnal készültségbe áll a visszatérő hullám fogadására, és a következő impulzus küldéséig ebben az állapotban is marad. A visszhang megérkezésének Te idejét mérve a céltárgy távolsága kiszámítható. Átmenő sugaras szenzorok esetén a visszhang észlelése az érzékelési tartományon belül elhelyezkedő céltárgy észlelését jelenti, így a kimeneti állapot megváltozását okozza.

51. ábra: Ultrahangos érzékelő működési ciklusa

55


3.3.1 Diffúz sugaras működés Ultrahangos diffúz sugaras szenzorok speciális, elektronikusan vezérelt átalakítókat használnak, melyek a hanghullámimpulzust létrehozzák, valamint fogadják is. Az átalakító néhány mikroszekundomtól 1 milliszekundumig tartó időintervallum alatt impulzusok sorozatát bocsátja ki, majd vár azok a detektált tárgyról való visszavert hullámainak visszatérésére. Ha a kúpos ultrahangsugáron belül reflektáló felület található, a KI kimeneti állapot BE állapotra vált.

a)

b)

52. ábra: Diffúz sugaras szenzor kimeneti állapota: a) céltárgy érzékelése előtt; b) céltárgy érzékelése után

56

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A szenzor maximális érzékelési távolságát megfelelő potenciométer segítségével korlátozni lehet, így az adott távolságon kívül elhelyezkedő tárgyakat nem észleljük (l. alábbi ábra). Ezáltal a háttér kitakarása megoldható. Néhány szenzortípus esetén az érzékelési távolság alsó határa is beállítható, azaz létrehozható egy kizárt tartomány is. Ekkor az aktív tartomány pontosan meghatározható. A szenzor frontfelületének közvetlen közelében egy holt tér található, itt nem észlelhetünk tárgyakat, illetve az észlelés kétséges. A holt tér mérete a szenzor méretétől és érzékelési távolságától függ. Rövid, korlátozott érzékelési tartományú szenzorok holt tere kisebb, mint a nagyobb szenzorok hol tere. A holt tér az átalakító kettős funkciójának, azaz az adó és vevő működésnek a következménye, ui. az átalakító a visszhang fogadására csak a hang impulzus kibocsátása után áll készen.

53. ábra: Az észlelési tartomány meghatározása a működési tartomány alsó és felső határának meghatározásával

57

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az alkalmazástól függően a szenzorok ultrahang sugarának nyílásszöge 3 és néhány tíz fok között változik. A nyílásszöget úgy kell megválasztani, hogy a kúp lefedje a detektált célterületet, az azon kívül eső tárgyakat pedig figyelmen kívül hagyjuk. A szabványos kalibráló céltárgy egy 1 mm vastagságú fém lap. Ezt használjuk az Sn érzékelési távolság ellenőrzésekor. A lapot a hanghullám tengelyével merőlegesen helyezzük el. Mérete a szenzor érzékelési tartományától függ. Rövid hatótávolságú (300 mm-ig) érzékelők esetén 100 mm-es négyzet alakú lapot használunk. Ettől eltérő méretű, alakú és fizikai tulajdonságokkal rendelkező céltárgy esetén a katalógusban feltüntetett Sn érzékelési távolság nem garantálható. Általánosan az alábbi szabályok érvényesek: -

58

minél alacsonyabb a szenzor frekvenciája, annál nagyobb az érzékelési távolság minél nagyobb a működési frekvencia, annál szenzor kevésbé érzékeny a háttérzajokra


3.3.2 Átmenő sugaras üzemmód Átmenő sugaras szenzorok esetén az ultrahangos átalakító egy hanghullámot indít egy önálló házban elhelyezkedő vevő egység irányába. A hanghullám útjában álló tárgy megtöri a hullámot, erre a szenzor kimeneti állapota átvált. Átmenő sugaras szenzorok esetén, a diffúz és reflexiós szenzorokkal ellentétben az átalakító folytonos jelet állít elő, így tehát nincs holt tér.

a)

b)

54. ábra: Átmenő sugaras szenzor kimeneti állapota: a) céltárgy érzékelése előtt; b) céltárgy érzékelése után

59

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az ilyen szenzorokat nem csak a hangot visszaverő, hanem az azt elnyelő vagy disszipáló, porózus anyagok észlelésére alkalmazzák, de használhatjuk őket a diffúz sugaras szenzorok által nehezen észlelhető alakú tárgyak detektálására is. A hanghullámokat jól visszaverő, de a szenzor tengelyéhez képest az alábbi ábrához hasonlóan elhelyezkedő tárgyak megszakítják a hanghullámok útját, így a átmenő sugaras szenzorok által jól észlelhetők. Ugyanez egy diffúz sugaras szenzorral nem lehetséges, a visszavert sugár iránya túlzottan eltér a szenzor tengelyének irányától. A kimeneti állapot átkapcsolási frekvenciája nagyobb, mint a diffúz sugaras szenzoroké, elérheti a 200 Hz-et is.

55. ábra: Példa: diffúz sugaras szenzorral nehezen detektálható alakú tárgy

60


3.4 Lehetséges hibák 3.4.1 Fizikai eredetű hibák Az érzékelő működését az alábbi faktorok befolyásolhatják: -

Légáramlatok, melyek annyira megváltoztathatják az akusztikus hullám sebességét és/vagy irányát, hogy az észlelés lehetetlenné, vagy megbízhatatlanná válik.

-

Légnyomásváltozás: ekkor az atmoszférikus nyomás ±5%-os változása a hang sebességének ±6%-os változását eredményezheti.

-

Hőmérsékletemelkedés a szenzor működési tartományában nagy mennyiségű hőt sugárzó tárgy következtében: ez különböző hőmérsékleti zónák kialakulását eredményezheti, melyek megváltoztatják a hullám terjedésének idejét, és ezáltal csökkentik a szenzor pontosságát. A hőmérséklet és a páratartalom emelkedése esetén a detektált távolság gyakran kisebb a valós távolságnál. Forró felületek kevésbé hatékonyan verik vissza az irányított hanghullámokat, mint a hideg felületek. A levegő hőmérséklete és páratartalma hatással van a hang impulzus időtartamára. A hőmérséklet 20°C-al való emelkedése a szenzor érzékelési tartományának néhány százalékos (3,5-8%) növekedéséhez vezet, így a mért távolság alulbecsli a valós távolságot.

-

Hangszigetelők. Ha a hangot elnyeli valamely anyag (vatta, textil, gumi, stb.), a szenzor érzékenysége csökken. Diffúz sugaras érzékelők esetén az érzékenység annyira lecsökkenthet, hogy lehetetlenné válik a céltárgy észlelése.

3.4.2 Szerelésből adódó hibák Az ultrahangos érzékelők különösen a kemény, sima, a szenzor tengelyére merőleges felülettel rendelkező tárgyak detektálására alkalmasak. Bármely, a fenti követelményektől való eltérés hibás működést eredményezhet. Azaz: A detektálandó tárgy felületének a szenzor referenciatengelyével bezárt szöge. Ha ez a szög eléri a 90°-ot, a visszavert hullám nem tér vissza a szenzor tengelye mentén, azaz csökkenti a diffúz sugaras érzékelő észlelési távolságát. Ez különösen nagyobb mérési tartományok esetén fontos, hiszen

61

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ ekkor már 3°-os eltérés is az észlelés hiányához vezethet. Kisebb mérési tartományok, tiszta és kis céltárgy esetén akár 10° eltérés is megengedett. -

Céltárgy alakja. Abban az esetben, ha a céltárgy felületéről visszavert sugár iránya nagyban eltér a szenzor tengelyének irányától, az átmenő sugaras vagy reflexiós érzékelők használata javasolt.

-

Folyadékok felülete. Az ultrahang-hullámok reflexiós együtthatója folyadékok és szilárd anyagok esetén megegyezik. Sima, hullámmentes folyadékfelületek könnyen detektálhatók.

-

Érzékelők kölcsönös interferenciája. Ha több érzékelő egymáshoz túl közel van felszerelve, az egyik szenzor által kibocsátott hullám visszhangját érzékelheti egy másik szenzor is, melynek kimeneti állapota ekkor szükségtelenül megváltozik. Ennek elkerülése érdekében tartsuk be az érzékelők közötti ajánlott minimális távolságot.

56. ábra: Azonos időben működő szenzorok közötti ajánlott minimális távolság

62


3.4.3 Szenzorok szinkronizálása Kettő vagy több szenzor megfelelő összekapcsolása lehetővé teszi egymás közelségében való elhelyezésüket interferencia veszélye nélkül. A szinkronizálás javasolt, ha a szenzorok azonos irányba bocsátanak ki hullámokat, és az ultrahang hullámok részlegesen átfedik egymást. Szinkronizálás esetén lehetséges, hogy a detektált tárgy az aktív szenzor és a vele szinkronizált szenzor előtt található, mégis csak az aktív szenzor kimenete változik meg. Az alábbi ábra két egymáshoz közel felállított szenzort mutat: A B érzékelőt B1 és Ax visszhang is eléri. Az A1 visszhang az A érzékelőt hamarabb éri el, mint ahogy az Ax és B1 visszhangok elérik a B érzékelőt. A szenzorok szinkronizálása érzéketlenné teszi őket az első visszhangon kívül érkező további jelekre, így más interferáló ultrahang hullámok hatása kiküszöbölhető. A szinkronizált szenzorok egy időben bocsátanak ki jelet, és egy, kiterjesztett akusztikus kúppal rendelkező érzékelőként működnek, mely ugyanazt a tárgyat detektálja.

57. ábra: Két egymáshoz közel elhelyezkedő, és azonos céltárgyat érzékelő szenzor szinkronizálása

63


3.5 Speciális ultrahangos érzékelők 3.5.1 Reflexiós érzékelők A retro-reflexiós érzékelők működésének elve a detektált tárgyról és a reflektorról visszavert hanghullám visszatérési idejének különbségén alapszik. A reflektor szerepét tetszőleges kemény és sima felületű tárgy betöltheti. A detektálandó tárgyról viszszavert hanghullámnak hamarabb kell visszaérkeznie, mint a reflektorról visszavert hullámnak. Ekkor az érzékelő kimeneti állapota megváltozik.

a)

Reflektor oror

b)

Reflektor

58. ábra: Reflexiós szenzor kimeneti állapota: a) céltárgy érzékelése előtt; b) céltárgy érzékelése után

64

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az ilyen szenzorok a sugár abszorpció vagy eltérítés miatti teljes megszakítását is érzékelik: a sugár megszakítása, azaz a céltárgy észlelése a kimeneti állapot megváltozását vonja maga után. Az ilyen szenzorok különösen alkalmasak például vatta, szivacs, textíliák észlelésére, mivel ezek nagymértékben elnyelik a hanghullámot, valamint a szenzor tengelyére nem merőleges felületek detektálására is alkalmasak.

a)

b)

59. ábra: Visszavert ultrahang hullám megszakítása: a) hangvisszaverő felület; b) hangot elnyelő anyag

65

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A reflexiós érzékelők bármely kemény felületről visszaverődő ultrahang-hullámot fel tudják használni. Ez különösen nehezen hozzáférhető helyek esetén előnyös. Az érzékelők alábbi ábrán látható elrendezésben egyszerre használják fel a teljes sugár megszakítás, és a visszhang reflexiójának elvét.

60. ábra: Reflektált ultrahang-hullám használata elnyelő anyagok észlelésére reflexiós szenzorral

66


3.5.2 Két átalakítós érzékelők Két átalakítós érzékelők egyszerre működhetnek diffúz sugaras és reflexiós üzemmódban. Ekkor az egyik átalakító emitterként, a másik pedig ultrahang vevőként működik. Ez az elrendezés lehetővé teszi a szenzorhoz nagyon közel elhelyezkedő céltárgyak észlelését is, mivel a vevőnek nem kell megvárnia, amíg az emitter kibocsátja a jelet. A két átalakítót azonban szinkronizálni kell.

a)

b)

61. ábra: Két átalakítóval rendelkező szenzorok: a) diffúz sugaras üzemmód; b) reflexiós üzemmód

67

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Hengeres tárgyak könnyebben észlelhetők, mint a laposak. Lapos tárgyak esetén a visszhang könnyen kiléphet a vevő működési tartományából.

62. ábra: Hengeres és lapos felületű tárgyak észlelése

68


3.6 Analóg kimenetű érzékelők Az ultrahangos érzékelők nagy része mind kétállapotú, mind analóg kimenettel is rendelkezik. Ha távolság mérésére van szükség, a feszültség vagy áram kimenetet használjuk. A kimeneti feszültség vagy áram nagysága arányos a mért távolsággal.

63. ábra: A céltárgy távolságának változása okozta kimeneti jelváltozás

69


3.7 Alkalmazások Az ultrahangos érzékelőket számos területen alkalmazzák, mivel érzéketlenek a mérési tartományban esetlegesen fellépő zavaró hatásokra és a szenzor elemeinek elszennyeződésére. Az ilyen érzékelőkkel lehetséges különböző tárgyak észlelése függetlenül -

azok anyagától (fém, műanyag, fa, karton, stb.), fizikai megjelenésétől (szilárd, folyékony, granulátum, stb.), színétől, átlátszóságának mértékétől.

Ipari alkalmazások eseten ezeket az érzékelőket használhatjuk többek között az alábbiak megfigyelésére: -

berendezés pozíciója, tárgyak sora futószalagon, különböző színű folyadékok szintje tartályokban, granulátum szintje.

64. ábra: Diffúz sugaras érzékelő használata üvegtartályban elhelyezkedő folyadékok szintjének ellenőrzésére 70


65. ábra: Folyadékszint mérés analóg ultrahangos érzékelővel

66. ábra: Elemek számlálása futószalagon átmenő sugaras ultrahangos érzékelő segítségével 71


67. ábra: Dobozok megtöltési ütemének ellenőrzése diffúz sugaras ultrahangos érzékelővel

68. ábra: Tárgyak méretének mérése analóg kimenetű ultrahangos érzékelőkkel

72


69. ábra: Futószalag vagy huzal hibák figyelése ultrahangos érzékelővel

70. ábra: Ultrahangos érzékelő használata ütközésvédelemre: biztonságos távolság betartásának ellenőrzése

73


71. ábra: Szalag elégtelen feszítettségének észlelése

72. ábra: Papírhenger átmérőjének mérése

74


73. ábra: Futószalagon reflektáló és nem-reflektáló tárgyak számlálása ultrahangos érzékelő segítségével

75


4 Fotoelektromos (optoelektronikai) érzékelők 4.1 Működési elv Az optikai érzékelők optikai és elektronikai eszközök kombinációját használva jelzik a különböző objektumok – tárgyak, anyagok – jelenlétét. Tetszőleges anyagi minőségű tárgy jelenlétét érzékelik, néhány milliméteres közelségtől egészen néhány tíz méteres távolságig. A fotoelektromos érzékelők akkor reagálnak, ha a céltárgy vagy megszakítja a kibocsátott fénysugár útját, vagy annak felületéről visszaverődik. A fényjel változásait az érzékelő a kimeneti állapotot vezérlő elektromos jellé alakítja. A fotoelektromos érzékelők a következő fő alkotóelemekből állnak: fényforrás (1) és fényérzékelő (2), elektronikus áramkörök (3), kimeneti rendszer (4), egy vagy két LED (5), mely az érzékelő működési állapotáról ad felvilágosítást, az érzékenységet állító potenciométer (6), ház (7) és átlátszó árnyékolás (l. alábbi ábra).

8

7

5 6

2 1

3

4

74. ábra: Hengeres házú fotoelektromos érzékelő sematikus felépítése Az elektronikus áramkörök közé tartoznak az alábbiak: -

76

a forrás fényének modulálására szolgáló oszcillátor (3) hasznos jelet kiválasztó demodulátor (4)

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A szenzor további komponensei: fényadó (1), -vevő (2) és egy tranzisztor (3), mint kimeneti elem. A fent felsorolt komponensek elhelyezkedhetnek egy közös, de akár két különálló házban is. Ez attól függ, hogy a céltárgy megszakítja, vagy visszaveri a fényt.

A 3

1

B

6

2

4

5

C

75. ábra: Fotoelektromos érzékelők fő szerkezeti elemei: A: átmenő sugaras érzékelő, B: retro-reflexiós érzékelő, C: diffúz sugaras érzékelő

77


4.2 Fotoelektromos komponensek 4.2.1 Fizikai alapok 4.2.1.1 A fény Fizikai szempontból a fény fogalmába beletartoznak a látható tartomány mellett elhelyezkedő ultraibolya (a látható fény hullámhosszánál rövidebb) és az infravörös (hosszabb hullámhosszú) fény is. A látható fény az elektromágneses sugárzás emberi szem által érzékelhető tartománya (370nm – 770nm hullámhossztartomány).

76. ábra: Elektromágneses sugárzás tartományai

78

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A szem érzékenysége hullámhosszfüggő, azaz különböző színeket különböző érzékenységgel detektál. A szem a sárga közelében elhelyezkedő, azaz 550 nm környéki színekre a legérzékenyebb. Az infravörös és ultraibolya fény a szem számára láthatatlan. Különböző fotoelektromos érzékelők látható vörös, vagy láthatatlan infravörös fényt használnak.

77. ábra: Szemérzékenység-görbe a hullámhossz függvényében

79


4.2.1.2 A fény tulajdonságai Reflexió – a felületek visszaverik a rájuk eső fényt. Ezért látjuk a minket körülvevő tárgyakat. Abszorpció – a felületekre beeső fény egy részét a tárgyak elnyelik. Ekkor az elnyelt fényenergia általában hővé alakul át. Transzmisszió – a fény fennmaradó része, azaz amit a felület se vissza nem ver, se el nem nyel, áthalad a tárgyon. A tárgy anyagi minőségétől függően a fényt szórhatja is. Fénytörés – a különböző (sűrűségű) közegeken áthaladó fény útja megváltozik. Speciális esetekben a fénytörés helyett teljesen vissza is verődhet a két közeget határoló felületről. Az optikai szálak esetén ezt a jelenséget használjuk ki. Eltérő hullámhosszú fény eltérő törési tulajdonságokkal rendelkezik. A prizmán áthaladó fényt a prizma hullámhosszak szerint felbontja, így alakul ki a beeső fehér fényből annak prizmán való áthaladásakor a gyakran megfigyelhető szivárvány.

78. ábra: Fény tulajdonságai

80

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A fény különböző felületekről való visszaverődésének módja nagyban függ a felület reflexiós tulajdonságaitól, mint pl. a felületi érdesség, szerkezet és szín. A visszaverődés (reflexió) lehet: 1. irányított: ekkor a visszaverődés szöge megegyezik a beesés szögével. Ez történik például ragyogóra fényezett fém vagy tükör felületek esetén. 2. irányított – szórt: ekkor a fény egy része irányítottan viszszaverődik, egy része pedig szóródik, pl. festett felületek esetén. 3. szórt: ekkor a beeső fény különböző irányokba verődik vissza, pl. érdes felület esetén.

79. ábra: Fény visszaverődésének lehetőségei

81


4.2.2 Fényemittáló elemek A fotoelektromos érzékelők két fő félvezető elem családra oszthatók: félvezető fényforrásokra (ezeket gyakran egyszerűen adóknak vagy emittereknek nevezzük), és fotódetektorokra. Ezek két különböző alapvető optikai folyamaton alapszanak: a foton kibocsátáson és a megvilágított fotódetektorok foton abszorpcióján. A fotóemittereket az alábbi csoportokra osztjuk: -

-

82

LED: fénykibocsátó dióda. Az elnevezés az angol megnevezés rövidítésén alapul: Light Emitting Diode. Látható tartományban, azaz 780 nm-es hullámhossznál rövidebb hullámtartományban bocsát ki fényt. Félvezető lézerdióda (LD): a LED továbbfejlesztése, látható vagy infravörös tartományban működik.


4.2.2.1 Fénykibocsátó dióda (LED) A LED működésének alapja az elektro-lumineszcencia, azaz külső elektromos áram hatására a félvezető gerjesztett állapotba kerül, és elektromágneses sugárzást bocsát ki. A LED egy n-típusú és egy p-típusú félvezető rétegből, egy aktív területből (p-n átmenet) és egy fém kontaktuspárból (anód, katód) áll. A LED akkor működik megfelelően, ha a p-n átmeneten nyitó irányban polarizált, azaz a feszültség >0. A lumineszcencia intenzitása az áthaladó áram nagyságától függ, az összefüggés széles áramtartományban lineáris.

80. ábra: Fotóemitter modellje, áramköri jele és áram karakterisztikája

83

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A LED nagyon szűk hullámhossztartományban bocsát ki sugárzást, melynek domináns hullámhossza határozza meg a kibocsátott fény színét. A domináns hullámhossz a félvezető anyagi minőségétől függ. Különböző összetételű, és különbözőképpen szennyezett anyagok léteznek, melyek esetén a kibocsátott fény színe eltérő. A fénykibocsátó diódák félvezető anyagokból készülnek (a periódusos rendszer III és V főcsoportjainak elemeiből). Ilyenek például: • • •

Gallium-arzenid (GaAs) – az infravörös - vörös tartományban (950 nm-650 nm) sugároz, Gallium-arzenid-foszfit (GaAsP) – vörös – sárga tartományban (630 nm – 590 nm) sugároz, Gallium-nitrit (GaN) – kéken (430 nm) sugároz.

A kibocsátott fénysugár erősen divergens, azaz fókuszálni kell, ezért a LED-ek háza egy sugárformáló (fókuszáló) lencsét is tartalmaz.

81. ábra: LED-ek spektrális karakterisztikái

84

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A látható és a közeli infravörös fényt (IR A) kibocsátó LED-eket fotoelektromos érzékelők emittereiként használjuk. A látható fényű emitterek esetén könnyebb az érzékelő pozicionálása, az infravörös emittereket azonban kis teljesítményfelvételük, pontosságuk és nagy távolságokon is megbízható észlelési tulajdonságaik miatt kedvelik. A LED-ek általában könnyű, átlátszó, matt, színtelen vagy a LED színével megegyező színű házban találhatók, mely egy műanyag lencsét is tartalmaz. Ez formálja a sugarat, így optimális karakterisztika érhető el.

82. ábra: LED-ek sugárzásának szögeloszlási karakterisztikája (példák)

85


4.2.2.2 Lézerdióda (LD) A LED-ek és a lézerdiódák közötti alapvető különbség, hogy ez utóbbiak optikai rezonátorral rendelkeznek, melyet az LD határfelületei hoznak létre. Egy bizonyos a félvezetőn átfolyó áramerősségig az LD egyszerű LED-ként működik, azonban a küszöb áramerősséget meghaladva megkezdődik a fotonemisszió. Ez az indukált emisszió, mely eredménye a lézerek által emittált speciális fény, mely nagy teljesítménysűrűségű, koherens és a keskeny spektrális eloszlású.

83. ábra: Lézerdióda lamináris szerkezete

86

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az LD aktív komponense a p-n átmenet, mely erős és koherens, nagy intenzitású sugárzást bocsát ki, így a LED-ek érzékelési tartományánál nagyobb érzékelési távolság lehetséges. Fotoelektromos szenzorként főleg a látható fényt (635-690 nm) kibocsátó LD-ket alkalmazunk. Lézer emittereket tartalmazó szenzorok különösen kis céltárgyak észlelésére vagy azok pontos pozicionálására alkalmasak. A lézersugár majdnem tökéletesen párhuzamos, így az adó és a vevő korrekt pozicionálása egyszerűbb.

84. ábra: LD és LED spektrális karakterisztikájának összehasonlítása

87


4.2.3 Fénydetektáló elemek 4.2.3.1 Fotodióda A félvezető fotódetektorok az adó által kibocsátott fényenergiát elektromos energiává alakítják át, általában félvezető fotodiódák vagy fotótranzisztorok. Az abszorbeált optikai sugárzás a fotódetektorban belső fotoelektromos jelenséget okoz, melynek eredménye a fotóáram. A nem megvilágított p-n átmenetes fotódetektorban csak csekély sötétáram folyik. A fotódetektorok fontos jellemzője a fényimpulzusra való reagálási idő. A pulzus felfutási ideje a fotóáram a maximális fotóáram 0,1-szereséről 0,9-szeresére való felfutásának ideje.

85. ábra: Impulzus felfutási és lecsengési ideje fotódetektorban

88

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A fotodiódák általában szilíciumból vagy gallium arzenidből készülnek, és külső (negatív polarizáltságú) tápfeszültségről működnek. A p-n átmenet megvilágítása a fotodióda záróirányú áramának növekedéséhez vezet, melynek értéke főként az aktív felületre beeső fény sűrűségétől függ. A gyűjtőlencse a sugár fénysűrűségének növelését szolgálja.

86. ábra: Fotodióda modellje

89

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A fotodiódát leginkább magas működési frekvenciája tünteti ki: a fényjeleket több tíz MHz-es frekvenciával tudják átalakítani. Komoly hátrányuk azonban a fotodióda áramának erős hőmérsékletfüggése. Ha az n- és p-típusú félvezetők között egy i-típusú intrinzik félvezető réteg is van, PIN diódát kapunk. A köztes réteg eredményeképpen módosul a félvezető energiaszerkezete. A tipikus fotodióda esetén az elnyelő (határ-) réteg vastagsága sokkal kisebb a fotonok behatolási mélységénél. Ennek következtében a fotodióda hatásfoka nem különösen magas, a fotóáram pedig csökken. Ez utóbbi növelhető, ha a p- és n-típusú rétegek közé egy i-típusú fél-szigetelő réteget iktatunk be, és így megnöveljük az elektromos mező körüli területet. Az ilyen (PIN) dióda válaszideje rövidebb a közönséges diódák válaszidejénél, és a hatásfoka is magasabb.

87. ábra: PIN fotódióda modellje

90


4.2.3.2 Pozícióérzékeny detektorok (PSD) A pozícióérzékeny detektorok PIN fotodiódák, melyek nagy, fényérzékeny felülettel rendelkeznek. A fény a félvezető vonalzó alakú p-típusú rétegét éri. Ennek eredményeként a belső fotoelektromos hatás következtében az elemen elektromos töltések jönnek létre, és IA és IB áramok folynak. Ha a fénynek kitett p félvezetőt egyenletesen világítjuk meg (azaz a „vonalzó” jobb és bal oldalát közel azonos számú foton éri el), IA ≈ IB. Ez az eset áll fenn például, ha egy fénysugár pontosan a vonalzó közepét éri, a háttér pedig egyenletesen van megvilágítva. Ha a fénysugár a vonalzó közepéhez képest nem szimmetrikusan érkezik, a két áram erőssége eltér. Az áramok arányának mérésével a maximális fényintenzitás lineáris pozíciója, és így az x távolság meghatározható. Ezt a szenzor elektronikája feszültségjellé alakítja, így rendelkezésre áll egy analóg kimeneti jel.

88. ábra: Fénypont helyének meghatározása pozícióérzékeny detektor segítségével. Működési elv

91


4.2.3.3 CCD-k Manapság a pozícióérzékeny detektorok helyett már gyakran CCD-ket (Charge-coupled Device, azaz töltés-csatolt eszköz) alkalmaznak, mivel ezek kevésbé érzékenyek a másodlagos vagy véletlen fényhatásokra, hiszen a CCD a pozícióérzékeny detektorokkal ellentétben csak a fény intenzitására, nem pedig annak mennyiségére reagál. A tipikus CCD mátrix fényérzékeny cellákból (pixelek) álló szabályos, lineáris szerkezet, kimente pedig diszkrét feszültségérték, mely a beeső fény menynyiségét jelzi. A fénypont x pozíciója a fénysugár CCD-re beeső súlyozott középpontjának felel meg. A CCD mátrixok az 500-900 nm-es tartományban a leghatékonyabbak.

89. ábra: Fénypont helyének meghatározása CCD-vel

92


4.2.3.4 Fotótranzisztorok A fotótranzisztor egy két p-n átmenetet tartalmazó félvezető elem. Felépítése hasonlít az egyszerű erősítő tranzisztoréhoz, azonban a ház itt lehetővé teszi a félvezető megfelelő területének megvilágítását. A fotótranzisztor érzékenysége többszöröse a fotódióda érzékenységének, mivel a beeső fénysugár által gerjesztett áramot ez az elem fel is erősíti. Ezen előnye miatt a fotótranzisztorokat gyakran használják fotódetektorként, jóllehet a levágási frekvenciájuk a diódákhoz viszonyítva sokkal alacsonyabb. A fotótranzisztorok kimeneti áram-feszültség karakterisztikája hasonlít a közönséges bipoláris tranzisztor karakterisztikájára. Szenzorokban pnp és npn tranzisztorokat is használunk.

90. ábra: Fotótranzisztor spektrális érzékenysége, és elektromos áramkörökben használt jelölése

93


4.3 Alapvető érzékelő típusok 4.3.1 Átmenő sugaras érzékelők Átmenő sugaras érzékelők esetén a fénysugár az adóból egyenesen a közös tengely mentén elhelyezett vevőbe kerül. Az ilyen érzékelők az adó és a vevő között megjelenő, és a fénysugarat megszakító tárgyakat detektálják. Nagyban érzéketlenek a külső körülményekre, pl. a porra, a lencséket elhomályosító szennyeződésekre, gőzre vagy párára. Érzékelési távolságuk ( > 50 m) a különböző típusú szenzorokat összevetve a legnagyobb. Két fő konstrukciójuk létezik: hengeres és négyszögletes kialakítású. Az ilyen érzékelők legfontosabb tulajdonsága, hogy tetszőleges anyag esetén működnek. A felület lehet festett, áttetsző, átlátszó, érdes, sima, fémes, műanyag, vagy szinte bármi más.

91. ábra: Átmenő sugaras érzékelők: a) hengeres házban; b) négyszögletes házban

94

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől függ. Az érzékelő jelez, ha a céltárgy a sugár legalább 50%-át kitakarja.

92. ábra: Fénysugár, az adó és a vevő látómezeje

95


4.3.2 Retro-reflexiós érzékelők A retro-reflexiós érzékelők esetén az adó és a vevő egy házban helyezkedik el. A fényvevőbe való visszaterelésére reflektort használunk. A fénysugár felé haladó tárgy a sugarat megszakítja, és kimeneti jelet generál. Az átlagos, polarizációs szűrő nélküli retro-reflexiós érzékelők az infravörös, a polarizációs szűrővel rendelkező modellek pedig a látható (általában vörös) tartományban működnek. Az ilyen érzékelők előnye nagy hatótávolságuk (kb. 12 m-ig) és a céltárgy felületi minőségével és színével szembeni érzéketlenségük.

93. ábra: Retro-reflexiós érzékelők: a) hengeres házban; b) négyzetes házban

96

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Ezen érzékelők használatához speciális reflektorra vagy felragasztható visszaverő lapokra van szükség.

a)

b)

94. ábra: a) reflektorok; b) felragasztható visszaverő lapok A közönséges tükörtől és más lapos visszaverő felületektől eltérően a reflektorokat nem kell az érzékelőhöz képest pontosan derékszögben elhelyezni, tehát néhány fokos pozicionálási hiba még nem befolyásolja az érzékelő működését.

95. ábra: Fényvisszaverés: a) duplatükrös rendszerben; b) egymásra merőleges tripla tükrös rendszerben

97

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A retro-reflexió kétdimenziós elve térbeli rendszerekre is kibővíthető, itt három egymással kölcsönösen derékszöget bezáró tükröt alkalmazunk. A rendszerbe belépő fénysugarat mindhárom tükör teljességében visszaveri, majd a beeső fénysugárral párhuzamosan lép ki. A retro-reflexiós érzékelők reflektor felületet általában tripla tükrös. A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől függ.

96. ábra: Emittált és észlelt fénysugár retro-reflexiós érzékelők esetén

98


4.3.3 Diffúz sugaras érzékelők A diffúz sugaras érzékelőt gyakran reflexiós vagy közelítő érzékelőnek is nevezzük, és a céltárgyak közvetlen detektálására használatos. Amellett, hogy az adó és a vevő egy házban helyezkedik el további előnye, hogy nincs szükség reflektora. Az adó fénysugarat bocsát ki, melyet a céltárgy visszaver, az visszatér a vevőbe, és kimeneti jelet generál.

97. ábra: Alapvető diffúz sugaras érzékelő modellek: a) hengeres házban; b) négyszögletes házban

99

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A diffúz sugaras érzékelők működési tartománya relatív kicsi (kb. 100 mm-ig, ritkán 200 mm-ig). A nagyobb távolságban elhelyezkedő tárgyakat (vagy a hátteret) már nem tudják detektálni. A működési távolság bizonyos mértékben függ a céltárgy színétől és felületének minőségétől. A céltárgy tulajdonságaitól függően annak reflexiós tényezője széles skálán mozoghat. Fényes felületek még nagyobb távolságból is a fénysugár nagy részét visszaverik, azonban a megfelelő tárgy érzékelése okozhat problémákat. A diffúz sugaras érzékelők működési távolságának meghatározására kalibrált diffúz tárgyfelületet, azaz pl. egy fehér papírlapot, vagy Kodak papírt (mely a fénysugár kb. 90%-át visszaveri) használunk.

100


4.4 Jelfeldolgozás 4.4.1 Zavaró hatások Működési elvükből kifolyólag a fotoelektromos érzékelők érzékenyek a természetes és mesterséges külső források által keltett zavaró hatásokkal szemben. Külső forrásból származó fénysugarak nagyban befolyásolhatják az emitter által generált fényáram erősségét, mely a szenzor hibás működéséhez vezet. Ennek kiküszöbölése érdekében a szenzorok olyan belső áramkörökkel rendelkeznek, melyek kivágják az ilyen interferenciát és más zajokat is, valamint finomhangolják az érzékenységet. A környezeti szennyezés, pl. a detektálandó céltárgy felületén és a szenzor lencséin lerakódó olaj és por tovább erősítheti az zavaró hatások által adódó problémákat. Az alábbi ábra néhány jellegzetes mesterséges fényforrás spektrumát ábrázolja.

98. ábra: Sugárzási spektrum: a) izzólámpa; b) nátrium lámpa; c) fluoreszcens fényforrás (fénycső)

101

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az izzólámpa spektruma széles, maximuma 600-700 nm környékén található. A nagynyomású nitrogén kisülő lámpák spektrális összetétele folytán ezek a fény nagy részét 550640 nm között emittálják (hasonlóan a vörösen világító LED-ekhez). A fénycsövek spektruma néhány domininás vonalból és 570-700 nm között egy elhúzódó, lapos sávból áll. A természetes forrásból származó állandó intenzitású fényből vagy a természetes fény spektrumához hasonló mesterséges fényforrások fényéből származó interferenciára, de a változó intenzitású fényforrásokra (villogó fények) is a diffúz sugaras érzékelők a legérzékenyebbek.

102


4.4.2 Zavaró hatások kiküszöbölése 4.4.2.1 Fénymoduláció A fotoelektromos érzékelők modulált fényt használnak, így relatív érzéketlenek a környezet fényviszonyaival szemben. A moduláció azt jelenti, hogy az adó fényforrása csak rövid, az impulzusok közötti szünetnél rövidebb időre kapcsol be. Az ily módon modulált fény frekvenciája a néhány kHz-es tartományban van. Ennek ellenére, ha az adó és a külső forrás hasonló frekvenciával működnek, interferencia léphet fel. A modulált fény használatának számos előnye van: -

az érzékelő kevésbé érzékeny a környezet fényeire, nő a szenzor érzékelési távolsága, csökken a keletkező hulladékhő mennyisége, ezzel nő a LED-ek élettartama

A LED adók és vevők az emittált sugár és a vevő látómezejének szűkítésére optikai lencsékkel vannak felszerelve, így korlátozható a szenzor válaszadási tartománya mely csökkenti a tartományon kívüli háttértárgyakról való reflexió valószínűségét. Ezzel egy időben a fény fókuszálásával nagymértékben növelhető az adó, és a vevő vagy a fényt visszaverő felület közötti távolság. Vannak olyan alkalmazások is, ahol széles látómezőre és kis érzékelési távolságra van szükség, ekkor a foto-optikai elemeket lencsék nélkül (mindössze egy sík, átlátszó ablakkal) használják.

99. ábra: Adó feszültségmodulálása

103


4.4.2.2 Fénypolarizáció A retro-reflexiv érzékelők alaptípusának kimeneti rendszere hibás választ generálhat, ha látóterében fénylő tárgy jelenik meg. A céltárgyról visszavert sugár és más fények megkülönböztetése érdekében szükség lehet polarizált fény használatára. A polarizáció a fényhullám rezgéseinek részleges vagy teljes rendezése. Ha a fény nem polarizált, az elektromos és mágneses mezők különböző irányokba mozoghatnak. Ezzel szemben a polarizált fény csak egy irányba rezeg. A természetes, valamint a LED-ek által kibocsátott fény is polarizálatlan. Azonban ha a fény egy polarizációs szűrőn halad keresztül, a sugárnak csak a szűrő polarizációjának megfelelő polarizáltságú része marad meg. A következő ábra a fény egy vízszintes polarizáltságú szűrőn történő áthaladását szemlélteti. Ha ezután a sugár útjába egy függőleges polarizáltságú szűrőt helyezünk, egyáltalán nem halad át rajta fény, hiszen az előző szűrést követően a maradék fénysugár ilyen komponenssel már nem rendelkezik. A diffúz (szórt) visszaverődés megszünteti a polarizációt, a függőleges polarizáltságú szűrőn áthaladó maradék kis nyalábrész energiája kicsi, és általában már nem elegendő a felületről visszaverődő fény detektálásához. Ezzel ellentétben egy tükör felületéről való visszaverődés során a polarizáció megmarad, és a fény útjába helyezett függőleges polarizáltságú szűrő nem engedi át a sugarat. A fenti két jelenségnek köszönhetően a polarizált fény reflektoros retro-reflexív érzékelők esetén kiválóan alkalmazható. A megfelelő szűrők kiválasztásával és elhelyezésével a tükröző felületekről érkező sugarak által keltett interferencia elkerülhető, az átlátszó tárgyak pedig felismerhetők. A polarizációs szűrők általában polimer fóliákból készülnek.

104


100. ábra: Fény polarizációja szűrők segítségével: a) fény kioltása két szűrővel; b) polarizált fény visszaverődése diffúz felületről; c) polarizált fény visszaverődése tükröző felületről

105


4.4.3 Működési többlet Külső hatások, pl. az érzékelő optikájának elszennyeződése, a céltárgy reflexiós együtthatójának változása vagy az emitter öregedése következtében a fotoelektromos érzékelőre beeső fény mennyisége csökkenhet, mely a kimeneti jel szintjének csökkenéséhez vezet. Ekkor előfordulhat, hogy a jelszint túl alacsony a kimeneti állapot átváltásához, tehát a szenzor helytelenül működik. Ennek elkerülése érdekében egy bizonyos jelszint feleslegnek, azaz működési többletnek kell rendelkezésre állnia. Ha a vevőt nem éri fény, a működési tartomány nullával egyenlő. Az 1-el egyenlő működési tartomány annak a helyzetnek felel meg, amikor a szenzorra beeső fény mennyisége elegendő a kimeneti állapot KI-ről BE-re kapcsolásához. Annak érdekében, hogy a rendszer egy bizonyos tartalékkal rendelkezzen, a tartomány nagyobb 1-nél, így a beeső fény mennyisége meghaladja az átkapcsoláshoz minimálisan szükséges fény menynyiségét.

Működési többlet =

érzékelt fény mennyisége átkapcsoláshoz szükséges mennyiség

101. ábra: A fotoelektromos érzékelő védett működési tartománya, és a működési többlet kapcsolata

106

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Ha a fotoelektromos érzékelő működésének körülményei ismertek, a fenti képletből kiszámított működési többlet biztosítja a megfelelő működést a beeső fénysugár csillapodása esetén is. Minél több a fényfelesleg, annál megbízhatóbb a szenzor működése. Olyan alkalmazások esetén, ahol előfordulhat, hogy a beeső fény mennyisége csökken, nagy működési tartalék használata ajánlott. Még tiszta levegő esetén, és a lencsék elszennyeződésének minimális valószínűsége mellett is a működési tartalék legyen legalább 1.5. Kiemelkedően szennyezett környezetben, ahol a lencsék tisztításának lehetősége korlátozott, a tartalék legyen legalább 50-szeres. A szenzor fényfelesleg érzékelő áramköre, mely például tartalmazhat egy villogó diódát, jelzi az instabil működési körülményeket, azaz jelzi, ha a beeső fény mennyisége nem elegendő. Diffúz sugaras érzékelők esetén a kimeneti áramkör BE- illetve KI-kapcsolásához különböző jelszintek tartoznak, azaz hiszterézis lép fel. Az érzékelő érzékelési távolsága mindig a BE-kapcsoláshoz szükséges jelszintre vonatkozik.

102. ábra: Diffúz sugaras érzékelő kapcsolási hiszterézise

107

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A hiszterézis az érzékelő céltárgytól való távolságával nő.

103. ábra: Hiszterézis az érzékelési távolság függvényében, diffúz sugaras szenzor esetén

108


4.4.4 Működési távolság A fotoelektromos érzékelők egy fontos tulajdonsága a működési távolság, melyet a maximális érzékelési távolság határoz meg. Átmenő sugaras érzékelők esetén ez az adó és a vevő, retro-reflexiós érzékelők esetén a szenzor és a reflektor, diffúz sugaras érzékelők esetén pedig a szenzor és a céltárgy közötti maximális távolság. Ez a távolság minden esetben megegyezik a maximális hasznos érzékelési távolsággal.

104. ábra: Maximális érzékelési távolság: a) átmenő sugaras érzékelő; b) retroreflexiós érzékelő, c) diffúz sugaras érzékelő

109

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A retro-reflexiós és a diffúz sugaras érzékelők működéséből adódóan, mivel az adó és a vevő egy házban helyezkedik el, ezen szenzorok esetén létezik egy minimális érzékelési távolság is, mely alatt a céltárgy már nem detektálható.

105. ábra: Retro-reflexiós és diffúz sugaras érzékelők minimális érzékelési távolsága

110


4.4.1 Válaszadási idő Kicsi, vagy mozgó tárgyak detektálása esetén a fotoelektromos érzékelő válaszadási ideje (a KI és BE állapotok közötti váltás ideje) lényegbevágó lehet. A válaszadási idő a fénysugár az adó és a vevő közötti megjelenésének pillanatától egészen a kimeneti állapot megváltozásáig számítandó. A céltárgy eltávozását követően a kimeneti állapot megváltozásáig eltelő időt „elengedési idő”-nek nevezzük. Ez nem mindig egyezik meg a válaszadási idővel. Adott érzékelőkre a maximális válaszadási/elengedési időt a specifikáció tartalmazza, azonban elkerülhetetlen az ezen értéktől való kisebb eltérés, hiszen az emitter fénypulzusokat bocsát ki, melyek frekvenciája nem szinkronizálható a céltárgy mozgásával. A válaszadási idő ismeretében meghatározható, hogy a céltárgynak mennyi ideig kell az érzékelő látómezejében maradnia, hogy a szenzor érzékelni tudja, azaz mekkora lehet a céltárgy maximális sebessége, illetve mennyi hely legyen az egymást követő tárgyak között. Céltárgy az észlelési mezön belül =

Céltárgy szélessége Céltárgy sebessége

Az így meghatározott időnek meg kell haladnia a katalógusban szereplő válaszadási időt, különben a szenzor a céltárgyat nem detektálja. Ha a céltárgyak közötti távolság kisebb a tárgyak szélességénél, az üres helynek a szenzor látómezejében eltöltött ideje: Szünet az észlelési mezön belül =

Szünet szélessége Céltárgy sebessége

Az így meghatározott időnek meg kell haladnia a katalógusban szereplő válaszadási időt.

111


4.5 Speciális érzékelők 4.5.1 Retro-reflexiós polarizált érzékelő A polarizációt felhasználó retro-reflexiós érzékelők esetén az emitter fényét egy lencse fókuszálja, majd a fény egy vízszintes polarizációs szűrőn keresztül egy tripla tükrös reflektorra érkezik. A tripla tükrös reflektorok egy fontos tulajdonsága, hogy a fény polarizációs síkját 90°-al elforgatják. A reflektorról visszavert fény egy része a vevőt egy másik függőleges polarizációs szűrőn keresztül éri el. A szűrők úgy vannak beállítva és elhelyezve, hogy csak a reflektorról visszavert fény éri el a vevőt, a környező tárgyakról érkező fény nem. Polarizált fényű érzékelők esetén az emittált fény intenzitása mindig csökken, mivel a polarizációs szűrő a fény egy részét eltávolítja. Ennek eredményeképpen az ilyen érzékelők érzékelési távolsága 30-40%-al rövidebb, mint a standard retro-reflexiós érzékelőké. Fényforrásként általában vörös fényű LED-eket használunk.

106. ábra: Retro-reflexiós polarizált érzékelő tripla tükrös reflektorral

112


4.5.2 Diffúz sugaras érzékelők elő- és háttér elnyomással Több diffúz sugaras érzékelő típus esetén is megadható a minimális és maximális érzékelési távolság. Ennek semmi köze a szenzor érzékenységéhez, a vevő lencséinek beállításával vagy a kiegészítő tükrök szögének megváltoztatásával oldható meg. Ez a lehetőség különösen hasznos, ha a detektálandó tárgy mögött egy erősen visszaverő tárgy helyezkedik el, mely zavarhatná a céltárgy felismerését. Ezt a hatást a maximális észlelési távolság rövidebbre állításával küszöbölhetjük ki. Ekkor csak a beállított távolságnál közelebb elhelyezkedő tárgyat érzékeljük (háttér elnyomása). A háttér elnyomásának hatékonyabb módja annak elektronikus kivitelezése, amikor az érzékelő „látja” a hátteret, azonban ignorálja. Példa lehet erre egy kétvevős diffúz sugaras érzékelő, vagy egy CCD kamerával vagy PSD átalakítóval felszerelt triangulációs érzékelő. Az első esetben a céltárgy felismerése a beeső fényerők összehasonlításán, míg a második esetben a szenzor-céltárgy távolság mérésén majd ennek a megadott távolsággal való összehasonlításán alapszik.

107. ábra: Aktív terület korlátozása az adó és a vevő optikai tengelyeinek metszete hatására

113

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az elektronikus háttér elnyomással rendelkező érzékelők az alábbi három üzemmód egyikében működhetnek: -

Az észlelési tartományon kívül elhelyezkedő tárgy (Tárgy 3) elleni védelem (háttér elnyomás) Az észlelési tartomány előtt elhelyezkedő tárgy (Tárgy 2) elleni védelem (előtér elnyomás) Csak a definiált tartományon belüli tárgy (Tárgy 1) észlelése (ablak funkció)

Egy olyan tárgy esetén, mely -

Lmin-nél közelebb helyezkedik el, a szenzor a detekciós tartomány előtt kibocsátott fénysugarak hatását nyomja el Lmax-nál távolabb helyezkedik el, a szenzor a detekciós tartomány után kibocsátott fénysugarak hatását nyomja el Lmin-nél közelebb, de Lmax-nál távolabb helyezkedik el, a szenzor a detekciós tartomány előtt és után kibocsátott fénysugarak hatását nyomja el.

108. ábra: Triangulációs érzékelő elektronikus háttér elnyomással

114

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A triangulációs érzékelő optikai rendszerének köszönhetően a lézer dióda által kibocsátott fényimpulzus fókuszált, szinte párhuzamos fénynyaláb. Amikor pályája találkozik Tárgy 1-el, diffúz reflexió következik be, a visszavert fény egy része pedig az egy házban elhelyezkedő pozícióérzékeny szerkezetre (PSD) vagy a CCD kamerára esik. Tárgy 1 távolságától függően a fény a PSD/CCD egy adott pontjára érkezik. Az elemző áramkör a kapott jelet összehasonlítja a korábban beállított működési távolsággal (melyet a beépített potenciométer segítségével adhatunk meg), majd ha a tárgy a megadott távolságon belül helyezkedik el, átkapcsolja a szenzor kimenetét. A közönséges diffúz sugaras érzékelőkkel ellentétben az érzékelési távolság alig függ a céltárgy méretétől, színétől, vagy felületének minőségétől. Ezek az érzékelők gyakorlatilag nem helyettesíthetők más szenzorokkal, ha a hát- vagy előtérhez közel mozgó tárgyak, illetve átlátszatlan folyadékok detektálására van szükség. A háttér elnyomással rendelkező diffúz sugaras érzékelők sötét és világos tárgyakat egyformán jól érzékelnek. Az alábbi ábra a jelentősen eltérő színű tárgyak érzékelési távolságát mutatja. Ebben az esetben a háttér elnyomással rendelkező retro-reflexiós érzékelő érzékelési távolsága fekete papír esetén csekély mértékben kisebb.

109. ábra: Diffúz sugaras érzékelők érzékelési távolságának összehasonlítása különböző színű felületek esetén

115

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A LED fényforrások és vevők optikai lencsékkel vannak felszerelve, melyek lehetővé teszik az emittált fénysugár és a vevő látómezejének keskenyítését is. Ez korlátozza a szenzor érzékelési tartományát, és ezáltal csökkenti a tartományon kívül elhelyezkedő tárgyakról való reflexiókkal való interferencia lehetőségét. Ezzel egyidejűleg a fény fókuszálása számottevően megnöveli a maximális adó-vevő és adó-reflektor távolságot is. Vannak azonban olyan alkalmazások is, ahol széles látómezőre és kis érzékelési távolságra van szükség, ekkor a fotooptikai elemeket lencsék nélkül (mindössze egy sík, átlátszó ablakkal) használják.

116


4.5.3 Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelők Az autokollimáció a divergens fény automatikus párhuzamosítása. Ekkor kis sugár átmérő esetén is elég fény jut el a vevőbe. Az autokollimáció lehetővé teszi átlátszó, vagy a szenzorhoz nagyon közel (a standard szenzorok holt terében) elhelyezkedő tárgyak felismerését is. Az autokollimációs elven működő retro-reflexiós érzékelők azt a tényt használják fel, hogy az adó és a vevő csatorna optikai tengelye megegyezik. Ez lehetséges, hiszen a vevő csatornában haladó fényt eltereli egy félig áteresztő tükör, így ez a vevőt az adóhoz képest 90°-al elfordulva éri el. Az ilyen érzékelők különösen reflektorfóliákkal működnek jól.

110. ábra: Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelő

117


4.5.4 Optikai szálas érzékelők 4.5.4.1 Optikai szálak Az optikai szálak elektromágneses, azaz fényhullámok továbbítására szolgálnak. A legegyszerűbb optikai szál konstrukció egy lapos végű üveg vagy műanyag rúd (ez alkotja a magot), melyet egy alacsonyabb törésmutatójú üveg vagy műanyag vesz körül. Az ilyen optikai szál a teljes belső reflexió jelenségét használja ki, mely két különböző törésmutatójú közeg határán léphet fel. A teljes belső reflexió azt jelenti, hogy a határfelületről a fénysugár energiájának 100%-a visszaverődik az optikai szálba.

111. ábra: Fény terjedése optikai szál magjában

118

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A fénysugár a határfelületről csak akkor verődik vissza, ha nagyobb törésmutatójú közegből halad a kisebb törésmutatójú közeg felé. Ezen túl is csak azok a sugarak haladnak tovább, melyek a szál elejét a kritikus szögnél kisebb szögben érik el. A kritikus szöget a köpeny és a mag törésmutatói határozzák meg. Ekkor, elméletileg, a visszaverődés nem csökkenti a fény energiáját. Azonban mind a magban, mind a köpenyben előfordulhatnak szennyeződések, kisebb hibák, melyek veszteségeket okoznak így csökkentve a szálak átviteli távolságát. Az optikai szálak magjának átmérője 5 µm-től (kvarc esetén) kb. 1 mm-ig (üveg esetén) terjed. A kis átmérők használatának köszönhetően az optikai szálak nagyon rugalmasak, és szinte tetszőlegesen hajlíthatók. Optikai szálas kábelek egy, két vagy akár több optikai szálat is tartalmazhatnak.

112. ábra: Egy vagy több szálas optikai kábelek

119

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az üveg száloptikai kábelek tartósabbak, mint műanyag társaik – alapvetően kb. 250°C-ig használhatók (a műanyag kábelek csak 70°C-ig). Azonban a műanyag száloptikák erősebbek, olcsóbbak, és egyszerűen méretre vághatók. Az üveg optikai szálak mind látható, mind infravörös sugárzást továbbítani tudnak, ezzel szemben a műanyag szálak infravörös fény továbbításának hatásfoka alacsony. Tehát az üveg optikai szálakat látható és infravörös fény továbbítására is használhatjuk, a műanyag szálak pedig csak látható fény vezetésére alkalmasak. A száloptikai kábelek a szereléshez hengeres fém fejjel, vagy egy bifurkátorral vannak ellátva, két típusuk létezik: átmenő sugaras és bifurkált. Az átmenő sugaras kábelek egy magúk, a bifurkáltak pedig vagy dupla, vagy akár több maggal is rendelkeznek.

113. ábra: Száloptikai kábelek típusai: a) átmenő sugaras; b) bifurkált

120


4.5.4.2 Működési elv Az optikai szálas fotoelektromos érzékelők működési elve megegyezik a többi fotoelektromos érzékelő működésének elvével, kivéve, hogy az emittált és a fogadott fény is optikai szálon keresztül kerül továbbításra. A szál vége nagyon kicsi (néhány mm-es), így nehezen hozzáférhető helyeken, távol az érzékelő opto-elektronikus áramköreitől, önálló erősítővel is elhelyezhető.

114. ábra: Száloptikai kábeles érzékelők típusai: a) átmenő sugaras; b) diffúz sugaras

121

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az átmenő sugaras érzékelő esetén két optikai szál helyezkedik el egymással szemben, melyek között fény halad. Ha ezt a sugarat valami megszakítja, a szenzor eseményt, azaz tárgy észlelését jelzi. A bifurkált kábelek esetén az egyik oldalon két köteg kábel helyezkedik el, melyek az érzékelő fej szerepét töltik be. Az egyik kábelköteg a kibocsátott sugár továbbításáért felelős, mely a másik kötegen keresztül tér vissza a vevőbe. A detektor akkor észlel tárgyat, ha az visszaveri a fényt. A szál végének kis mérete apró tárgyak észlelését is lehetővé teszi, valamint a kábel olyan helyekre is elvezethető és felszerelhető, ahova más érzékelőt nem tudnánk eljuttatni. Az optikai szálas érzékelők használhatók robbanásveszélyes területeken, vagy folyadékokban is. Nagyon ellenállóak a mechanikai behatásokkal szemben, és a vibrációra is érzéketlenek, így mozgó gépekre is felszerelhetők. Száloptikás kábelekkel felszerelt érzékelők esetén a fényforrás vörös vagy infravörös LED lehet, a kábel tipikus külső átmérője 2,2 mm, hossza kevesebb, mint 2 m.

122


4.6 Csatlakozástechnika 4.6.1 Csatlakozási típusok A fotoelektromos érzékelők az alábbi két működési mód egyikében üzemelhetnek: -

sötét világos

Sötét üzemmódban az érzékelő kimeneti kapcsolója, ha az adó fénye nem éri el a vevőt, BE állapotban van. Ez az induktív és kapacitív érzékelők alapállapotban nyitott kimeneti állapotának felel meg. A világos üzemmódban a kimenet akkor aktív, ha az adó fénye nem éri el a vevőt. Ez az induktív és kapacitív érzékelők alapállapotban zárt kimeneti állapotának felel meg. A szenzor kimentének aktivált állapota és a vevő sötét üzemmódban való kivilágítása közötti kapcsolatot az alábbi ábra szemlélteti. A világos üzemmódban a BE és KI állapotok pontosan ellentétesek az ábrán jelzettekkel.

115. ábra: Szenzorok kimeneti állapotai sötét üzemmódban

123


4.6.2 Kimenet átváltása Minden fotoelektromos érzékelő saját karakterisztikus kimeneti állapotot kapcsoló zónával rendelkezik, mely mérete és alakja függ az adó által küldött fénysugár átmérőjétől, és a detektálandó céltárgy szenzortól való távolságától. Átmenő sugaras érzékelők esetén az adó-vevő távolság kritikus. A kimeneti állapot átkapcsolásához a detektálandó tárgynak vagy az adónak a kapcsolási zónán belül kell elhelyezkednie. A szenzorhoz vagy az adóhoz képest mozgó tárgyra vonatkozó kapcsolási zónát válasz diagram formájában ábrázolhatjuk.

116. ábra: Átmenő sugaras érzékelők tipikus válasz diagramja

124

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Minden érzékelő fontos tulajdonsága a maximális kapcsolási frekvencia – a másodpercenkénti maximálisan lehetséges kimeneti állapot kapcsolás, melyet Hz-ben adunk meg. A fotoelektromos érzékelők kapcsolási frekvenciáját válaszadási és/vagy elengedési idejükből számítjuk, melyet az érzékelő gyártója ad meg. A maximális kapcsolási frekvencia f max számításakor feltételezzük, hogy a válaszadási és az elengedési idő megegyezik.

fmax =

10 3 válaszadási idő + elengedési idő

Ekkor fmax-ot Hz-ben, a válaszadási és elengedési időket pedig ms-ban adjuk meg.

125


4.7 Alkalmazások

117. ábra: Szalag belógásának ellenőrzése fotoelektromos érzékelő segítségével

118. ábra: Fényes elemek felismerése retro-reflexiós érzékelők segítségével

126


119. ábra: Folyadék szintjének ellenőrzése tartályban retro-reflexiós polarizációs érzékelő segítségével

120. ábra: Szerszám törésének felismerése optikai szálas, átmenő sugaras érzékelővel

127


5 Mágneses érzékelők 5.1 Alapok A mágneses érzékelők főként olyan tárgyak detektálására alkalmasak, melyeket el tudunk látni egy-egy mágnessel. Tipikusan ilyenek az ipari vezérlők, melyek zárt típusúak, változó burkolatúak és kis méreteik ellenére széles tartományban működnek. A mágneses érzékelők alaptípusai nem igényelnek tápfeszültséget, közvetlenül rácsatlakoztathatók a meghajtó bemenetekre, de a berendezések irányítását végezhetik attól függetlenül is. Az ilyen szenzorok egy további előnye az alkalmazható átváltási feszültségek és áramszintek széles tartománya, mely akár 1000 V és néhány A fölé is mehet. Az érzékelők általában a detektálandó tárgyakhoz kapcsolódó szilárd mágnesek mágneses mezejére reagálnak. Maguk a tárgyak szinte tetszőleges anyagúak lehetnek, azonban a nem ferromágneses anyagok a szenzor nagyobb működési tartománya miatt jobban megfelelnek. A mágneses mezőre reagáló elem lehet például egy hermetikus elektromos csatoló (reed-relé), valamely félvezető elem (hallotron), egy mágneses ellenállás vagy valamely speciális mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyag. A mágneses mező a legtöbb nem mágneses anyagon áthatol, így a tárgyak detektálása még diamagnetikus akadályok, pl. a detektálandó tárgy és a szenzor között elhelyezkedő műanyag csövek, vagy konténer falak esetén is lehetséges. A mágneses közelítéskapcsolókat egy az X vagy Y irányból közeledő mágnes aktiválja.

121. ábra: Mágneses közelítéskapcsoló felépítése

128


5.2 Fizikai alapok 5.2.1 Mágneses mező A mágneses mező az a hely, ahol mágneses erők hatnak. A mágneses mező mágnesek, áram átjárta vezetők és mozgó elektromos töltések körül van jelen. A mágnesekben a mágnesesség két helyen koncentrálódik: az északi (N az angol north = észak-ból) és a déli (S az angol south = dél-ből) pólusban. Két mágnes esetén az egyik északi pólusa a másik déli pólusát vonzza, és fordítva. Két egyforma pólus (azaz észak-észak, vagy dél-dél) taszítja egymást. A mágneses mező erővonalai zárt görbék, melyek mindig az északi N pólustól a déli S pólus felé vezetnek. A mágnesek által keltett mágneses mező megegyezik az áram átjárta tekercsek által keltett mágneses mezővel. A mágneses mezökre jellemző mennyiségek: -

a mágneses mező térerőssége (H), melyet A/m-ben adunk meg, a mágneses indukció (B), melyet Tesla-ban (T) adunk meg, a relatív mágneses permeábilitás µ r.

122. ábra: Mágneses mező forrásai

129

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Minden anyag rendelkezik mágneses tulajdonsággal, azonban a mágneses mezőre való reakciójuk mértéke eltér. Az anyagok mágneses tulajdonságának mértéke a mágneses permeábilitás µ r. Az anyagokat a következő csoportokra oszthatjuk: diamagnetikus, paramagnetikus és ferromagnetikus anyagok. A diamágneses anyagok (µ r < 1) olyan anyagok, melyeket nem vonzanak a mágnesek. Ilyen például az üveg, és a bizmut. A paramágneses anyagok (µ r kicsit nagyobb, mint 1) közé tartozik például az alumínium, a platina és a cink. A legfontosabb csoport a ferromágneses anyagok (µ r >> 1) csoportja, melyek mágneses permeábilitása nagyon nagy. Tiszta vas esetén a mágneses tér erősségétől függően ez az érték elérheti a néhány ezret. A ferromágneses anyagok erősen reagálnak a mágneses mezőre. Jellemző tulajdonságuk, hogy belső szerkezetükben bizonyos területek azonosan magnetizáltak, azaz mágneses domének léteznek. A domének rendeződése után külső mágneses mező hatására a ferromágneses anyag mágnessé válik. Az acél ferromágneses tulajdonságai kémiai összetételétől és a rajta alkalmazott hőkezeléstől függ.

a)

b)

123. ábra: Domének orientációja ferromágneses anyagban: a) nem magnetizált ferromágneses anyag; b) külső mágneses mező által magnetizált ferromágneses anyag

130

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Külső mágneses mezőbe helyezett ferromágneses anyagok a mágnese mező irányától függően magnetizálódnak, illetve de-magnetizálódnak. Ez a jelenség hiszterézises, a hiszterézis alakja a ferromágneses anyag tulajdonságaitól függ. A széles, elhúzódó hiszterézis görbe az anyag nehéz de-magnetizálhatóságára utal. Az ilyen ferromágneses anyagokat kemény ferromágneses anyagoknak nevezzük, ezeket permanens mágnesként használhatjuk. Ilyen anyagok például a Fe-Co, Ni-Co ötvözetek és a kemény ferritek. A lágy ferromágneses anyagok (keskeny hiszterézis görbe) mágneses magnak alkalmasak, melyeknek gyorsan magnetizálódnak és de-magnetizálódnak. Ilyenek például a vas, a Fe-Si, Fe-Al ötvözetek és a lágy amorf ötvözetek. Az anyagok fent tárgyalt mágneses tulajdonságai, és külső mágneses térben való viselkedésük teszi lehetővé a mágneses érzékelők létrehozását. Vákuumban a mágneses mezőt a mágneses indukció vektorral (B0) jellemezzük. Egy adott anyag B mágneses indukcióját az alábbi képlet alapján számítjuk: B = µ r ⋅ B0

124. ábra: Ferromágneses anyagok mágneses hiszterézis görbéi: a) kemény; b) lágy

131


5.2.2 Reed kapcsoló A reed kapcsoló egy hermetikusan lezárt üveg gömbből áll, melyben vákuum vagy valamely semleges gáz, valamint két vékony, beágyazott ferromágneses anyagú lemez található. Külső mágneses mező hatására a lemezek saját mágneses teret indukálnak. Az egyik lemez az északi N, a másik pedig a déli S pólussá válik. Ha a két pólust egymáshoz vonzó erő meghaladja a két lemez rugalmas erejét, összeérnek, és létrejön a kontaktus. A mágneses mező megszűnésekor megszűnik a mágneses vonzás, és a rugalmas erő következtében a két lemez szétválik. Az ilyen kapcsolók működésének javítása és a stabil működési karakterisztika elérése érdekében a két kontaktus csúcsa a működési körülményektől függően valamely nemesfém (pl. ruténium, ródium vagy arany) bevonattal van ellátva. A reed kapcsoló állapota egy mágnes segítségével megváltoztatható, azaz zárható vagy nyitható. A reed kapcsoló minden nyitása illetve zárásakor elektromos kontaktus jön létre, azaz töltések áramolhatnak. Ez a kapcsoló hibás működéséhez és meghibásodásához vezethet. További óvintézkedések tovább csökkentik a reed kapcsoló felületeinek degradálását, és ezzel meghosszabbítják annak életét. A reed kapcsoló (érzékelő) átváltási frekvenciája annak típusától és anyagi tulajdonságaitól függ. Általában nem haladja meg a 200-250 Hz-et. A kontaktusokon legfeljebb 3 A áram folyhat.

125. ábra: Reed kapcsoló: a) sematikus ábra; b) reed kapcsoló mágneses mezőben; c) a reed kapcsoló védelme

132

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A reed kapcsoló három zárható kontaktussal rendelkezik (A, B és C). Ez azonban nem azt jelenti, hogy minden alkalommal, amikor mágnes közelít felé, a kontaktusok zárnak, ugyanis ez a mágnes mágneses tengelyének a reed kapcsoló tengelyéhez képesti orientációjától függ. Ha a két tengely egymással párhuzamos, mindhárom kontaktus zár. Két kontaktus (A és C) zár, ha a mágnes és az érzékelő tengelye egymásra merőleges. A kapcsoló tengelyére merőleges irányba haladó mágnes esetén csak akkor zár kontaktus, ha a mágnes pontosan valamely aktív zóna felett halad el. Két ilyen hely létezhet: A és C.

ON ON ON

A

B

C

ON

ON

A

C

126. ábra: Alapesetben nyitott (KI) állapotú reed kapcsoló záródó kontaktusainak száma, ha a mágnes a kapcsoló tengelye mentén mozog

133


5.2.3 Hall effektus A Hall-effektus az az Edwin Hall által 1879-ben felfedezett jelenség, mely szerint, ha egy vezetőben áram folyik, és azt mágneses térbe helyezzük, akkor az elektronokra Lorentz-erő hat, ami azzal jár, hogy a vezető két oldalán feszültségkülönbség alakul ki. Ezt a feszültséget Hall-feszültségnek nevezik (VH). A kialakuló mágneses mező merőleges mind az eredeti B mágneses mezőre, mind pedig az Ic áram irányára, és a legerősebben akkor lép fel, ha a külső (eredeti) mágneses tér merőleges az áram haladásának irányára. Az alábbi ábrán látható lemez esetén: VH = RH ⋅ B ⋅ IC / d, ahol: RH d

Hall állandó (mely az energiahordozók mobilitását adja meg) lemez vastagsága

Gyakorlati alkalmazások esetén igen magas VH feszültség szükséges. Ez megoldható, ha nagyon vékony, nagy elektronmobilitású anyagból készült lemezt alkalmazunk. Ilyen anyag kizárólag vékonyréteg technikával előállított félvezető lehet (kb. 0,1 mm vastagságú anyagok). Ezek a félvezetők általában InSb, InGaAs, Si, vagy GaAs típusúak. A VH feszültség értéke emelhető lenne a lemezen átfolyó áram értékének növelésével, azonban ezt erősen korlátozza a lemezben disszipálható energia mennyisége, mely elsősorban a lemez alakjától és kialakításától függ. A Hall effektust manapság számos területen, többek között mágneses érzékelőként is alkalmazzák.

127. ábra:

134

Hall effektus


5.2.4 Magnetorezisztív hatás A magnetorezisztorok anizotróp félvezető elemek, melyek ellenállása nagymértékben függ a külső mágneses tértől. Ezeket az elemeket vékony ferromágneses permalloy (20% Fe, 80% Ni) csíkokból készítik. A félvezető anyag magnetorezisztanciájának növekedése a külső mágneses tér (H) eredménye, mely α szöggel megváltoztatja az I áram haladásának irányát. Ez megnöveli az elektromos töltéshordozók útját, mely a félvezető anyag ellenállásának növekedésével egyenértékű. Az elfordulás szöge a mágneses mező intenzitásának növekedésével nő. Ezt a jelenséget magnetorezisztív effektusnak nevezik. Különböző anyagok különbözőképpen reagálnak a fenti hatásra: fémekben gyakorlatilag nem létezik, félvezetőkben pedig különböző mértékben van jelen. Az áram útjában elhelyezett arany és alumínium elektródák megváltoztatják annak útját, ennek eredményeképpen pedig az α szög, a töltéshordozók útja és így az RM ellenállás tovább növekszik. A mágneses mező kikapcsolása után a félvezető ellenállása ismét eredeti értékét (RM0) veszi fel. A H mágnese mező intenzitásából származó α szög és a félvezető RM ellenállása közötti kapcsolat lehetővé teszi a mágneses tárgyak mágneses érzékelőkkel való detektálását.

Permalloy

128. ábra:

Magnetorezisztív hatás

135


5.2.5 Wiegand effektus A Wiegand effektus a külső mágneses tér változásainak eredményeképpen egy egyedi mágneses tulajdonságokkal (impulzus vezető) rendelkező ferromágneses vezetőre feltekert tekercs meneteiben létrejövő elektromos impulzus. Az „impulzus vezetők” kb. 0,3 mm átmérőjű ferromágneses anyagból készülnek, melyeket a megfelelő feszültségállapot létrehozása érdekében hidegen többszörösen megcsavarnak. Ez a kobalt, vas és vanádium ötvözetéből készült vezető két mágneses tulajdonságok szempontjából eltérő tartománnyal rendelkezik: ez a mag és a köpeny. A mag lágy (keskeny hiszterézis), míg a köpeny kemény (széles hiszterézis) mágneses tulajdonságú. A két eltérő mágneses tulajdonságú rész a külső mágneses mező változásaira különbözőképpen válaszol. A lágy mágneses magban a mágnesezettség iránya gyorsabban változik, mint a kemény mágneses köpeny esetén. Amikor a mágneses mező változása köpeny változatlan mágnesezettsége mellett a lágy magban a mágnesezettség változását eredményezi, az impulzus vezető köré tekert tekercsben egy rövid (10-20 µs) elektromos impulzus jön létre. A feszültség-impulzus amplitúdója közel független a mágneses mező irányváltozásának sebességétől. A mágnesezettség irányának megváltoztatásához a mag esetén átlagosan háromszor gyengébb mágnese mezőre van szükség, mint a köpeny esetén. Ezt a Wiegand effektus néven ismert jelenséget mozgó vagy forgó tárgyak mágneses érzékelőkkel való detektálásakor használják.

129. ábra: Wiegand effektus: a) impulzus vezető tekerccsel; b) feszültség-impulzus a külső mágneses mező irányának megváltozása előtt és után

136


5.3 Reed kapcsolós mágneses érzékelők Ezen érzékelő működésének elve, hogy a reed kapcsoló közeledő mágnesekre reagál. A mágnes által keltett mágneses mezőben a reed kapcsoló érintkezői mágneseződnek, majd amint a két kontaktus közötti vonzóerő meghaladja a rugalmas mechanikai erőt, az érzékelő állapota megváltozik, az áramkör zár. Amint a mágneses mező eltűnik az érzékelő működési tartományából, a kontaktusokat egymáshoz vonzó erő megszűnik, és a rugalmas erő következtében az érzékelők eltávolodnak egymástól, az áramkör ismét kinyit. A reed kapcsolós érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. A reed kapcsoló kontaktusai, ha nincs a közelükben mágneses mező, típustól függően alapesetben nyitottak (NO) vagy a két lehetséges állapot NO vagy NC (alapállapotban zárt) egyikében találhatók. Minden mágnes mágneses teret kelt, melynek intenzitása a mágnes anyagi tulajdonságaitól és méretétől függ. Ez a mágneses mező határozza meg az érzékelő maximális működési távolságát (Smax).

ON ON

OFF OFF

b)

S S

N

KIMENET

N

a)

H

Smax

130. ábra: Reed kapcsolós mágneses érzékelő; a) érzékelő és kimeneti állapotai sematikus ábrázolása; b) működési távolság: Smax, H: hiszterézis

137

Mechatronikus komponensek – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A mágneses mező vonzásának nagysága az érzékelő longitudinális és transzverzális front lapja közötti távolságtól függ. A reed érzékelő működési karakterisztikájának megfelelően egy mágnes a reed érzékelő tengelyével párhuzamos tengely mentén való elhaladásakor három BE (ON) állapotú kimeneti zónának kell léteznie. A mágnes és az érzékelő egymáshoz képesti megfelelő elhelyezkedése esetén egy illetve két átkapcsolási zónával rendelkező érzékelőt kaphatunk. A mágnes y-irányú közeledése vagy távolodása esetén azonban minden esetben csak egy KI (OFF)-BE (ON) vagy BE (ON)-KI (OFF) váltás történik.

N

S

S N S N

131. ábra: Reed kapcsolós mágneses érzékelő átváltási tartományai a mágnes helyzetétől és orientációjától függően

138

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A mágneses reed érzékelők a legkülönbözőbb házakban, foglalatokban helyezkedhetnek el, a spektrum a legegyszerűbbtől (hengeres, prizmás) a komoly, komplex geometriai formákig terjed. A ház alakját az adott alkalmazás, azaz a mágnes várható mozgása határozza meg. Léteznek érzékelők, ahol a mágnes mindössze a szenzor előlapja előtt haladhat el, azonban léteznek olyanok is, ahol az érzékelő oldala menti mozgás is észlelhető. A reed kapcsolós érzékelők három vezetékesek, de léteznek jelző dióda nélküli, két vezetékes változatok is. A kimeneti állapot maximális átváltási frekvenciája alacsony (<250 Hz), a szenzoron átfolyó áram pedig nem haladja meg a 3 A-t. Az alacsony ármerősségek mellett ezek a szenzorok több, mint 1000 V-on üzemelő berendezéseket is kapcsolhatnak.

139


5.4 Hall effektuson alapuló mágneses érzékelők A Hall effektuson alapuló érzékelők a félvezetőkben fellépő Hall effektust használják ki, kimeneti állapotuk a külső mágneses mező függvényében változik, mely a szenzorban az UH Hall feszültséget hozza létre. Az érzékelőt DC tápfeszültség működteti, mely átfolyik a félvezető lapkán (hallotron). Amíg a mágnes kívül esik a szenzor érzékelési tartományán, a feszültség akadály nélkül haladhat át a hallotronon, mely szélei közötti potenciálkülönbség ekkor nulla (V=0). Amint a mágnes belép az érzékelési tartományba, mágneses mezeje következtében a hallotron szélein Hall feszültség lép fel (V=VH). Ez a feszültség a mérési jel, mely az érzékelő kimeneti tranzisztorát vezérli. Az érzékelők általában három vezetékesek, melyeket 5 V és 30 V közötti DC feszültség lát el. A kimeneti állapot maximális átváltási frekvenciája magas, meghaladhatja a 300 Hz-et is. A szenzoron átfolyó maximális áram általában 1 A alatti. Az érzékelőket gyakran omnipoláris kivitelben gyártják, azaz a mágneses mező tetszőleges polarizációjára reagálnak, de lehetséges unipoláris (csak egy polarizációs irányra válaszol) vagy bipoláris (a kikapcsolást az ellentétes pólus megjelenése indítja) változat is.

132. ábra: Hall effektuson alapuló mágneses érzékelő

140


5.5 Speciális mágneses érzékelők 5.5.1 Magnetorezisztív érzékelők A magnetorezisztív érzékelő felépítése hasonlít a Hall effektuson alapuló érzékelők felépítésére, egyedül a mágneses mező változásaira érzékeny elem tér el. A magnetorezisztív érzékelőkben a mágneses mező változására érzékeny elem általában négy, Wheatstone hídkapcsolásba rendezett magnetorezisztorból (RM1-RM4) áll. Az elektródák helyes orientációjára mindenképpen ügyelni kell. Ebben az esetben a hőmérsékletváltozás hatásának kiküszöbölése lehetséges, a kimeneti jel pedig kétszer akkora, mint egyetlen magnetorezisztor esetén. Ha az érzékelőhöz egy mágnes közelít, megváltozik a szenzor ellenállása. Ez a változás a magnetorezisztív hatás eredménye, a mérő híd pedig elveszti egyensúlyi állapotát, mégpedig a mágneses mező intenzitásának függvényében.

133. ábra: Magnetorezisztív érzékelő: a) sematikus ábrázolás; b) Wheatstone híd magnetorezisztorokkal

141


5.5.2 Wiegand mágneses érzékelők A Wiegand mágneses érzékelő működése az „impulzus vezető” mag polarizációja változásának észlelésén alapul. A mag mágnesezettségének irányát külső mágnese mező segítségével lehet megváltoztatni. Irányát változtató mágnese mező kicsi, mobil vagy állandó helyzetű mágnesek segítségével hozható létre. Ekkor az „impulzus vezető”-re egy N/S polarizáltsági irányú mágneses mező hat, melyet egy S/N polarizáltságú mező vált fel. A külső mágneses mező polarizáltságának változása az impulzus vezető köré tekert tekercsben feszültség-impulzust hoz létre. Ez az impulzus kerül közvetlenül, vagy feldolgozás után a kimenetre. A második lehetőség a mágnesezettség irányának megváltozására az impulzus vezető mozgatása először egy N/S polarizáltságú, majd egy S/N polarizáltságú mágnes előtt. Ekkor a mágnesek és a tekercs találhatók az érzékelőben, és az impulzus vezető mozog az érzékelőhöz képest.

134. ábra: Wiegand mágneses érzékelő működésének lehetőségei: a) mozgó mágneses mező; b) mozgó „impulzus vezető”

142

Mechatronikus komponensek – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A fent tárgyalt működési lehetőségek mellett további lehetőség egy állandó helyzetű, az érzékelő fejében az impulzus vezetőre tekert tekerccsel együtt elhelyezkedő konstrukció. Ebben az esetben a mágneses mező irányának megváltozását egy ferromágneses anyag a szenzor közelében való elhaladása triggereli. Ez a megoldás például a szenzor előtt elhaladó ferromágneses anyagú tárgyak számlálásakor használatos. További alkalmazás lehet fogaskerék forgási sebességének mérése. Ekkor az impulzus vezetőben a fluxus kétszer olyan gyakran fordul meg, mint ahány fogaskerék fog elhalad az érzékelő előtt. A Wiegand érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. Általában két vezetékes kiszerelésben gyártják őket, és tökéletesen megfelelnek a nehéz működési körülmények közötti használatra. Az érzékelő által keltett impulzusok frekvenciája nagy (akár 20 kHz fölött), a kimeneti feszültség-impulzus pedig néhány V-os.

143


5.5.3 Mágneses érzékelők permanens mágnesekkel A legegyszerűbb mágneses érzékelők egy permanens mágnes köré tekert tekercsből állnak. Valamely a szenzorhoz közelítő ferromágneses anyag megváltoztatja a tekercsbe behatoló mágneses mezőt, és így a tekercs végein feszültség keletkezik. Az ilyen mágneses érzékelők ferromágneses anyagok mozgását detektálják. Nem alkalmasak azonban álló helyzetű tárgyak észlelésére, mivel a kimeneti feszültség a detektálandó tárgy mozgásának sebességétől függ. Az ilyen egyszerű érzékelőkben keletkező feszültségek kicsik, ezért a kimeneti állapot átváltásához a jel felerősítésére van szükség. A céltárgy sebességének csökkenésével a kimeneti feszültség is csökken. Álló tárgyak esetén a feszültség nulla. Az ilyen érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. Felbontásuk nagy, lényegesen meghaladja a Hall effektuson alapuló érzékelők felbontását. A felbontás forgó mozgás mérése esetén század szög finomságú is lehet.

135. ábra: Mozgó ferromágneses tárgyak detektálására szolgáló érzékelő

144


5.6 Szerelési követelmények A mágneses érzékelőket tetszőleges nem ferromágneses anyagú tárgyra vagy tárgyba szerelhetjük. A szenzor adott felülettől mért magassága figyelmen kívül hagyható, akár a felülettel egy szintben is elhelyezkedhet. Ha az érzékelőt ferromágneses anyagra kell szerelnünk, lehetőség szerint minél inkább távolítsuk el az anyag felületétől. Ajánlott valamely nem mágneses (dielektromos) szigetelő réteg használata is, mely az érzékelőt elválasztja a ferromágneses anyagtól. Ha az érzékelőt ferromágneses anyagra szereljük, figyelembe kell venni, hogy ez a mágneses mező erősségét befolyásolhatja. A mező intenzitása nő, ha a szenzort a ferromágneses anyag külső felületére szereljük. Ezzel szemben az intenzitás csökken, ha az érzékelőt beágyazzuk a ferromágneses anyagba. Ennek megfelelően változik a szenzor érzékelési távolsága is. Az érzékelő és a mágnes között esetlegesen elhelyezkedő nem ferromágneses anyag a mágneses érzékelő működését nem befolyásolja. Ezzel ellentétben, ha az érzékelő és a mágnes közé ferromágneses anyagot helyezünk, a kimeneti állapot megváltozik, azaz ebben az esetben ez befolyásolja a működést.

136. ábra: Ferromágneses és nem ferromágneses anyagok hatása a mágneses érzéklőre

145


5.7 Alkalmazások A mágneses érzékelőket többek között az alábbi területeken alkalmazzák: -

Detektálandó céltárgy műanyag fal túloldalán (csőben vagy konténerben). Céltárgyak észlelése agresszív környezetben, védő burkolaton keresztül. Céltárgyak észlelése magas hőmérsékletű környezetben. Mozgó és forgó tárgyak észlelése.

137. ábra: Dugattyú pozíciójának érzékelése nem mágneses testben mágneses reed érzékelő segítségével

138. ábra: Fogaskerék forgási sebességének mérése Wiegand érzékelővel

146


139. ábra: Szöghelyzet felismerése Hall effektuson alapuló érzékelő segítségével

140. ábra: Forgási sebesség mérése magnetorezisztív érzékelő segítségével

147

Mechatronika Modul 6:

Mechatronikus Rendszerek és funkciók

Jegyzet (Elképzelés) Készítették: Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország

Matthias Römer Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország




Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos

Tartalom 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.7.1 3.7.2 3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1

Induktív érzékelők .................................................................................... 7 Bevezetés ................................................................................................ 7 Alapkonstrukció........................................................................................ 8 Redukciós tényezők............................................................................... 11 Szerelés................................................................................................. 12 Speciális szenzorok ............................................................................... 13 Gyűrű-érzékelő................................................................................. 13 Mágneses térre érzéketlen szenzorok.............................................. 14 Különleges körülményekre tervezett szenzorok................................ 15 NAMUR szenzorok ................................................................................ 16 Analóg induktív szenzorok ..................................................................... 17 Áramellátás............................................................................................ 18 Érzékelők összekapcsolása ................................................................... 19 Biztonság és védelem ............................................................................ 21 Busz kapcsolat....................................................................................... 22 Alkalmazások......................................................................................... 23 Kapacitív érzékelők................................................................................ 25 Bevezetés .............................................................................................. 25 Alapkonstrukció...................................................................................... 26 Szenzor típusok ..................................................................................... 28 Detektálandó tárgy anyagi minőségének hatása.................................... 29 Interferencia kompenzáció ..................................................................... 30 Alkalmazások......................................................................................... 31 Ultrahangos érzékelők ........................................................................... 33 Bevezetés .............................................................................................. 33 Környezeti hatások ................................................................................ 34 Hanghullám létrehozása ........................................................................ 35 Az ultrahangos érzékkelő működésének elve ........................................ 37 Lehetséges hibák................................................................................... 42 Szenzorok szinkronizálása..................................................................... 44 Speciális ultrahangos érzékelők............................................................. 45 Reflexiós érzékelők .......................................................................... 45 Két átalakítós érzékelők ................................................................... 46 Analóg kimenetű érzékelők .................................................................... 47 Alkalmazások......................................................................................... 48 Fotoelektromos érzékelők ...................................................................... 51 Működési elv.......................................................................................... 51 Alapvető érzékelő típusok ...................................................................... 53 Átmenő sugaras érzékelők............................................................... 53 Retro-reflexiós érzékelők.................................................................. 54 Diffúz sugaras érzékelők .................................................................. 55 Interferencia kiküszöbölése.................................................................... 56 Fénymoduláció................................................................................. 57

3

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ 4.3.2 4.4 4.5 4.6 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.8 4.8.1 4.8.2 4.9

Fénypolarizáció ................................................................................ 58 Működési többlet.................................................................................... 60 Működési távolság ................................................................................. 62 Válaszadási idő...................................................................................... 63 Speciális érzékelők ................................................................................ 64 Retro-reflexiós polarizált érzékelő .................................................... 64 Diffúz sugaras érzékelők elő- és háttér elnyomással ........................ 65 Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelők ....................................... 68 Optikai szálas érzékelők................................................................... 69 Csatlakozástechnika .............................................................................. 73 Csatlakozási típusok ........................................................................ 73 Kimenet átváltása............................................................................. 73 Alkalmazások......................................................................................... 75 5 Mágneses érzékelők .............................................................................. 77 5.1 Alapok.................................................................................................... 77 5.2 Hiszterézis ............................................................................................. 78 5.3 Hall effektus ........................................................................................... 79 5.4 Magnetorezisztív hatás .......................................................................... 80 5.5 Wiegand effektus ................................................................................... 81 5.6 Reed kapcsolós mágneses érzékelők .................................................... 82 5.7 Hall effektuson alapuló mágneses érzékelők ......................................... 84 5.8 Speciális mágneses érzékelők ............................................................... 85 5.8.1 Magnetorezisztív érzékelők .............................................................. 85 5.8.2 Wiegand mágneses érzékelők ......................................................... 86 5.8.3 Mágneses érzékelők permanens mágnesekkel ................................ 88 5.9 Szerelési követelmények ....................................................................... 89 5.10 Alkalmazások......................................................................................... 90 6 Érzékelők feladatai mechatronikus rendszerekben ................................ 91 6.1 Főbb alkalmazások ................................................................................ 91 6.2 Mechatronikus rendszerek komplexitása, érzékelők .............................. 91 6.3 Mechatronikus rendszerek működésének komplexitása, érzékelők........ 92 6.4 Szenzorok a mechatronikus rendszerek diagnosztikájában ................... 93 6.5 Érzékelők a mechatronikus rendszerek felügyeletében.......................... 96 6.6 Érzékelők a mechatronikus rendszerek karbantartási diagnosztikájában 96 7 Busz rendszerek .................................................................................... 97 7.1 Érzékelők és jelvevők közötti kommunikáció alapjai............................... 97 7.2 Digitális adatfeldolgozás, digitális interfészek......................................... 98 7.2.1 Az RS 232C interfész (Európában V24-ként jelölve) .......................102 7.3 Kommunikációs hálózatok: alapismeretek, kezelés...............................103 7.3.1 Kommunikációs hierarchia ..............................................................103 7.3.2 Hálózatok és field busz rendszerek .................................................103 7.3.3 Fieldbuszok vezérlésének módszerei..............................................106 7.3.3.1 Központosított vezérlés ...................................................................106 7.3.3.2 Elosztott vezérlés ............................................................................107 7.4 Kommunikációs hálózati protokollok. Az OSI modell .............................107 7.5 Ipari kommunikációs hálózatok típusai..................................................110 4

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos 7.5.1 AS interfész busz ............................................................................110 7.5.2 Nyitott szerkezetű CAN busz...........................................................111 7.5.3 DeviceNet busz ...............................................................................112 7.5.4 Interbus-S fieldbusz ........................................................................113 7.5.5 Profibus professzionális busz hálózat (-DP, -FMS)..........................114 7.6 Az Ethernet, a szabványos ipari buszokat összekapcsoló univerzális hálózat ..................................................................................................117 7.6.1 Fieldbuszok szoftveres egyesítése a NOAH szabvány segítségével ........................................................................................................118 8 Mechatronikus részrendszerek fejlesztése............................................121 8.1 Bevezetés .............................................................................................121 8.1.1 A mechatronika kifejezés ................................................................122 8.1.2 Alkatrészek feldolgozása és szerelés..............................................123 8.2 Vezérlések felépítése............................................................................125 8.2.1 Szabályozás....................................................................................127 8.2.2 Komplex vezérlés............................................................................128 8.2.3 Komplex vezérlések különbségei ....................................................129 8.3 Komplex vezérlések teljesítmény- és jelrésze .......................................130 8.3.1 Teljesítményrész .............................................................................132 8.3.2 Hajtás..............................................................................................135 8.3.3 Jeladó, vezérlő és beállító tagok .....................................................150 9 Komplett mechatronikus rendszer fejlesztése .......................................155 9.1 Kiválasztott komponensek ....................................................................155 9.2 Segédeszközök a vezérlés fejlesztéséhez ............................................155 9.2.1 Elrendezési terv ..............................................................................156 9.2.2 Programlefutási terv ........................................................................157 9.2.3 Logikai terv......................................................................................160 9.2.4 Funkcióterv .....................................................................................161 9.2.5 Funkciódiagram...............................................................................162 9.2.6 Kapcsolási rajz................................................................................165 9.3 Komplex vezérlőrendszerek kapcsolási rajzainak elkészítése..............170 9.3.1 Pneumatikus kapcsolási rajz ...........................................................170 9.3.2 Hidraulikus kapcsolási rajz ..............................................................172 9.3.3 Elektromos kapcsolási rajz..............................................................174 9.4 Komplex vezérlés létrehozása ..............................................................178

5

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________

6


1 Induktív érzékelők 1.1 Bevezetés Az induktív szenzorok az automatizálásban a helyzet és a transzlációs mozgás ellenőrzésére és vezérlésére leginkább elterjedt érzékelők. Sok alkalmazás esetén ez a szenzor a legjobb választás, hiszen egyszerű és kompakt felépítése mellett nagy megbízhatóság és egyszerű beszerelés jellemzi. Az induktív érzékelők olyan jelátalakítók, melyek kimenetük állapotváltozásával jelzik fémes tárgyak jelenlétét érzékelési területükön belül, anélkül hogy közvetlenül érintkezne a fémtárggyal. Egy induktív szenzor az alábbi alapvető elemekből áll: a vasmagos indukciós tekercset tartalmazó fej, a szinuszos feszültséget kibocsátó jelgenerátor, az érzékelő rendszer (komparátor) és a kimeneti erősítő. A tekercsből és vasmagból álló indukciós rezgőkör egy változó, nagy frekvenciás mágneses teret indukál a szenzor körül. Ez a mező bármely, a szenzor közelében levő fémes tárgyban örvényáramokat hoz létre. Ezek az örvényáramok az induktív áramkör terhelését okozzák, melynek eredménye a rezgési amplitúdó csökkenése. A változás mértéke a fémes tárgy és a szenzor távolságának függvénye. A szenzor kimenetének megváltozása annak karakterisztikájától függően a fémes tárgy egy adott távolságon belül történő elhelyezkedése esetén következik be. Analóg szenzorok esetén a kimeneti jel szintje fordítottan arányos a tárgy szenzortól való távolságával.

1. ábra: Induktív szenzor működési elve

7


1.2 Alapkonstrukció Az induktív szenzor aktív része egy vasmagra tekert, változó mágneses terű tekercs. A mag szerepe nyitott mágneses kör esetén a tekercs mágneses mezejének felerősítése, és annak a mérési terület felé irányítása. A mágneses mező változása mindig elektromos mező keletkezését vonja maga után (örvényáram). Ha a változó mágneses mezőben egy vezető jelenik meg, az elektromos mező erővonalai mentén örvényszerű mágneses mező keletkezik (l. ábra). Ez a mező ellentétes a tekercs mágneses mezejével, és elveszi a rezonancia-kör energiájának egy részét. Ez azt jelenti, hogy a rezonancia-kör veszteségeiben változás lép fel, ami befolyásolja a minőségi faktort és a rezgés amplitúdója csillapodik. A csillapítás addig lép fel, amíg a vezető tárgy ki van téve a tekercs mágneses mezejének. Ha a tárgyat eltávolítjuk a mezőből, a rezonancia csillapítása megszűnik, és a rezgés amplitúdója visszatér kiindulási értékére.

2. ábra: Fémes tárgy a vasmagos tekercs mágneses mezejében

8

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A szenzor elektromos áramköre az amplitúdó csillapodása alapján meghatározza a tárgytól való távolságot, és létrehozza a kimeneti jelet. A kimeneti jel általában kétállapotú annak függvényében, hogy a tárgy a szenzor munkaterületén belül vagy kívül helyezkedik el. Előfordulhat azonban analóg jel is, mely fordítottan arányos a tárgy szenzortól mért távolságával. A szenzor elektromos áramköre az észlelő részen kívül egy hiszterézises komparátort és egy végrehajtó (kimeneti) rendszert is tartalmaz. A hiszterézis segítségével elkerülhető a detektálandó tárgy instabil állapota vagy rezgése esetén esetlegesen előforduló, a feszültségellátás fluktuációjából, vagy a hőmérséklet változásából adódó interferencia. A hiszterézis az a távolság különbség, mely esetén a szenzor közeledő és távolodó tárgyak esetén reagál. A szenzor állapota ekkor KI-ről BE-re változik, vagy fordítva (l. ábra). A hiszterézis mértéke a szenzor típusától és méretétől függ, de általában nem haladja meg a mérési tartomány 20%-át. Az induktív szenzorok változó mágneses teret létrehozó LCgenerátora nagyfrekvenciás (HF) generátorok, melyek tipikus tartománya 100 kHz és 1 MHz között van. A tekercs átmérőjének növelésével nő a szenzor maximális terhelési áram kapacitása, azonban csökken a működési frekvencia. Az átlagos induktív szenzorok mérési területe nem haladja meg a 60 mm-t. A szenzorok háza eltérő lehet, léteznek hengeres (fém) és prizmás (műanyag) házak, így a szenzor a működési helyre optimálisan szerelhető be.

3. ábra: Induktív szenzor hiszterézise

9

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az induktív tekercs által létrehozott mágneses tér fluxusa egy adott korlátolt területet fed le, mely behatárolja a szenzor működési terültét. A szenzor előlapjától a tárgynak az áramkör átváltását előidéző távolságát névleges érzékelési távolságnak (Sn) nevezzük. Ez az érték szerepel a katalógusokban, értékét az EN 609475-2 szabvány szerint egy négyzet alakú acél lemezzel (St37) határozzák meg, melynek oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, és vastagsága 1 mm. A valós érzékelési távolság (Sr) a gyártás során határozzák meg, és némileg eltérhet a névleges érzékelési távolságtól. Néveleges érzékelési feszültség és nominális környezeti hőmérséklet esetén 0,9 Sn ≤ Sr ≤ 1,1 Sn. A szenzor működésének megbízhatósága növelése érdekében az ajánlott működési tartomány tovább csökken: az üzemi érzékelési távolság Sa≤ 0,8 Sn. Ez a távolság a fémes tárgytól való azon biztonságos távolságnak felel meg, mely esetén a külső hőmérséklet és a hálózati feszültség teljes változási tartománya esetén is hibátlan működés garantálható. A szenzor Sn névleges érzékelési távolsága függ a ház D átmérőjétől, pontosabban a tekercs átmérőjétől és a mag tulajdonságaitól. Így tehát kisebb házba beépített szenzorok működési tartománya kisebb, mint a nagyobb méretű szenzoroké. Léteznek azonban speciális típusok, melyek növelik a működési tartományt.

50

Sn [mm]

40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

D [mm]

4. ábra: A szenzor átmérője és a névleges működési tartomány összefüggése

10


1.3 Redukciós tényezők A detektált tárgy az áramkör rezonanciáját anyagától függő mértékben csillapítja. Az arany, réz vagy alumínium, melyek elektromos vezetőképessége nagyobb az St37–es acélnál, a rezgést kisebb mértékben csillapítják. Ezek a változások a tárgy szenzortól való távolságának megváltoztatásával kompenzálhatók, ez azonban az érzékelési tartomány csökkenéséhez vezet. Ennek következtében, ha az érzékelt tárgy bronz, az St37–es acélra meghatározott érzékelési távolságot egy redukciós tényező segítségével kell módosítani: 0,5 × Sn. A szenzor tervezése annak érzékenységére is hatással van. Hengeres házban két alaptípus létezik: -

-

Árnyékolt: a rezonáns áramkör induktív tekercse egy köpenyen belül helyezkedik el, mégpedig úgy, hogy a köpeny fémes frontális felülete a szenzor frontális része. Árnyékolatlan: A tekercs kinyúlik a házból, és egy kiegészítő műanyag sapka védi.

A kinyúló tekercses szenzorok érzékenysége a detektálandó tárgy irányába nagyobb, azonban ezáltal a környező tárgyakat is jobban érzékeli.

5. ábra: Induktív szenzor különböző anyagokra korrigált érzékelési távolsága

11


1.4 Szerelés Az összeszerelési előírások betartása lehetővé teszik a környezet csillapító hatásából vagy több szenzor egymásra hatásából származó interferencia elkerülését. A szenzor közelében előírt szabad zóna mérete és alakja az érzékelési távolságtól, a tervezés módjától és a detektálandó tárgy méretétől függ. A hengeres, fémes köpenyű ház a behelyezhető mag és az indukciós tekercs méretét közvetlenül befolyásolja. Ennek következtében szoros összefüggés áll fenn a ház átmérője, és az érzékelési távolság és a szükséges szabad tartomány között, ahol az érzékelendő tárgyon kívül más fémes tárgy nem helyezkedhet el. Az árnyékolt szenzorok működési tartománya nagyobb az árnyékolatlan szenzorokénál, tehát a szükséges szabad zóna is nagyobb. Az árnyékolt hengeres szenzor nem érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, csak a közvetlenül előtte elhelyezett tárgyakat észleli. Ennek eredményeként ezeket a szenzorokat fémes elemek közé is beszerelhetjük. A szenzor frontális felületétől számítva a szabad tartomány 3Sn. Két, egymáshoz közel elhelyezkedő szenzor kölcsönös egymásra hatásának elkerülésére a köztük levő távolság legyen legalább az egyik szenzor D átmérőjének kétszerese. Az árnyékolatlan hengeres szenzor érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, tehát a szabd terület oldalirányba is kiterjed, itt sem helyezkedhet el más tárgy. Az interferencia elkerülése végett a két szenzor távolsága itt legalább a D átmérő háromszorosa legyen. a)

b)

6. ábra: Árnyékolt és árnyékolatlan induktív szenzorok. a) karakterisztika; b) szerelési javaslat

12


1.5 Speciális szenzorok 1.5.1 Gyűrű-érzékelő Induktív gyűrű-érzékelők esetén az érzékelési tartomány a szenzor gyűrű alakú házának belsejében található. Az érzékelőt úgy tervezték, hogy a furaton áthaladó tárgyakat észlelje. Alakjukat figyelembe véve ezek az érzékelők a furaton áthaladó kis, fémes tárgyak, pl. csapok, szegek, csavarok számlálására alkalmasak. Az ilyen érzékelők háza általában műanyagból készül. Az ilyen érzékelők működése egy nagy frekvenciás generátoron alapszik, mely a furaton belül mágneses teret hoz létre. A tekercs toroidja nagy teljesítményű maggal rendelkezik, mely minőségi faktora jobb, mint a vasmagos tekercseké. Tetszőleges fémes tárgy jelenléte a rezgések amplitúdójának csökkentésén keresztül aktiválja a szenzort. Az amplitúdó-csökkenést egy komparátor ismeri fel, majd egy küszöb érték átlépésekor átvált a kimeneti állapotra. Az érzékelő működési tartománya a furat átmérőjétől, és az érzékelendő fém méretétől és fajtájától függ. A szenzor aktiválásához a csillapítás egy adott szintje szükséges. Ha az érzékelendő tárgyak túl kicsik, elképzelhető, hogy a csillapítás mértéke is túl csekély lesz. Érthető tehát, hogy minden szenzorméret esetén létezik egy minimális hossz vagy átmérő, ami felett az érzékelendő tárgy biztos felismerése garantálható. A gyűrű-érzékelő előnye, hogy az érzékelendő tárgyak mozgási pályáinak nem kell szükségszerűen azonosnak lenniük. A gyűrű kialakítás lehetővé teszi a térbeli orientációtól független érzékelést. a) a)

7. ábra:

b) b)

Induktív gyűrű-érzékelő; a) kialakítás; b) a szenzor mérete és a detektálandó tárgyak minimális mérete közötti összefüggés 13


1.5.2 Mágneses térre érzéketlen szenzorok A nagy áramot igénylő hegesztési eljárások igen erős mágneses mezőt generálnak. Az induktív érzékelők ilyen területen való használata a kimenti állapot kontrollálatlan viselkedésének veszélyével jár, mely a mágneses mező a mag szaturációs intenzitására kifejtett hatás a következménye. Az erős mágneses terek másik negatív hatása a tekercsben a további áram indukciója. Ez az áram zavarja az oszcillátor működését és a kimeneti állapot véletlenszerű átkapcsolásához vezethet. Mindemellett a hegesztési eljárást rengeteg szikra kíséri, mely a ház és az aktív felület károsíthatja. A szikrák miatt az ilyen alkalmazásokra tervezett szenzorok Teflon® bronz bevonatúak, mellső felületük pedig hőálló műanyaggal védett. A hibás működés elkerülése végett ezek az érzékelők különleges elektronikus áramkörrel és kis mágneses permeabilitású maggal rendelkeznek. Az ilyen, speciális szinterelt vasból készült magokat csak a tipikus vasmagokénál sokszorosan sűrűbb mágneses mező szaturál. Tehát az ilyen maggal rendelkező szenzorok sokkal kevésbé érzékenyek a külső interferenciára, mivel saját mágneses terük koncentrált és irányított. A külső mágneses mezőkkel szemben a mag nélküli szenzorok a legkevésbé érzékenyek. Hagyományos érzékelők esetén a mag a külső mágnesességet önmaga köré koncentrálja. Ezzel szemben a mag nélküli berendezések esetén a tekercs nem mágneses, műanyag orsóra van feltekerve.

8. ábra:

14

Erős mágneses mezőre érzéketlen tekercsek


1.5.3 Különleges körülményekre tervezett szenzorok A szokványos szenzorok nem szokványos működési körülmények közötti használata működési hibákat vagy akár tartós károsodást is okozhat. Az érzékelők különleges körülményekre való adaptálásához általában a ház különleges anyagból való elkészítése, a méretek növelése, a speciális összeszerelési eljárások alkalmazása, és védelmük kialakításánál a tervezési változtatásokkal az elektromos áramkörök működési körülményeinek biztosítása szükséges. A gyártók a kereslet alapján különböző különleges körülmények között működő szenzort kínálnak. Ilyenek például: -

a 200°C feletti hőmérsékletet tűrő érzékelők

-

kémiailag ellenálló,

-

olajra érzéketlen,

-

magas páratartalomra érzéketlen szenzorok

-

3-5 mm fejátmérőjű miniatűr érzékelők

-

A nagy nyomású környezetben működő szenzor felépítésénél a belső elektronika védelme érdekében az érzékelőnek robusztusnak és jól tömítettnek kell lennie. A tekercset és a magot a frontális oldal felől egy vastag, kopásálló kerámia korong védi. Az egy kicsit hátrébb elhelyezkedő tekercs ezáltal a működési tartomány csökkenését okozza. Ennek kiküszöbölésére módosított, nagyobb működési tartományt biztosító áramkörre van szükség. A megfelelő tömítettséget a szenzor kerámia előlapja és a rozsdamentes acél ház termikus összekapcsolásával érjük el: a felmelegített házat ráemeljük a kerámia korongra, így lehűlése után a ház rászorul a korongra, és biztosítja a megfelelő tömítettséget.

15


1.6 NAMUR szenzorok A NAMUR induktív szenzorok olyan két vezetékes érzékelők, melyek belső ellenállása fémes tárgy érzékelésekor megváltozik: a „nincs fémes tárgy” állapothoz kicsi, a „fémes tárgy detektálva” állapothoz pedig nagy ellenállás tartozik. Ezek az érzékelők külső erősítőkkel működnek. A NAMUR induktív érzékelők kimeneti jelei szigorúan definiált tartományban mozoghatnak. AZ EN 60947-5-6 (korábban EN 50227) szabvány szerint ez a tartomány 1,2 mA-től 2,1 mA-ig terjed. Minden DC (egyenáramú) erősítőről táplált NAMUR érzékelő áramkarakterisztikája megegyezik, és a szigorúan definiált átváltási hiszterézis 0,2 mA-nél következik be. A NAMUR induktív érzékelők egy részlegesen csillapított tekerccsel rendelkező oszcillátorból és egy demodulátorból állnak. Az érzékelt tárgy és a szenzor távolságának változása a kimenő áram változásává alakul, melyet a külső erősítő kétállapotú jellé alakít. A NAMUR szenzorok robbanásveszélyes környezetben csak szikraálló jelváltó erősítővel használhatók. Lehetséges a szenzor biztonsági előírásoknak nem megfelelő erősítővel való használata is, ám ekkor az erősítőnek a veszélyes tartományon kívül kell elhelyezkednie. A 0,15 mA-t meg nem haladó áramot a külső erősítő „nincs jel” állapotként értelmezi, a 6 mA-nél nagyobb áramokat pedig rövidzárlatként.

9. ábra:

16

NAMUR érzékelő; a) karakterisztika; b) elektromos áramkör


1.7 Analóg induktív szenzorok A hagyományos érzékelőkkel ellentétben, melyek csak az érzékelést vagy nem-érzékelést regisztrálják, az analóg kimenetű induktív szenzorok teljes mérési tartományukon belül képesek egy tárgy helyzetének meghatározására. Egy tárgy távolságának Sn-ről nullára való változása a kimeneti jel 0-ról 20 mA-re való változásának felel meg. Az analóg kimeneti jelű szenzorok a közelítésérzékelőkhöz hasonlóan működnek. A rezonancia áramkör által létrehozott változó mágneses mezőt a szenzor érzékelési távolságán belül jelenlévő fémes tárgy csillapítja. A csillapítás a tárgy szenzorhoz való közeledésével erősödik. A speciális oszcillátor-tervezés lehetővé teszi a rezonanciakör csillapítását a távolság változásának, azaz a minőségi faktor változásának függvényében. A rendszer kimeneti jellé alakítja, ami a linearizációs rendszernek köszönhetően csaknem lineáris. Az alábbi ábrán látható diagrammok és számértékek egy St37-es acélból készült tárggyal készült mérések eredményei, mivel ezen anyag esetén maximális az érzékelési tartomány. Eltérő mágneses permeabilitású fémek esetén redukciós tényezőket kell használnunk. A jelenleg kapható érzékelők legtöbbje gyakorlatilag a teljes mérési tartományban lineáris karakterisztikával rendelkezik (az ábrán szürkére satírozott terület).

10. ábra: Analóg szenzor induktív kimenettel

17


1.8 Áramellátás Az egyenáramú érzékelők általában adapterek segítségével működnek, melyek kimeneti feszültsége fluktuál. A feszültség értékének túl nagy fluktuációja az induktív szenzorok váratlan viselkedéséhez vezethet. A hibátlan működés biztosítása érdekében a tápfeszültség változása nem haladhatja meg az átlagérték 10%-át, tehát az alábbi feltételnek kell teljesülnie: Uss ≤ 0,1 UD Ezt a tartományt a feszültség értéke nem hagyhatja el, még pillanatnyi feszültségcsúcs USS formájában sem. Az ilyen csúcsok elkerülése végett a stabilizált adapterek, vagy egy nagyobb jelsimító kondenzátor használata javasolt. A DC tápfeszültségű szenzorok kimenetét egy NPN vagy PNP elrendezés újragenerálja. Ez az NPN konfiguráció esetén azt jelenti, hogy az RL terhelő ellenállás a szenzor kimenete és az U tápfeszültség pozitív pólusa közé, PNP konfiguráció esetén pedig ugyanez az ellenállás a szenzor kimenete és az U tápfeszültség negatív pólusa közé kerül. Mindkét fenti típusú kimenet esetén rendelkezésre áll a NO normál esetben nyitott, és NC normál esetben zárt funkció. A szenzorok egy részének kiegészítő NP kimeneti funkciója is van, két egymástól független kimenettel, azaz NO-val vagy NC-vel. A váltóáramú érzékelőket nem szabad közvetlenül rákapcsolni az AC adapterre, ez ugyanis a szenzor belső áramköreit károsítaná. A váltóáramú érzékelőket az RL terhelő ellenállással sorba kell kapcsolni. Az alábbi ábra tipikus elrendezést mutat be. Két vezetékes AC érzékelő használata az áramkörre vonatkozólag további korlátozásokat jelent. Az oszcillátor mellett, a két vezetékes AC érzékelők egy tranzisztorral rendelkeznek, mely teljesítmény erősítőként működik. Ezeket az érzékelőket a terheléssel közvetlenül sorba kapcsoljuk. Ennek eredményeként folyamatos az áramszivárgás, még a szenzor kikapcsolt állapotában is. Ez egy bizonyos feszültség veszteséget eredményez, ha több érzékelő akár sorba, akár párhuzamosan van kapcsolva. Az AC szenzorok tápfeszültségének kiválasztásakor a gyártó által megadott maximum és minimum terhelési áramot se alul, se túl nem szabad lépni!

18


1.9 Érzékelők összekapcsolása Több szenzor soros vagy párhuzamos kapcsolása a berendezés különleges alkalmazásait teszi lehetővé. A szenzorok megfelelő kapcsolása esetén ÉS (AND), VAGY (OR) ÉS/VAGY (NOR) logikai kapcsolatok is létrehozhatók. Az ÉS logikai funkció garantálja, hogy több összekapcsolt szenzor esetén a kimeneten csak akkor jelenik meg jel, ha minden egyes érzékelő állapota KI-ről BE-re váltott. A NOR funkció megszakítja az Ri ellenállást ellátó áramkört, mely csak akkor működik, ha minden szenzor állapota BE-ről KI-re változott. Ezeken kívül azonban további logikai kapcsolások is létrehozhatók. A sorba kapcsolt szenzorok maximális száma a tápfeszültség nagyságától, az érzékelők kimenetén lévő feszültségeséstől és a terhelés paramétereitől függ. A szenzorok kimenetén lévő feszültségeséssel csökkentett tápfeszültség értékének mindig meg kell haladnia a terhelés minimális működési feszültségét.

DC

+

+

-

DC

+

-

-

+

+

-

-

+

-

RL

-

+

RL

+

-

11. ábra: Érzékelők csoportjának soros és párhuzamos kapcsolása (ÉS & VAGY logikai kapcsolás)

19

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A VAGY kapcsolás esetén akkor keletkezik kimeneti jel, ha az érzékelők közül egynek megváltozott a kimeneti állapota. Ezt a funkciót párhuzamos kapcsolással hozhatjuk létre. Párhuzamosan kapcsolt három vezetékes DC szenzorok esetén nincsenek lényeges korlátozások. A kimenettől függetlenül akár egy tucat érzékelő is összekapcsolható párhuzamosan. Két vezetékes érzékelők párhuzamos kapcsolása esetén a szenzorok szivárgó áramai összeadódnak, mely hátrányosan befolyásolhatja a működést. Ezért a két vezetékes érzékelők párhuzamos kapcsolása nem ajánlott, bár nem is tiltott. Az így kapcsolt szenzorok maximális száma a terhelés típusától, és az érzékelők kimeneti áramkörein folyó szivárgási áramok nagyságától függ.

DC

+

-

+

+

DC

+

-

+

RL

RL

+

-

-

+

+

-

-

RL

12. ábra: Érzékelők párhuzamos kapcsolása (VAGY-kapcsolat)

20

AC


1.10 Biztonság és védelem Az érzékelők egyik legfontosabb tulajdonsága az installáció során esetlegesen fellépő hibák kiküszöbölésének lehetősége. Ez elektromos védő elemek segítségével biztosítható, melyek a szenzor belső áramköreit védik. A legtöbb egyenáramú érzékelő esetén a kimenetek az alábbi negatív következményekkel járó események ellen védettek: -

a tápfeszültségre történő téves irányú csatlakoztatás a kikapcsolást követő túlfeszültség a kimeneten rövid és nem-ciklikus impulzusok a tápvezetéken keresztül túlzott kimeneti áram és rövidzárlat

Az egyenáramú szenzorok elektromos áramköreinek rövidzárlata magát a szenzort nem károsítja, még ismételt és tartós esetben sem, mivel a rövidzárlat alatt a szenzor diódái kikapcsolt állapotban vannak. A rövidzár kiküszöbölése után az érzékelő hibátlanul működik. Fém házban található érzékelők esetén, amennyiben azok tápfeszültsége az emberre veszélyes, földelésre van szükség. Ha egy közelítéskapcsoló KI állapotban van, az áramkörben szivárgási áram jelenik meg, mely az érzékelő hibás működését eredményezheti. Ennek elkerülése végett egy további Rp ellenállást kapcsolunk párhuzamosan magával a terheléssel. Ez az ellenállás ekkor felveszi a szivárgási áramot, mivel ennek értéke kisebb, mint az ellenállás működéséhez szükséges áram. Az Rp ellenállás és ennek P teljesítménye az alábbiak alapján számítható: Rp = U / Imin

P = U2 / Rp

13. ábra: Szivárgási áram egy AC induktív érzékelőt tartalmazó áramkörben

21


1.11 Busz kapcsolat Az érzékelők és vezérlőelemek kapcsolatát manapság modern kommunikációs hálózatok segítségével biztosítjuk. Ez a megoldás a régi, nagy kábeligényű megoldást váltotta fel. A hálózati megoldások lényege, hogy a jeleket egy köztes berendezés érzékeli, majd egy bus-on keresztül továbbítja őket a fő egységnek (l. alábbi ábra). Ez lehetővé teszi -

a költségek jelentős csökkentését a szenzor és a meghajtó közötti távolság növelését a szenzor kalibrációjával és karakterisztikájával kapcsolatos adatok átvitelét

A legnépszerűbb megoldás ma a nyitott hálózat (open network), mely szabványokon alapulva különböző gyártók termékei közötti kapcsolatot is lehetővé tesz. A leggyakrabban használt kommunikációs protokollok: Ethernet, Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN, AS-I. A hálózatok segítségével elosztott vezérlő rendszereket hozhatunk létre, melyek lehetővé teszik a jelfeldolgozás egy részének alacsonyabb szintjeire, azaz közelebb a folyamathoz. Az alapvető hálózati berendezések bemeneti és kimeneti (input/output, azaz I/O) modulok, melyek az adott típusú hálózathoz illő interfészt tartalmaznak. A modult egy adott hálózati címen egy fő egység észleli, mely lehetővé teszi az adatok anyag sebességű továbbítását. Ez különösen fontos az érzékelők esetén, hiszen itt a jeleket gyakran bonyolult eljárásokkal kell feldolgozni, azonban a döntéshozatalra rövid idő áll csak rendelkezésre.

14. ábra: Profibus hálózatos és anélküli kommunikációs rendszer egyszerűsített szerkezete

22


1.12 Alkalmazások

15. ábra: Fúrófej törésének, és gyártószalagon haladó tárgyak észlelése

16. ábra: Drót folytonosságának ellenőrzése

23


24


2 Kapacitív érzékelők 2.1 Bevezetés A kapacitív érzékelők elektromos mező segítségével működési tartományukon belül elhelyezkedő tárgyak észlelésére alkalmasak. Az induktív érzékelőkkel ellentétben nem-fémes tárgyakat, például műanyagot is észlelnek. A kapacitív szenzor nem-vezető réteg mögött elhelyezkedő tárgyak detektálására is alkalmas, így gyakran alkalmazzák tartály falán keresztül folyadékok vagy pelletek észlelésére. A kapacitív érzékelőket általában közelítésérzékelőként használják, de a tárgy szenzortól mért távolságával arányos jel létrehozására is alkalmasak. Az ilyen érzékelők észlelési távolsága igen kicsi, kb. 30 mm, de léteznek speciális berendezések is, melyeknél ez 60 mm is lehet. HA egy fémes tárgy vagy dielektrikum megjelenik a szenzor észlelőfelületének közelében, az a kimeneti állapotának KI/BE vagy BE/KI váltásával reagál. A kapacitív érzékelő a következő alkotóelemekből áll: fej elektródával, potenciométer (P), oszcillátor, detektáló áramkör, kimeneti áramkör (l. alábbi ábra). A kapacitív szenzor aktív komponense két fém elektróda, mely nyitott kondenzátort alkot. Ha egy tárgy közelít ehhez a kondenzátorhoz, annak megváltozik a kapacitása. A kondenzátor teljes kapacitása, mely meghatározza a kimeneti jel szintjét, a szenzor alapkapacitása és a detektált tárgy által okozott kapacitásváltozás összege.

17. ábra: Kapacitív szenzor blokk vázlata

25


2.2 Alapkonstrukció A szimmetrikus elektromos mező létrehozásához a külső B elektródának a hengeres A elektródával koncentrikusnak kell lennie (l. ábra). A detektálandó tárgy mint C köztes elektróda működik, és aktiválja a szenzort. A B gyűrű külső átmérője az érzékelő aktív síkja. Az ilyen szenzorok kapacitása a detektálandó tárgy távolodásával hiperbolikusan csökken. Az érzékelő kapacitív szerkezete mindig a detektálandó tárgy anyagösszetételétől és a földeléstől függ.

18. ábra: Elektromos mezők a kapacitív szenzor fejben

26

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A nem vezető tárgyak, azaz például a papír vagy üveg a dielektromos állandó növelésével csak a szenzor saját kapacitását növelik. Ez a növekedés azonban kicsi, mivel a dielektromos állandó növekedése is csekély, tehát az érzékelési távolság is kicsi. Földeletlen vezető tárgyak esetén további két sorba kapcsolt kondenzátor alakul ki, az egyik a tárgy és a szenzor elektródája, a másik a tárgy és a külső elektróda között. Ebben az esetben a szenzor érzékelési távolsága nagyobb. A legnagyobb érzékelési távolságot úgy érhetjük el, ha a detektálandó tárgy földelt vezető. Ekkor a tárgy és a szenzor közötti, további kapacitás az érzékelő saját kapacitásával párhuzamos kapcsolást alkot. Az A és B elektródákat egy magas frekvenciájú oszcillátor kapcsolja össze. Az oszcillátor csak akkor lép működésbe, ha tárgy kerül az érzékelési tartományba: ekkor az A és B elektródák közötti kapacitás növekedése aktiválja. Az oszcillátor rezgési amplitúdóját egy detekciós áramkör analizálja, mely a kapcsolási áramkör felé jelet generál. Az oszcillátor s az elektróda közötti visszacsatoló áramkörben egy potenciométer található, mely az oszcillátor áramkörének aktiválási szintjét állítja be. A névleges érzékelési távolság Sn az a távolság, melyen a kimeneti áramkör átkapcsol. Ez a távolság egy földelt, 1 mm vastagságú, négyzetes keresztmetszetű, FE360 acél tárgyra vonatkozik, melynek oldalának hossza megegyezik a szenzor érzékelési felületének átmérőjével, vagy 3*Sn-nel, attól függően, melyik érték a nagyobb.

19. ábra: Kapacitív szenzor érzékelési tartományának definíciója

27


2.3 Szenzor típusok A kapacitív szenzorok általában mint hengeres vagy kocka alakúak melyeknek aktív oldala az egyik lapos felület. A hengeres érzékelők két típusa használatos. Az egyik típus árnyékolt, tehát a működési tartomány a szenzor előlapjánál kezdődik. Az ilyen típusok fémbe vagy más anyagba süllyesztve szerelhetők. A másik típus esetén a szenzor kiáll a házból. Ezek az érzékelők különösen jól használhatók, amikor az észlelendő anyag közvetlenül érintkezik az aktív felülettel (pl. ömlesztett anyagok vagy folyadékok szintjének figyelése). Ekkor az érzékelési tartomány 50%-al nagyobb. Léteznek speciális készülékek is, melyeket vízszintes vagy görbült felületek esetén használhatunk. Több kapacitív szenzor felszerelése esetén a szenzorok egymásra hatása és külső elemekkel való interferenciája elkerülése érdekében vegyük figyelembe az alábbi ábrán látható szabályokat. A vezetékek és a kimeneti áramkör hasonlít az induktív szenzorok megfelelő megoldásaihoz, így két, három és négy vezetékes szenzorok is lehetségesek. Egyen- vagy váltóáramú tápellátás is lehetséges. a)

b)

20. ábra: a) süllyesztett és b) nem süllyesztett szenzorok felszerelése

28


2.4 Detektálandó tárgy anyagi minőségének hatása A kapacitív szenzorok kapcsolási távolsága széles tartományban változik. A legnagyobb távolságot vezető anyagok esetén érjük el, és mint azt korábban már említettük, az a földeléstől is függ. Vezető tárgyaknál az anyagi minőség nem befolyásolja az érzékelési távolságot. Szigetelők esetén azonban a kapcsolási távolság a dielektromos állandó függvénye, azaz minél nagyobb a dielektromos állandó, annál nagyobb a kapcsolási távolság. A kapacitív érzékelők működési tartománya a detektálandó tárgy dielektromos állandójával csökken (l. alábbi ábra). A következő táblázat a különböző szigetelők dielektromos állandóját tartalmazza. Az organikus anyagok, azaz a fa, különböző magvak, stb. detektálásának távolsága nagyban függ azok víztartalmától. Ez a víz nagyon magas dielektromos állandójára (εvíz = 80) vezethető vissza. Valós érzékelési tartományának (Sr) = Sn · redukciós tényező Az alábbi táblázat néhány redukciós tényező értékét tartalmazza: Anyag Acél Víz Fa Üveg Olaj PVC PE Kerámia

Redukciós tényező 1 1 0,7 0,6 0,4 0,4 0,37 0,3

1. táblázat: Különböző anyagokra vonatkozó redukciós tényezők

29


2.5 Interferencia kompenzáció A detekciós áramkör tartalmaz interferenciaszűrőket, melyek a külső – ám nem túl nagy – elektromos mező hatását semlegesítik. A szűrők azonban szignifikánsan lecsökkenthetik a maximális kapcsolási frekvenciát, és így negatívan befolyásolhatják a szenzor dinamikus karakterisztikáját. A szenzor elszennyeződése, a levegő nedvességtartalmának változása vagy az aktív felületen harmatcseppek megjelenése helytelen működést eredményezhet. Ha az interferencia mező homogén, egy további kompenzációs elektródát kapcsolunk az oszcillátor kimenetére, így lehetséges az érzékelési távolság állandó értéken tartása. A szennyeződések a szenzor elektróda és az érzékelő felület közötti kapacitás növekedését okozzák, ugyanakkor a szenzor elektróda és a kompenzációs elektróda közötti kapacitás kompenzációs csatolást hoz létre. Azonban egy vékony tárgy (pl. papírlap) és a szenzor érintkezésekor fennáll annak a veszélye, hogy az interferencia jel semlegesíti a fő elektróda jelértékét, és az érzékelő nem kapcsol át.

21. ábra: Szenzor kiegészítő kompenzációs elektródával

30


2.6 Alkalmazások Karakterisztikájuk és egyszerű felépítésüknek köszönhetően a kapacitív szenzorokat számos területen alkalmazzák. Ilyenek például: -

tartály folyadékszintjének figyelése, granulátum szintjének ellenőrzése, vezető és szigetelő tárgyak számlálása, üres terek felismerése a csomagoláson keresztül, károsodás felismerése

22. ábra: Részlegesen telt tartály felismerése és elutasítása

23. ábra: Tartály folyadékszintjének, és cső telítettségének ellenőrzése

31


24. ábra: Üres konténer felismerése a gyártósoron

32


3 Ultrahangos érzékelők 3.1 Bevezetés Az ultrahangos érzékelőket az anyag minőségétől és színétől függetlenül átlátszó és nem átlátszó folyadékok szintjének meghatározására használják. Elsősorban nagy portartalmú, magas szennyezettségű helyeken alkalmazzuk őket, mivel itt optikai érzékelők nem használhatók. Az érzékelők egy ultrahang-váltóval működnek, mely ultrahang sugarat bocsát ki, majd méri az emittált és a sugár útjában elhelyezkedő tárgyról visszavert sugár érkezése között eltelt időt. Ez az idő arányos a szenzor és a tárgy közötti távolsággal. Az ilyen szenzorok átváltási frekvenciája, működési elvük miatt más szenzorokhoz képest alacsony (néhány Hz-től kb. 100 Hz-ig). Az ultrahangos szenzorok akusztikus hullámokat hoznak létre, melyek frekvenciája (>20 KHz) kívül esik a hallható frekvenciákon. Az érzékelők magas működési frekvenciájuk miatt gyakorlatilag érzéketlenek a külső hangokból adódó interferenciával szemben. Az ilyen érzékelők az alábbi fő komponensekből épülnek fel: nagy feszültségű generátor, a szenzor fejében elhelyezkedő piezoelektromos konverter, jelfeldolgozó rendszer, kimeneti rendszer (l. alábbi ábra).

25. ábra: Ultrahangos érzékelő blokk vázlata

33


3.2 Környezeti hatások A hang terjedésének távolsága, eloszlása és sebessége részben a környezettől is függ. A közeg (levegő) fizikai tulajdonságainak véletlenszerű változásai befolyásolhatják a távolságmérés pontosságát. Ilyen környezeti változások lehetnek az alábbiak: Hőmérséklet: levegő hőmérsékletének változása megváltoztatja a hanghullám sebességét. A változás mértéke hozzávetőlegesen 17%/°K. A legtöbb érzékelő belső hőmérséklet kiegyenlítővel van ellátva, mely a hőmérséklet ingadozás hatását nagymértékben (kb. 2/3-ban) kiküszöböli. Nyomás: Az atmoszférikus nyomás ±5%-os változása a hang sebességének ±6%-os változását eredményezi. Páratartalom: A levegő páratartalmának növekedése a hang sebességének 2%-os változását eredményezi (a száraz levegőhöz képest). Légáramlatok: A légáramlatok hatása azok irányától és intenzitásától függ. Erős, 50 km/h-t meghaladó, a hang terjedésének irányában fújó szél számottevően befolyásolhatja a hang sebességét. A terjedés irányára merőleges szél a hanghullámokat eltérítheti, ami szintén negatív hatásnak számít. Szennyeződés: A levegő nagymértékű szennyezettsége az ultrahang-emitter felületének elszennyeződéséhez vezet, ami az emittált hullám tartományát akár 30%-al is csökkentheti.

26. ábra: A levegő hőmérsékletének hatása a hanghullám sebességére

34


3.3 Hanghullám létrehozása Az ultrahang-hullámokat jelátalakítók hozzák létre, melyek manapság leggyakrabban piezoelektromos elven működnek. A piezoelektromos hatás speciális kristályok esetén jön létre, melyekben nyomás/feszültség hatására elektromos töltések keletkeznek. Piezoelektromos kristályok például a kvarc, vagy a lítiumszulfát. Speciális viselkedésük oka az elemi cellák kristályrácsban való spirális elhelyezkedése. Az effektus reverzibilis, tehát elektromos feszültéség hatására a kristály deformálódik. Ha az átalakító kapcsolatban áll az anyaggal vagy valamely közeggel, azaz levegővel, a feszültségváltozások okozta vibrációt átadja a közeg részecskéinek, ahol hullám keletkezik. Fordított esetben, ha a közeg részecskéi rezgést adnak át az átalakítónak, a felület mechanikai deformációja következtében elektromos töltések keletkeznek. Ugyanazt az átalakítót tehát jelek létrehozására és fogadására is használhatjuk.

27. ábra: Ultrahang emitter és vevő

35

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az ultrahang-hullám terjedése során diszpergál (l. ábra). A legnagyobb hangenergia a szenzor tengelye köré koncentrálódik. Ha feltételezzük, hogy a hang energiája a szürke területen a hibátlan működéshez már nem szükséges, a méréshez felhasznált sugár alakja hasonlít egy α nyílásszögű kúpra. Az α szög határozza meg azt a területet, ahol az ultrahang-hullám energiája még nem esik a tengely körüli energia 50%-a alá. Az ultrahang-hullám átmérőjét a szenzor frontfelületétől X távolság az alábbi képlet alapján számíthatjuk ki: D = 2 · X · tan(α/2), Ahol: X α

a tárgy szenzortól mért távolsága az ultrahang sugár nyílásszöge

Az igényektől függően különböző szenzorokat gyártanak, melyek nyílásszöge eltér. A szög néhány foktól néhány tíz fokig változhat. A sugár alakját és szögét a szenzor rezgő felülete határozza meg, így nagyon különböző sugarakat létrehozó szenzorokkal találkozhatunk.

a)

b)

28. ábra: Szenzor által kibocsátott ultrahang-hullám sematikus ábrája: a) keresztmetszet a szenzor hossztengelye mentén; b) a sugár azon része, mely megfelel a szenzor követelményeinek

36


3.4 Az ultrahangos érzékkelő működésének elve Az ultrahangos érzékelők általában két üzemmód valamelyikében működnek: diffúz (diffúziós szenzor) vagy átmenő sugaras (detekciós szenzor) üzemmódban, azonban az elsőt szívesebben használják. A céltárgyról visszavert ultrahang-sugár visszhang formájában visszatér a szenzorhoz. A kimenet típusától függően a detektor a visszatérési időből meghatározott távolságot analóg áram vagy feszültség jellé, illetve kétállású jelek esetén BE/KI jellé alakítja át. Amint a céltárgy elhagyja az érzékelési tartományt, a kimeneti rendszer visszatér eredeti állapotába. Az ultrahangos mérések tehát két szakaszból állnak (l. ábra): - az átalakító ultrahang-sugarat küld a céltárgy felé, - a céltárgy ultrahang-sugarat küld az átalakító irányába, amikoris ez a sugár az eredeti jel visszhangja. Diffúziós szenzorok esetén a két funkciót ugyanaz a piezoelektromos átalakító végzi. A szenzor érzékenysége a detektálandó tárgy sűrűségének növekedésével nő. Minél nagyobb ugyanis a tárgy sűrűsége, a hanghullám annál nagyobb részét veri vissza. Ez az oka annak, hogy az ultrahangos érzékelők kiválóan alkalmasak a nagy akusztikus visszaverési tényezővel rendelkező tárgyak észlelésére. Nagy akusztikus visszaverési tényezővel rendelkeznek általában a szilárd és folyékony, valamint a szemcsés anyagok is.

29. ábra: Az ultrahangos mérés két szakasza: a) átalakító ultrahang-sugarat küld a céltárgy felé; b) a céltárgy visszaveri ezt a sugarat 37

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A diffúziós szenzorok periodikus hang impulzusokat hoznak létre. Az impulzus kibocsátása és a visszaérkező hullám észlelése között eltelt idő arányos a tárgy és a szenzor távolságával. Két, azaz jel generátor és vevő funkciós átalakítóval rendelkező szenzorok esetén az impulzus Ti hosszának lényegesen rövidebbnek kell lennie, mint a visszhang megérkezéséhez szükséges idő Te. Az impulzusok néhány tíz Hz-es frekvenciával ismétlődnek. A szenzor az impulzus kiküldését követően azonnal készültségbe áll a visszatérő hullám fogadására, és a következő impulzus küldéséig ebben az állapotban is marad. A visszhang megérkezésének Te idejét mérve a céltárgy távolsága kiszámítható. Detekciós szenzorok esetén a visszhang észlelése az érzékelési tartományon belül elhelyezkedő céltárgy észlelését jelenti, így a kimeneti állapot megváltozását okozza. Ultrahangos diffúz szenzorok speciális, elektronikusan vezérelt átalakítókat használnak, melyek a hanghullám-impulzust létrehozzák, és fogadják is. Az átalakító néhány mikroszekundumtól 1 milliszekundumig tartó időintervallum alatt impulzusok sorozatát bocsátja ki, majd vár azok a detektált tárgyról való visszavert hullámainak visszatérésére. Ha a kúpos ultrahangsugáron belül reflektáló felület található, a KI kimeneti állapot BE állapotra vált.

30. ábra: Ultrahangos érzékelő működési ciklusa

38

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A szenzor maximális érzékelési távolságát egy megfelelő potenciométer segítségével korlátozni lehet, így az adott távolságon kívül elhelyezkedő tárgyakat nem észleljük (l. alábbi ábra). Ezáltal a háttér kivágása megoldható. Néhány szenzortípus esetén az érzékelési távolság alsó határa is beállítható, azaz létrehozható egy kizárt tartomány is. Ekkor az aktív tartomány pontosan meghatározható. A szenzor frontfelületének közvetlen közelében egy holt tér található, itt nem észlelhetünk tárgyakat, illetve az észlelés kétséges. A holt tér mérete a szenzor méretétől és érzékelési távolságától függ. Rövid, korlátozott érzékelési tartományú szenzorok holt tere kisebb, mint a nagyobb szenzorok hol tere. A holt tér az átalakító kettős funkciójának, azaz az adó és vevő működésnek a következménye, ui. az átalakító a visszhang fogadására csak a hang impulzus kibocsátása után áll készen.

31. ábra: Az észlelési tartomány meghatározása a működési tartomány alsó és felső határának meghatározásával

39

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A szabványos kalibráló céltárgy egy 1 mm vastagságú fém lap. Ezt használjuk az Sn érzékelési távolság ellenőrzésekor. A lapot a hanghullám tengelyével merőlegesen helyezzük el. Mérete a szenzor érzékelési tartományától függ. Rövid hatótávolságú (300 mm-ig) érzékelők esetén 100 mm-es négyzet alakú lapot használunk. Ettől eltérő méretű, alakú és fizikai tulajdonságokkal rendelkező céltárgy esetén a katalógusban feltüntetett Sn érzékelési távolság nem garantálható. Általánosan az alábbi szabályok érvényesek: -

minél alacsonyabb a szenzor frekvenciája, annál nagyobb az érzékelési távolság minél nagyobb a működési frekvencia, annál szenzor kevésbé érzékeny a háttérzajokra

Detekciós szenzorok esetén az ultrahangos átalakító egy hanghullámot indít egy önálló házban elhelyezkedő vevő egység irányába. A hanghullám útjában álló tárgy megtöri a hullámot, erre a szenzor kimeneti állapota átvált. Detekciós szenzorok esetén, a diffúz és reflexiós szenzorokkal ellentétben az átalakító folytonos jelet állít elő, így tehát nincs holt tér.

a)

b)

32. ábra: Átmenő sugaras szenzor kimeneti állapota: a) céltárgy érzékelése előtt; b) céltárgy érzékelése után

40

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az ilyen szenzorokat nem csak a hangot visszaverő, hanem az azt elnyelő vagy disszipáló, porózus anyagok észlelésére alkalmazzák, de használhatjuk őket a diffúz sugaras szenzorok által nehezen észlelhető alakú tárgyak detektálására is. A hanghullámokat jól visszaverő, de a szenzor tengelyéhez képest az alábbi ábrához hasonlóan elhelyezkedő tárgyak megszakítják a hanghullámok útját, így a átmenő sugaras szenzorok által jól észlelhetők. Ugyanez egy diffúz sugaras szenzorral nem lehetséges, a visszavert sugár iránya túlzottan eltér a szenzor tengelyének irányától. A kimeneti állapot átkapcsolási frekvenciája nagyobb, mint a diffúz sugaras szenzoroké, elérheti a 200 Hz-et is.

33. ábra: Példa: diffúz sugaras szenzorral nehezen detektálható alakú tárgy

41


3.5 Lehetséges hibák Az érzékelő működését az alábbi faktorok befolyásolhatják: -

Légáramlatok, melyek annyira megváltoztathatják az akusztikus hullám sebességét és/vagy irányát, hogy az észlelés lehetetlenné, vagy megbízhatatlanná válik.

-

Légnyomásváltozás: ekkor az atmoszférikus nyomás ±5%-os változása a hang sebességének ±6%-os változását eredményezheti.

-

Hőmérsékletemelkedés a szenzor működési tartományában nagy mennyiségű hőt sugárzó tárgy következtében: ez különböző hőmérsékleti zónák kialakulását eredményezheti, melyek megváltoztatják a hullám terjedésének idejét, és ezáltal csökkentik a szenzor pontosságát. A hőmérséklet és a páratartalom emelkedése esetén a detektált távolság gyakran kisebb a valós távolságnál. Forró felületek kevésbé hatékonyan verik vissza az irányított hanghullámokat, mint a hideg felületek. A levegő hőmérséklete és páratartalma hatással van a hang impulzus időtartamára. A hőmérséklet 20°C-al való emelkedése a szenzor érzékelési tartományának néhány százalékos (3,5-8%) növekedéséhez vezet, így a mért távolság alábecsüli a valós távolságot.

-

Hangszigetelők. Ha a hangot elnyeli valamely anyag (vatta, textil, gumi, stb.), a szenzor érzékenysége csökken. Diffúz sugaras érzékelők esetén az érzékenység annyira lecsökkenthet, hogy lehetetlenné válik a céltárgy észlelése. Az ultrahangos érzékelők különösen a kemény, sima, a szenzor tengelyére merőleges felülettel rendelkező tárgyak detektálására alkalmasak. Bármely, a fenti követelményektől való eltérés hibás működést eredményezhet. Azaz:

-

42

A detektálandó tárgy felületének a szenzor referenciatengelyével bezárt szöge. Ha ez a szög eléri a 90°-ot, a visszavert hullám nem tér vissza a szenzor tengelye mentén, azaz csökkenti a diffúz sugaras érzékelő észlelési távolságát. Ez különösen nagyobb mérési tartományok esetén fontos, hiszen ekkor már 3°-os eltérés is az észlelés hiányához vezethet. Kisebb mérési tartományok, tiszta és kis céltárgy esetén akár 10° eltérés is megengedett.


-

Céltárgy alakja. Abban az esetben, ha a céltárgy felületéről visszavert sugár iránya nagyban eltér a szenzor tengelyének irányától, az átmenő sugaras vagy reflexiós érzékelők használata javasolt.

-

Folyadékok felülete. Az ultrahang-hullámok reflexiós együtthatója folyadékok és szilárd anyagok esetén megegyezik. Sima, hullámmentes folyadékfelületek könnyen detektálhatók.

-

Érzékelők kölcsönös interferenciája. Ha több érzékelő egymáshoz túl közel van felszerelve, az egyik szenzor által kibocsátott hullám visszhangját érzékelheti egy másik szenzor is, melynek kimeneti állapota ekkor szükségtelenül megváltozik. Ennek elkerülése érdekében tartsuk be az érzékelők közötti ajánlott minimális távolságot.

34. ábra: Azonos időben működő szenzorok közötti ajánlott minimális távolság

43


3.6 Szenzorok szinkronizálása Kettő vagy több szenzor megfelelő összekapcsolása lehetővé teszi egymás közelségében való elhelyezésüket interferencia veszélye nélkül. A szinkronizálás javasolt, ha a szenzorok azonos irányba bocsátanak ki hullámokat, és az ultrahang hullámok részlegesen átfedik egymást. Szinkronizálás esetén lehetséges, hogy a detektált tárgy az aktív szenzor és a vele szinkronizált szenzor előtt található, mégis csak az aktív szenzor kimenete változik meg. Az alábbi ábra két egymáshoz közel felállított szenzort mutat: A B érzékelőt B1 és Ax visszhang is eléri. Az A1 visszhang az A érzékelőt hamarabb éri el, mint ahogy az Ax és B1 visszhangok elérik a B érzékelőt. A szenzorok szinkronizálása érzéketlenné teszi őket az első visszhangon kívül érkező további jelekre, így más interferáló ultrahang hullámok hatása kiküszöbölhető. A szinkronizált szenzorok egy időben bocsátanak ki jelet, és egy, kiterjesztett akusztikus kúppal rendelkező érzékelőként működnek, mely ugyanazt a tárgyat detektálja.

35. ábra: Két egymáshoz közel elhelyezkedő, és azonos céltárgyat érzékelő szenzor szinkronizálása

44


3.7 Speciális ultrahangos érzékelők 3.7.1 Reflexiós érzékelők A retro reflexiós érzékelők működésének elve a detektált tárgyról és a reflektorról visszavert hanghullám visszatérési idejének különbségén alapszik. A reflektor szerepét tetszőleges kemény és sima felületű tárgy betöltheti. A detektálandó tárgyról viszszavert hanghullámnak hamarabb kell visszaérkeznie, mint a reflektorról visszavert hullámnak. Ekkor az érzékelő kimeneti állapota megváltozik. A reflexiós érzékelők bármely kemény felületről visszaverődő ultrahang-hullámot fel tudják használni. Ez különösen nehezen hozzáférhető helyek esetén előnyös. Az érzékelők alábbi ábrán látható elrendezésben egyszerre használják fel a teljes sugár megszakítás, és a visszhang reflexiójának elvét. Az ilyen szenzorok különösen alkalmasak például vatta, szivacs, textíliák észlelésére, mivel ezek nagymértékben elnyelik a hanghullámot, valamint a szenzor tengelyére nem merőleges felületek detektálására is alkalmasak.

36. ábra: Reflektált ultrahang-hullám használata elnyelő anyagok észlelésére reflexiós szenzorral 45


3.7.2 Két átalakítós érzékelők Két átalakítós érzékelők egyszerre működhetnek diffúziós sugár és reflexiós üzemmódban. Ekkor az egyik átalakító emitterként, a másik pedig ultrahang vevőként működik. Ez az elrendezés lehetővé teszi a szenzorhoz nagyon közel elhelyezkedő céltárgyak észlelését is, mivel a vevőnek nem kell megvárnia, amíg az emitter kibocsátja a jelet. A két átalakítót azonban szinkronizálni kell. A hengeres tárgyak könnyebben észlelhetők, mint a laposak. Lapos tárgyak esetén a visszhang könnyen kiléphet a vevő működési tartományából.

a)

b)

37. ábra: Két átalakítóval rendelkező szenzorok: a) diffúziós sugár üzemmód; b) reflexiós üzemmód

46


3.8 Analóg kimenetű érzékelők Az ultrahangos érzékelők nagy része mind kétállapotú, mind analóg kimenettel is rendelkezik. Ha távolság mérésére van szükség, a fezsültség vagy áram kimenetet használjuk. A kimeneti feszültség vagy áram nagysága arányos a mért távolsággal.

38. ábra: A céltárgy távolságának változása okozta kimeneti jelváltozás

47


3.9 Alkalmazások Az ultrahangos érzékelőket számos területen alkalmazzák, mivel érzéketlenek a mérési tartományban esetlegesen fellépő zavaró hatásokra és a szenzor elemeinek elszennyeződésére. Az ilyen érzékelőkkel lehetséges különböző tárgyak észlelése függetlenül -

azok anyagától (fém, műanyag, fa, karton, stb.) fizikai megjelenésétől (szilárd, folyékony, granulátum, stb.) színétől, átlátszóságának mértékétől.

Ipari alkalmazások eseten ezeket az érzékelőket használhatjuk többek között az alábbiak megfigyelésére: -

berendezés pozíciója, különböző tárgyak sora futószalagon, különböző színű folyadékok szintje tartályokban, granulátum szintje.

39. ábra: Tárgyak méretének mérése analóg kimenetű ultrahangos érzékelőkkel

48


40. ábra: Futószalag vagy huzal hibák figyelése ultrahangos érzékelővel

41. ábra: Futószalagon reflektáló és nem reflektáló tárgyak számlálása ultrahangos érzékelő segítségével

49


50


4 Fotoelektromos érzékelők 4.1 Működési elv Az optikai érzékelők optikai és elektronikai eszközök kombinációját használva jelzik a különböző objektumok – tárgyak, anyagok – jelenlétét. Tetszőleges anyagi minőségű tárgy jelenlétét érzékelik, néhány milliméteres közelségtől egészen néhány tíz méteres távolságig. A fotoelektromos érzékelők akkor reagálnak, ha a cél tárgy vagy megszakítja a kibocsátott fénysugár útját, vagy annak felületéről visszaverődik. A fényjel változásait az érzékelő a kimeneti állapotot vezérlő elektromos jelekké alakítja. A fotoelektromos érzékelők a következő fő alkotóelemekből állnak: fényforrás (1) és fény érzékelő (2), elektronikus áramkörök (3), kimeneti rendszer (4), egy vagy két LED (5), mely az érzékelő működési állapotáról ad felvilágosítást, az érzékenységet állító potenciométer (6), ház (7) és átlátszó árnyékolás 8, csatlakozó 9 (l. alábbi ábra).

8

7

5 6

2 1

3

4

42. ábra: Hengeres házú fotoelektromos érzékelő sematikus felépítése Az elektronikus áramkörök közé tartoznak az alábbiak: -

a forrás fényének modulálására szolgáló oszcillátor (3) hasznos jelet kiválasztó demodulátor (4)

51

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A szenzor további komponensei: fény adó (1), vevő (2) és egy tranzisztor (3), mint kimeneti elem. A fent felsorolt komponensek elhelyezkedhetnek egy közös, de akár két különálló házban is. Ez attól függ, hogy a céltárgy megszakítja, vagy visszaveri a fényt.

A 3

1

B

6

2

4

5

C

43. ábra: Fotoelektromos érzékelők fő szerkezeti elemei: A: átmenő sugaras érzékelő, B: retro-reflexiós érzékelő, C: diffúz sugaras érzékelő

52


4.2 Alapvető érzékelő típusok 4.2.1 Átmenő sugaras érzékelők Átmenő sugaras érzékelők esetén a fénysugár az adóból egyenesen a közös tengely mentén elhelyezett vevőbe kerül. Az ilyen érzékelők az adó és a vevő között megjelenő, és a fénysugarat megszakító tárgyakat detektálják. Nagyban érzéketlenek a külső körülményekre, pl. a porra, a lencséket elhomályosító szennyeződésekre, gőzre vagy párára. Érzékelési távolságuk ( > 50 m) a különböző típusú szenzorokat összevetve a legnagyobb. Két fő konstrukciójuk létezik: hengeres és négyzetes alakú. Az ilyen érzékelők legfontosabb tulajdonsága, hogy tetszőleges anyag esetén működnek. A felület lehet festett, áttetsző, átlátszó, érdes, sima, fémes, műanyag, vagy szinte bármi más. A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől függ. Az érzékelő jelez, ha a céltárgy a sugár legalább 50%-át kitakarja.

44. ábra: Fénysugár, az adó és a vevő látómezeje

53


4.2.2 Retro-reflexiós érzékelők A retro-reflexiós érzékelők esetén az adó és a vevő egy házban helyezkedik el. A fény vevőbe való visszaterelésére reflektort használunk. A fénysugár felé haladó tárgy a sugarat megszakítja, és kimeneti jelet generál. Az átlagos, polarizációs szűrő nélküli retro-reflexiós érzékelők az infravörös, a polarizációs szűrővel rendelkező modellek pedig a látható (általában vörös) tartományban működnek. Az ilyen érzékelők előnye nagy hatótávolságuk (kb. 12 m-ig) és a céltárgy felületi minőségével és színével szembeni érzéketlenségük. Ezen érzékelők használatához speciális reflektorra vagy felragasztható visszaverő lapokra van szükség. A közönséges tükörtől és más lapos visszaverő felületektől eltérően a reflektorokat nem kell az érzékelőhöz képest pontosan derékszögben elhelyezni, tehát néhány fokos pozicionálási hiba még nem befolyásolja az érzékelő működését. A retro-reflexió kétdimenziós elve térbeli rendszerekre is kibővíthető, itt három egymással kölcsönösen derékszöget bezáró tükröt alkalmazunk. A rendszerbe belépő fénysugarat mindhárom tükör teljességében visszaveri, majd a beeső fénysugárral párhuzamosan lép ki. A retro-reflexiós érzékelők reflektor felületet általában tripla tükrös. A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől függ.

a)

b)

45. ábra: a) reflektorok; b) felragasztható visszaverő lapok

54


4.2.3 Diffúz sugaras érzékelők A diffúz sugaras érzékelőket gyakran reflexiós vagy közelítő érzékelőknek is nevezzük, és a céltárgyak közvetlen detektálására használatosak. Amellett, hogy az adó és a vevő egy házban helyezkedik el további előnye, hogy nincs szükség reflektora. Az adó fénysugarat bocsát ki, melyet a céltárgy viszszaver, és az így visszatér a vevőbe, és kimeneti jelet generál. A diffúz sugaras érzékelők működési tartománya relatív kicsi (kb. 100 mm-ig, ritkán 200 mm-ig). A nagyobb távolságban elhelyezkedő tárgyakat (vagy a hátteret) már nem tudják detektálni. A működési távolság bizonyos mértékben függ a céltárgy színétől és felületének minőségétől. A céltárgy tulajdonságaitól függően annak reflexiós tényezője széles skálán mozoghat. Fényes felületek még nagyobb távolságból is a fénysugár nagy részét visszaverik, azonban a megfelelő tárgy érzékelése okozhat problémákat. A diffúz sugaras érzékelők működési távolságának meghatározására kalibrált diffúz tárgyfelületet, azaz pl. egy fehér papírlapot, vagy Kodak papírt (mely a fénysugár kb. 90%-át visszaveri) használunk.

55


4.3 Interferencia kiküszöbölése Működési elvükből kifolyólag a fotoelektromos érzékelők érzékenyek a természetes és mesterséges külső források által keltett interferenciával szemben. Külső forrásból származó fénysugarak nagyban befolyásolhatják az emitter által generált fényáram erősségét, mely a szenzor hibás működéséhez vezet. Ennek kiküszöbölése érdekében a szenzorok rendelkeznek olyan belső áramkörökkel, melyek kivágják az ilyen interferenciát és más zajokat is, valamint az érzékenységet is behangolják. A környezeti szennyezés, pl. a detektálandó céltárgy felületén és a szenzor lencséin lerakódó olaj és por tovább erősítheti az interferenciából adódó problémákat. Az alábbi ábra néhány jellegzetes mesterséges fényforrás spektrumát ábrázolja. A diffúz sugaras érzékelők a legérzékenyebbek a természetes forrásból származó állandó intenzitású fényből vagy a természetes fény spektrumához hasonló mesterséges fényforrások fényéből származó interferenciára, de a változó intenzitású fényforrásokra (villogó fények) is.

56


4.3.1 Fénymoduláció A fotoelektromos érzékelők modulált fényt használnak, így relatív érzéketlenek a környezet fényviszonyaival szemben. A moduláció azt jelenti, hogy az adó fényforrása csak rövid, az impulzusok közötti szünetnél rövidebb időre kapcsol be. Az ily módon modulált fény frekvenciája a néhány kHz-es tartományban van. Ennek ellenére, ha az adó és a külső forrás hasonló frekvenciával működnek, interferencia léphet fel. A modulált fény használatának számos előnye van: -

az érzékelő kevésbé érzékeny a környezet fényeire, nő a szenzor érzékelési távolsága, csökken a keletkező hulladékhő mennyisége, ezzel nő a LED-ek élettartama

A LED adók és vevők az emittált sugár és a vevő látómezejének szűkítésére optikai lencsékkel vannak felszerelve, így korlátozható a szenzor válaszadási tartománya mely csökkenti a tartományon kívüli háttértárgyakról való reflexió valószínűségét. Ezzel egy időben a fény fókuszálásával nagymértékben növelhető az adó és a vevő vagy a fényt visszaverő felület közötti távolság. Vannak olyan alkalmazások is, ahol széles látómezőre és kis érzékelési távolságra van szükség., ekkor a foto-optikai elemeket lencsék nélkül (mindössze egy sík, átlátszó ablakkal) használják.

46. ábra: Adó feszültségmodulálása

57


4.3.2 Fénypolarizáció A retro-reflexiv érzékelők alaptípusának kimeneti rendszere hibás választ generálhat, ha látóterében fénylő tárgy jelenik meg. A céltárgyról visszavert sugár és más fények megkülönböztetése érdekében szükség lehet polarizált fény használatára. A polarizáció a fényhullám rezgéseinek részleges vagy teljes rendezése. Ha a fény nem polarizált, az elektromos és mágneses mezők különböző irányokba mozoghatnak. Ezzel szemben a polarizált fény csak egy irányba rezeg. A természetes, valamint a LED-ek által kibocsátott fény is polarizálatlan. Azonban ha a fény egy polarizációs szűrőn halad keresztül, a sugárnak csak a szűrő polarizációjának megfelelő polarizáltságú része marad meg. A következő ábra a fény egy vízszintes polarizáltságú szűrőn történő áthaladását szemlélteti. Ha ezután a sugár útjába egy függőleges polarizáltságú szűrőt helyezünk, egyáltalán nem halad át rajta fény, hiszen az előző szűrést követően a maradék fénysugárnak ilyen komponense már nincsen. A diffúz (diszperziós) visszaverődés megszünteti a polarizációt, és a függőleges polarizáltságú szűrőn áthaladó maradék kis nyalábrész energiája kicsi, és általában már nem elegendő a felületről visszaverődő fény detektálásához. Ezzel ellentétben egy tükör felületéről való visszaverődés során a polarizáció megmarad, és a fény útjába helyezett függőleges polarizáltságú szűrő nem engedi át a sugarat. A fenti két jelenségnek köszönhetően a polarizált fény reflektoros retro-reflexív érzékelők esetén kiválóan használható. A megfelelő szűrők kiválasztásával és elhelyezésével a tükröző felületekről érkező sugarak általkeltett interferencia elkerülhető, az átlátszó tárgyak pedig felismerhetők. A polarizációs szűrők általában polimer fóliákból készülnek.

58


47. ábra: Fény polarizációja szűrők segítségével: a) fény kioltása két szűrővel; b) polarizált fény visszaverődése diffúz felületről; c) polarizált fény visszaverődése tükröző felületről 59


4.4 Működési többlet Külső hatások, pl. az érzékelő optikájának elszennyeződése, a céltárgy reflexiós együtthatójának változása vagy az emitter öregedése következtében a fotoelektromos érzékelőre beeső fény mennyisége csökkenhet, mely a kimeneti jel szintjének csökkenéséhez vezet. Ekkor előfordulhat, hogy a jelszint túl alacsony a kimeneti állapot átváltásához, tehát a szenzor helytelenül működik. Ennek elkerülése érdekében egy bizonyos jelszint feleslegnek, azaz működési többletnek kell rendelkezésre állnia. Ha a vevőt nem éri fény, a működési tartomány nullával egyenlő. Az 1-el egyenlő működési tartomány annak a helyzetnek felel meg, amikor a szenzorra beeső fény mennyisége elegendő a kimeneti állapot KI-ről BE-re kapcsolásához. Annak érdekében, hogy a rendszerben legyen egy bizonyos tartalék, a tartomány nagyobb 1-nél, így a beeső fény mennyisége meghaladja az átkapcsoláshoz minimálisan szükséges fény mennyiségét. Működési többlet =

érzékelt fény mennyisége átkapcsoláshoz szükséges mennyiség

48. ábra: A fotoelektromos érzékelő védett működési tartománya, és a működési többlet kapcsolata

60

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Ha a fotoelektromos érzékelő működésének körülményei ismertek, a fenti képletből kiszámított működési többlet biztosítja a megfelelő működést a beeső fénysugár csillapodása esetén is. Minél több a fényfelesleg, annál megbízhatóbb a szenzor működése. Olyan alkalmazások esetén, ahol előfordulhat, hogy a beeső fény mennyisége csökken, nagy működési tartalék használata ajánlott. Még tiszta levegő esetén, és ha a lencsék elszennyeződésének valószínűsége minimális is, a működési tartalék legyen legalább 1.5. Kiemelkedően szennyezett környezetben, ahol a lencsék tisztításának lehetősége korlátozott, a tartalék legyen legalább 50-szeres. A szenzor fényfelesleg érzékelő áramköre, mely például tartalmazhat egy villogó diódát, jelzi az instabil működési körülményeket, azaz jelzi, ha a beeső fény mennyisége nem elegendő. Diffúz sugaras érzékelők esetén a kimeneti áramkör BE- illetve KI-kapcsolásához különböző jelszintek tatoznak, azaz hiszterézis lép fel. Az érzékelő érzékelési távolsága mindig a BE-kapcsoláshoz szükséges jelszintre vonatkozik. A hiszterézis az érzékelő céltárgytól való távolságával nő.

49. ábra: Diffúz sugaras érzékelő kapcsolási hiszterézise

61


4.5 Működési távolság A fotoelektromos érzékelők egy fontos tulajdonsága a működési távolság, melyet a maximális érzékelési távolság határoz meg. Átmenő sugaras érzékelők esetén ez az adó és a vevő, retro-reflexiós érzékelők esetén a szenzor és a reflektor, diffúz sugaras érzékelők esetén pedig a szenzor és a céltárgy közötti maximális távolság. Ez a távolság minden esetben megegyezik a maximális hasznos érzékelési távolsággal. A retro-reflexiós és a diffúz sugaras érzékelők működéséből adódóan, mivel az adó és a vevő egy házban helyezkedik el, ezen szenzorok esetén létezik egy minimális érzékelési távolság is, mely alatt a céltárgy már nem detektálható.

50. ábra: Interferenciás és diffúz sugaras érzékelők minimális érzékelési távolsága

62


4.6 Válaszadási idő Kicsi, vagy mozgó tárgyak detektálása esetén a fotoelektromos érzékelő válaszadási ideje (a KI és BE állapotok közötti váltás ideje) lényegbevágó lehet. A válaszadási idő a fénysugár az adó és a vevő közötti megjelenésének pillanatától egészen a kimeneti állapot megváltozásáig számítandó. A céltárgy eltávozását követően a kimeneti állapot megváltozásáig eltelő időt „elengedési idő”-nek nevezzük. Ez nem mindig egyezik meg a válaszadási idővel. Adott érzékelőkre a maximális válaszadási/elengedési időt a specifikáció tartalmazza, azonban elkerülhetetlen az ezen értéktől való kisebb eltérés, hiszen az emitter fénypulzusokat bocsát ki, melyek frekvenciája nem szinkronizálható a céltárgy mozgásával. A válaszadási idő ismeretében meghatározható, hogy a céltárgynak mennyi ideig kell az érzékelő látómezejében maradnia, hogy a szenzor érzékelni tudja, azaz mekkora lehet a céltárgy maximális sebessége, illetve mennyi hely legyen az egymást követő tárgyak között. Céltárgy az észlelési mezön belül =

Céltárgy szélessége Céltárgy sebessége

Az így meghatározott időnek meg kell haladnia a katalógusban szereplő válaszadási időt, különben a szenzor a céltárgyat nem detektálja. Ha a céltárgyak közötti távolság kisebb a tárgyak szélességénél, az üres helynek a szenzor látómezejében eltöltött ideje: Szünet az észlelési mezön belül =

Szünet szélessége Céltárgy sebessége

Az így meghatározott időnek is meg kell haladnia a katalógusban szereplő válaszadási időt.

63


4.7 Speciális érzékelők 4.7.1 Retro-reflexiós polarizált érzékelő A polarizációt felhasználó retro-reflexiós érzékelők esetén az emitter fényét egy lencse fókuszálja, majd a fény egy vízszintes polarizációs szűrőn keresztül egy tripla tükrös reflektorra érkezik. A tripla tükrös reflektorok egy fontos tulajdonsága, hogy a fény polarizációs síkját 90°-al elforgatják. A reflektorról visszavert fény egy része a vevőt egy másik függőleges polarizációs szűrőn keresztül éri el. A szűrők úgy vannak beállítva és elhelyezve, hogy csak a reflektorról, és nem a környező tárgyakról visszavert fény éri el a vevőt. Polarizált fényű érzékelők esetén az emittált fény intenzitása mindig csökken, mivel a polarizációs szűrő a fény egy részét eltávolítja. Ennek eredményeképpen az ilyen érzékelők érzékelési távolsága 30-40%-al rövidebb, mint a standard retro-reflexiós érzékelőké. Fényforrásként általában vörös fényű LED-eket használunk.

51. ábra: Retro-reflexiós polarizált érzékelő tripla tükrös reflektorral

64


4.7.2 Diffúz sugaras érzékelők elő- és háttér elnyomással Több diffúz sugaras érzékelő típus esetén is megadható a minimális és maximális érzékelési távolság. Ennek semmi köze a szenzor érzékenységéhez, és a vevő lencséinek beállításával vagy a kiegészítő tükrök szögének megváltoztatásával eszközölhető. Ez a lehetőség különösen hasznos, ha detektálandó tárgy mögött egy erősen visszaverő tárgy helyezkedik el, mely zavarhatná a céltárgy felismerését. Ezt a hatást a maximális észlelési távolság rövidebbre állításával küszöbölhetjük ki. Ekkor csak a beállított távolságnál közelebb elhelyezkedő tárgyat érzékeljük (háttér elnyomása).

52. ábra: Aktív terület korlátozása az adó és a vevő optikai tengelyeinek metszete hatására

65

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A háttér elnyomásának hatékonyabb módja annak elektronikus kivitelezése, amikor az érzékelő „látja” a hátteret, azonban ignorálja. Példa erre lehet egy két vevős diffúz sugaras érzékelő, vagy egy CCD kamerával vagy PSD átalakítóval felszerelt triangulációs érzékelő. Az első esetben a céltárgy felismerése a beeső fényerők összehasonlításán, míg a második esetben a szenzor-céltárgy távolság mérésén majd ennek a megadott távolsággal való összehasonlításán alapszik. Az elektronikus háttér elnyomással rendelkező érzékelők az alábbi három üzemmód egyikében működhetnek: - Az észlelési tartományon kívül elhelyezkedő tárgy (Tárgy 3) elleni védelem (háttér elnyomás) - Az észlelési tartomány előtt elhelyezkedő tárgy (Tárgy 2) elleni védelem (előtér elnyomás) - Csak a definiált tartományon belüli tárgy (Tárgy 1) észlelése (ablak funkció) Egy olyan tárgy esetén, mely - Lmin-nél közelebb helyezkedik el, a szenzor a detekciós tartomány előtt kibocsátott fénysugarak hatását nyomja el - Lmax-nál távolabb helyezkedik el, a szenzor a detekciós tartomány után kibocsátott fénysugarak hatását nyomja el - Lmin-nél közelebb, de Lmax-nál távolabb helyezkedik el, a szenzor a detekciós tartomány előtt és után kibocsátott fénysugarak hatását nyomja el. A triangulációs érzékelő optikai rendszerének köszönhetően a lézer dióda által kibocsátott fényimpulzus egy fókuszált, szinte párhuzamos fénynyaláb. Amikor pályája találkozik Tárgy 1-el, diffúz reflexió következik be, a visszavert fény egy része pedig az egy házban elhelyezkedő pozícióérzékeny szerkezetre (PSD) vagy a CCD kamerára esik. Tárgy 1 távolságától függően a fény a PSD/CCD egy adott pontjára érkezik. Az elemző áramkör a kapott jelet összehasonlítja a korábban beállított működési távolsággal (melyet a beépített potenciométer segítségével adhatunk meg), majd ha a tárgy a megadott távolságon belül helyezkedik el, átkapcsolja a szenzor kimenetét. A közönséges diffúz sugaras érzékelőkkel ellentétben az érzékelési távolság alig függ a céltárgy méretétől, színétől, vagy felületének minőségétől. Ezek az érzékelők gyakorlatilag nem helyettesíthetők más szenzorokkal, ha a hát- vagy előtérhez közel mozgó tárgyak, illetve nem áttetsző folyadékok detektálására van szükség. 66


A háttér elnyomással rendelkező diffúz sugaras érzékelők sötét és világos tárgyakat egyformán jól érzékelnek. Az alábbi ábra a jelentősen eltérő színű tárgyak érzékelési távolságát mutatja. Ebben az esetben a háttér elnyomással rendelkező retro-reflexiós érzékelő érzékelési távolsága fekete papír esetén csekély mértékben kisebb. A LED fényforrások és vevők optikai lencsékkel vannak felszerelve, melyek lehetővé teszik az emittált fénysugár és a vevő látómezejének szűkítését is. Ez korlátozza a szenzor érzékelési tartományát, és ezáltal csökkenti a tartományon kívül elhelyezkedő tárgyakról való reflexiókkal való interferencia lehetőségét. Ezzel egyidejűleg a fény fókuszálása számottevően megnöveli a maximális adó-vevő és adó-reflektor távolságot is. Vannak azonban olyan alkalmazások is, ahol széles látómezőre és kis érzékelési távolságra van szükség, ekkor a fotooptikai elemeket lencsék nélkül (mindössze egy sík, átlátszó ablakkal) használják.

53. ábra: Triangulációs érzékelő elektronikus háttér elnyomással

67


4.7.3 Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelők Az autokollimáció a divergens fény automatikus párhuzamosítása. Ekkor kis sugár átmérő esetén is elég fény jut el a vevőbe. Az autokollimáció lehetővé teszi átlátszó, vagy a szenzorhoz nagyon közel (a standard szenzorok holt terében) elhelyezkedő tárgyak felismerését is. Az autokollimációs elven működő retro-reflexiós érzékelők azt a tényt használják fel, hogy az adó és a vevő csatorna optikai tengelye megegyezik. Ez lehetséges, hiszen a vevő csatornában haladó fényt eltereli egy félig áteresztő tükör, így ez a vevőt az adóhoz képest 90°-al elfordulva éri el. Az ilyen érzékelők különösen reflektorfóliákkal működnek jól.

54. ábra: Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelő

68


4.7.4 Optikai szálas érzékelők 4.7.4.1 Optikai szálak Az optikai szálak elektromágneses hullámok fényhullám, vagy ahhoz közeli frekvenciával való továbbítására szolgálnak. A legegyszerűbb optikai szál konstrukció egy lapos végű üveg vagy műanyag rúd (ez alkotja a magot), melyet egy alacsonyabb törésmutatójú üveg vagy műanyag vesz körül. Az ilyen optikai szál a teljes belső reflexió jelenségét használja ki, mely két különböző törésmutatójú közeg határán léphet fel. A teljes belső reflexió azt jelenti, hogy a határfelületről a fénysugár energiájának 100%-a visszaverődik az optikai szálba. A fénysugár a határfelületről csak akkor verődik vissza, ha nagyobb törésmutatójú közegből halad a kisebb felé. Ezen túl is csak azok a sugarak haladnak tovább, melyek a szál elejét a kritikus szögnél kisebb szögben érik el. A kritikus szöget a köpeny és a mag törésmutatói határozzák meg.

55. ábra: Fény terjedése optikai szál magjában

69

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Ekkor, elméletileg, a visszaverődés nem csökkenti a fény energiáját. Azonban mind a magban, mind a köpenyben előfordulhatnak szennyeződések, kisebb hibák, melyek veszteségeket okoznak, mely csökkenti a szálak átviteli távolságát. Az optikai szálak magjának átmérője 5 µm-től (kvarc esetén) kb. 1 mm-ig (üveg esetén) terjed. A kis átmérők használatának köszönhetően az optikai szálak nagyon rugalmasak, és szinte tetszőlegesen hajlíthatók. Optikai szálas kábelek egy, két vagy akár több optikai szálat is tartalmazhatnak. Az üveg száloptikai kábelek tartósabbak, mint műanyag társaik – alapvetően kb. 250°C-ig használhatók (a műanyag kábelek csak 70°C-ig). Azonban a műanyag száloptikák erősebbek, olcsóbbak, és egyszerűen méretre vághatók. Az üveg optikai szálak mind látható, mind infravörös sugárzást továbbítani tudnak, ezzel szemben a műanyag szálak infravörös fény továbbításának hatásfoka alacsony. Ennél fogva az üveg optikai szálakat látható és infravörös fény továbbítására is használhatjuk, a műanyag szálak pedig csak látható fény vezetésére alkalmasak. A száloptikai kábelek a szereléshez hengeres fém fejjel, vagy egy bifurkátorral vannak ellátva. A száloptikai kábelek két típusa létezik: átmenő sugaras és bifurkált. Az átmenő sugaras kábelek egy magúk, a bifurkáltak pedig vagy dupla, vagy több maggal is rendelkeznek.

56. ábra: Száloptikai kábelek típusai: a) átmenő sugaras; b) bifurkált

70


4.7.4.2 Működési elv Az optikai szálas fotoelektromos érzékelők működési elve megegyezik a többi fotoelektromos érzékelő működésének elvével, kivéve, hogy az emittált és a fogadott fény is optikai szálon keresztül kerül továbbításra. A szál vége nagyon kicsi (néhány mm-es), így nehezen hozzáférhető helyeken, távol az érzékelő opto-elektronikus áramköreitől, önálló erősítővel is elhelyezhető. Az átmenő sugaras érzékelő esetén két optikai szál helyezkedik el egymással szemben, melyek között fény halad. Ha ezt a sugarat valami megszakítja, a szenzor eseményt, azaz tárgy észlelését jelzi. A bifurkált kábelek esetén az egyik oldalon két csomag kábel helyezkedik el, melyek az érzékelő fej szerepét töltik be. Az egyik köteg kábel a kibocsátott sugár továbbításáért felelős, mely a másik kötegen keresztül tér vissza a vevőbe. A detektor akkor észlel tárgyat, ha az visszaveri a fényt.

57. ábra: Száloptikai kábeles érzékelők típusai: a) átmenő sugaras; b) diffúz sugaras

71

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A szál végének kis mérete apró tárgyak észlelését is lehetővé teszi, valamint a kábel olyan helyekre is elvezethető és felszerelhető, ahova más érzékelőt nem tudnánk eljuttatni. Az optikai szálas érzékelők használhatók robbanásveszélyes területeken, vagy folyadékokban is. Nagyon ellenállóak a mechanikai behatásokkal szemben, és a vibrációra is érzéketlenek, így mozgó gépekre is felszerelhetők. Száloptikás kábelekkel felszerelt érzékelők esetén a fényforrás vörös vagy infravörös LED lehet, a kábel tipikus külső átmérője 2,2 mm, hossza kevesebb, mint 2 m.

72


4.8 Csatlakozástechnika 4.8.1 Csatlakozási típusok A fotoelektromos érzékelők az alábbi két működési mód egyikében üzemelhetnek: -

sötét világos

Sötét üzemmódban az érzékelő kimeneti kapcsolója BE állapotban van, ha az adó fénye nem éri el a vevőt. Ez az induktív és kapacitív érzékelők alapállapotban nyitott kimeneti állapotának felel meg. A világos üzemmódban a kimenet akkor aktív, ha az adó fénye nem éri el a vevőt. Ez az induktív és kapacitív érzékelők alapállapotban zárt kimeneti állapotának felel meg.

4.8.2 Kimenet átváltása Minden fotoelektromos érzékelő saját karakterisztikus kimeneti állapotot kapcsoló zónával rendelkezik, mely mérete és alakja függ az adó által küldött fénysugár átmérőjétől, és a detektálandó céltárgy szenzortól való távolságától. Átmenő sugaras érzékelők esetén az adó-vevő távolság kritikus. A kimeneti állapot átkapcsolásához a detektálandó tárgynak vagy az adónak a kapcsolási zónán belül kell elhelyezkednie. A szenzorhoz vagy az adóhoz képest mozgó tárgyra vonatkozó kapcsolási zónát válasz diagramm formájában ábrázolhatjuk.

58. ábra: Tipikus válasz diagram átmenő sugaras érzékelők esetén

73

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Minden érzékelő fontos tulajdonsága a maximális kapcsolási frekvencia – a másodpercenkénti maximálisan lehetséges kimeneti állapot átkapcsolás, melyet Hz-ben adunk meg. A fotoelektromos érzékelők kapcsolási frekvenciáját válaszadási és/vagy elengedési idejükből számítjuk, melyet az érzékelő gyártója ad meg. A maximális kapcsolási frekvencia fmax számításakor feltételezzük, hogy a válaszadási és az elengedési idő megegyezik.

fmax =

10 3 válaszadási idő + elengedési idő

Ekkor fmax-ot Hz-ben, a válaszadási és elengedési időket pedig ms-ban adjuk meg.

74


4.9 Alkalmazások

59. ábra: Szalag belógásának ellenőrzése fotoelektromos érzékelő segítségével

60. ábra: Fényes elemek felismerése retro-reflexiós érzékelők segítségével

75


61. ábra: Folyadék szintjének ellenőrzése tartályban retro-reflexiós polarizációs érzékelő segítségével

62. ábra: Szerszám törésének felismerése optikai szálas, átmenő sugaras érzékelővel

76


5 Mágneses érzékelők 5.1 Alapok A mágneses érzékelők főként olyan tárgyak detektálására alkalmasak, melyeket el tudunk látni egy-egy mágnessel. Tipikusan ilyenek az ipari vezérlők, melyek zárt típusúak, változó burkolatúak és kis méreteik ellenére széles tartományban működnek. A mágneses érzékelők alaptípusai nem igényelnek tápfeszültséget, közvetlenül rácsatlakoztathatók a meghajtó bemenetekre, de a berendezések irányítását végezhetik attól függetlenül is. Az ilyen szenzorok egy további előnye az alkalmazható átváltási feszültségek és áramszintek széles tartománya, mely akár 1000 V és néhány A fölé is mehet. Az érzékelők általában a detektálandó tárgyakhoz kapcsolódó szilárd mágnesek mágneses mezejére reagálnak. Maguk a tárgyak szinte tetszőleges anyagúak lehetnek, azonban a nem ferromágneses anyagok a szenzor magasabb működési tartománya miatt jobban megfelelnek. A mágneses mezőre reagáló elem lehet például egy hermetikus elektromos csatoló (reed-relé), valamely félvezető elem (hallotron), egy mágneses ellenállás vagy valamely speciális mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyag. A mágneses mező a legtöbb nem mágneses anyagon áthatol, így a tárgyak detektálása még diamagnetikus akadályok, pl. a detektálandó tárgy és a szenzor között elhelyezkedő műanyag csövek, vagy konténer falak esetén is lehetséges. A mágneses közelítéskapcsolókat egy az X vagy Y irányból közeledő mágnes aktiválja.

63. ábra: Mágneses közelítéskapcsoló felépítése

77


5.2 Hiszterézis Külső mágneses mezőbe helyezett ferromágneses anyagok a mágnese mező irányától függően magnetizálódnak, illetve de-magnetizálódnak. Ez a jelenség hiszterézises, a hiszterézis alakja a ferromágneses anyag tulajdonságaitól függ. A széles, elhúzódó hiszterézis görbe az anyag nehéz de-magnetizálhatóságára utal. Az ilyen ferromágneses anyagokat kemény ferromágneses anyagoknak nevezzük, ezeket permanens mágnesként használhatjuk. Ilyen anyagok például a Fe-Co, Ni-Co ötvözetek és a kemény ferritek. A lágy ferromágneses anyagok (keskeny hiszterézis görbe) mágneses magnak alkalmasak, melyeknek gyorsan kell magnetizálódniuk és de-magnetizálódniuk. Ilyenek például a vas, a Fe-Si, Fe-Al ötvözetek és a lágy amorf ötvözetek. Az anyagok fent tárgyalt mágneses tulajdonságai, és külső mágneses térben való viselkedésük teszi lehetővé a mágneses érzékelők létrehozását. Vákuumban a mágneses mezőt a mágneses indukció vektorral (B0) jellemezzük. Egy adott anyag B mágneses indukcióját az alábbi képlet alapján számítjuk: B = µr ⋅ B0

64. ábra: Ferromágneses anyagok mágneses hiszterézis görbéi: a) kemény; b) lágy

78


5.3 Hall effektus A Hall-effektus az az Edwin Hall által 1879-ben felfedezett jelenség, mely szerint, ha egy vezetőben áram folyik, és azt mágneses térbe helyezzük, akkor az elektronokra Lorentz-erő hat, ami azzal jár, hogy a vezető két oldalán feszültségkülönbség keletkezik. Ezt a feszültséget Hall-feszültségnek nevezik (VH). A kialakuló mágneses mező merőleges mind az eredeti B mágneses mezőre, mind pedig az Ic áram irányára, és a legerősebben akkor lép fel, ha a külső (eredeti) mágneses tér merőleges az áram haladásának irányára. Az alábbi ábrán látható lemez esetén: VH = RH ⋅ B ⋅ IC / d, ahol: RH d

Hall állandó (mely az energiahordozók mobilitását adja meg) lemez vastagsága

Gyakorlati alkalmazások esetén igen magas VH feszültség szükséges. Ez megoldható, ha nagyon vékony, nagy elektronmobilitású anyagból készült lemezt alkalmazunk. Ilyen anyag kizárólag vékonyréteg technikával előállított félvezető lehet (kb. 0,1 mm vastagságú anyagok). Ezek a félvezetők általában InSb, InGaAs, Si, vagy GaAs típusúak. A VH feszültség értéke emelhető lenne a lemezen átfolyó áram értékének növelésével, azonban ezt erősen korlátozza a lemezben disszipálható energia mennyisége, mely elsősorban a lemez alakjától és kialakításától függ. A Hall effektust manapság számos területen, többek között mágneses érzékelőként is alkalmazzák.

65. ábra:

Hall effektus

79


5.4 Magnetorezisztív hatás A magnetorezisztorok anizotróp félvezető elemek, melyek ellenállása nagymértékben függ a külső mágneses tértől. Ezeket az elemeket vékony ferromágneses permalloy (20% Fe, 80% Ni) csíkokból készítik. A félvezető anyag magnetorezisztanciájának növekedése a külső mágneses tér (H) eredménye, mely α szöggel megváltoztatja az I áram haladásának irányát. Ez megnöveli az elektromos töltéshordozók útját, mely a félvezető anyag ellenállásának növekedésével egyenértékű. Az elfordulás szöge a mágneses mező intenzitásának növekedésével nő. Ezt a jelenséget magnetorezisztív effektusnak nevezik. Különböző anyagok különbözőképpen reagálnak a fenti hatásra: fémekben gyakorlatilag nem létezik, félvezetőkben pedig különböző mértékben van jelen. Az áram útjában elhelyezett arany és alumínium elektródák megváltoztatják annak útját, ennek eredményeképpen pedig az α szög, a töltéshordozók útja és így az RM ellenállás tovább növekszik. A mágneses mező kikapcsolása után a félvezető ellenállása ismét eredeti értékét (RM0) veszi fel. A H mágneses mező intenzitásából származó α szög és a félvezető RM ellenállása közötti kapcsolat lehetővé teszi a mágneses tárgyak mágneses érzékelőkkel való detektálását.

Permalloy

66. ábra: 80

Magnetorezisztív hatás


5.5 Wiegand effektus A Wiegand effektus a külső mágneses tér változásainak eredményeképpen egy egyedi mágneses tulajdonságokkal (impulzus vezető) rendelkező ferromágneses vezetőre feltekert tekercs meneteiben létrejövő elektromos impulzus. Az „impulzus vezetők” kb. 0,3 mm átmérőjű ferromágneses anyagból készülnek, melyeket a megfelelő feszültségállapot létrehozása érdekében hidegen többszörösen megcsavarnak. Ez a kobalt, vas és vanádium ötvözetéből készült vezető két mágneses tulajdonságok szempontjából eltérő tartománnyal rendelkezik: ez a mag és a köpeny. A mag lágy (keskeny hiszterézis), míg a köpeny kemény (széles hiszterézis) mágneses tulajdonságú. A két eltérő mágneses tulajdonságú rész a külső mágneses mező változásaira különbözőképpen válaszol. A lágy mágneses magban a mágnesezettség iránya gyorsabban változik, mint a kemény mágneses köpeny esetén. Amikor a mágneses mező változása változatlan köpeny mágnesezettsége mellett a lágy magban a mágnesezettség változását eredményezi, az impulzus vezető köré tekert tekercsben egy rövid (10-20 µs) elektromos impulzus jön létre. A feszültség-impulzus amplitúdója közel független a mágneses mező irányváltozásának sebességétől. A mágnesezettség irányának megváltoztatásához a mag esetén átlagosan háromszor gyengébb mágnese mezőre van szükség, mint a köpeny esetén. Ezt a Wiegand effektus néven ismert jelenséget mozgó vagy forgó tárgyak mágneses érzékelőkkel való detektálásakor használják.

67. ábra:

Wiegand effektus: a) impulzus vezető tekerccsel; b) feszültség-impulzus a külső mágneses mező irányának megváltozása előtt és után 81


5.6 Reed kapcsolós mágneses érzékelők Ezen érzékelő működésének elve, hogy a reed kapcsoló közeledő mágnesekre reagál. A mágnes által keltett mágneses mezőben a reed kapcsoló érintkezői mágneseződnek, majd amint a két kontaktus közötti vonzó erő meghaladja a rugalmas mechanikai erőt, az érzékelő állapota megváltozik, az áramkör zár. Amint a mágneses mező eltűnik az érzékelő működési tartományából, a kontaktusokat egymáshoz vonzó erő megszűnik, és a rugalmas erő következtében az érzékelők eltávolodnak egymástól, az áramkör ismét kinyit. A reed kapcsolós érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. A reed kapcsoló kontaktusai, ha nincs a közelükben mágneses mező, típustól függően alapesetben nyitottak (NO) vagy a két lehetséges állapot NO vagy NC (alapállapotban zárt) egyikében találhatók. Minden mágnes mágneses teret kelt, melynek intenzitása a mágnes anyagi tulajdonságaitól és méretétől függ. Ez a mágneses mező határozza meg az érzékelő maximális működési távolságát (Smax).

ON ON

OFF OFF

b)

68. ábra:

82

S S

N

KIMENET

N

a)

H Smax

Reed kapcsolós mágneses érzékelő; a) érzékelő és kimeneti állapotai sematikus ábrázolása; b) működési távolság: Smax, H: hiszterézis

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A mágneses mező vonzásának nagysága az érzékelő longitudinális és transzverzális felület közötti távolságtól függ. A reed érzékelő működési karakterisztikájának megfelelően egy mágnes a reed érzékelő tengelyével párhuzamos tengely mentén való elhaladásakor három BE (ON) állapotú kimeneti zónának kell léteznie. A mágnes és az érzékelő egymáshoz képesti megfelelő elhelyezkedése esetén egy illetve két átkapcsolási zónával rendelkező érzékelőt kaphatunk. Minden esetben azonban a mágnes y-irányú közeledése vagy távolodása esetén csak egy KI (OFF)-BE (ON) vagy BE (ON)-KI (OFF) váltás történik. A mágneses reed érzékelők a legkülönbözőbb házakban, foglalatokban helyezkedhetnek el, a spektrum a legegyszerűbbtől (hengeres, prizmás) a komplex geometriai formákig terjed. A ház alakját az adott alkalmazás, azaz a mágnes várható mozgása határozza meg. Léteznek érzékelők, ahol a mágnes mindössze a szenzor előlapja előtt haladhat el, azonban léteznek olyanok is, ahol az érzékelő oldala menti mozgás is észlelhető.

S

N S N S N

69. ábra:

Reed kapcsolós mágneses érzékelő átváltási tartományai a mágnes helyzetétől és orientációjától függően 83


5.7 Hall effektuson alapuló mágneses érzékelők A Hall effektuson alapuló érzékelők a félvezetőkben fellépő Hall effektust használják ki, kimeneti állapotuk a külső mágneses mező függvényében változik, mely a szenzorban az UH Hall feszültséget hozza létre. Az érzékelőt DC tápfeszültség működteti, mely átfolyik a félvezető lapkán (hallotron). Amíg a mágnes kívül esik a szenzor érzékelési tartományán, a feszültség akadály nélkül haladhat át a hallotronon, mely szélei közötti potenciálkülönbség ekkor nulla (V=0). Amint a mágnes belép az érzékelési tartományba, mágneses mezeje következtében a hallotron szélein Hall feszültség lép fel (V=VH). Ez a feszültség a mérési jel, mely az érzékelő kimeneti tranzisztorát vezérli. Az érzékelők általában három vezetékesek, melyeket 5 V és 30 V közötti DC feszültség lát el. A kimeneti állapot maximális átváltási frekvenciája magas, meghaladhatja a 300 Hz-et is. A szenzoron átfolyó maximális áram általában 1 A alatti. Az érzékelőket gyakran omnipoláris kivitelben gyártják, azaz a mágneses mező tetszőleges polarizációjára reagálnak, de lehetséges unipoláris (csak egy polarizációs irányra válaszol) vagy bipoláris (a kikapcsolást az ellentétes pólus megjelenése indítja) változat is.

70. ábra:

84

Hall effektuson alapuló mágneses érzékelő


5.8 Speciális mágneses érzékelők 5.8.1 Magnetorezisztív érzékelők A magnetorezisztív érzékelő felépítése hasonlít a Hall effektuson alapuló érzékelők felépítésére, egyedül a mágneses mező változásaira érzékeny elem tér el. A magnetorezisztív érzékelőkben a mágneses mező változására érzékeny elem általában négy, Wheatstone hídkapcsolásba rendezett magnetorezisztorból (RM1-RM4) áll. Az elektródák helyes orientációjára mindenképpen ügyelni kell. Ebben az esetben a hőmérsékletváltozás hatásának kiküszöbölése lehetséges, a kimeneti jel pedig kétszer akkora, mint egyetlen magnetorezisztor esetén. Ha az érzékelőhöz egy mágnes közelít, megváltozik a szenzor ellenállása. Ez a változás a magnetorezisztív hatás eredménye, a mérő híd pedig elveszti egyensúlyi állapotát, mégpedig a mágneses mező intenzitásának függvényében.

71. ábra:

Magnetorezisztív érzékelő: a) sematikus ábrázolás; b) Wheatstone híd magnetorezisztorokkal

85


5.8.2 Wiegand mágneses érzékelők A Wiegand mágneses érzékelő működése az „impulzus vezető” mag polarizációja változásának észlelésén alapul. A mag mágnesezettségének irányát külső mágnese mező segítségével lehet megváltoztatni. Irányát változtató mágnese mező kicsi, mobil vagy állandó helyzetű mágnesek segítségével hozható létre. Ekkor az „impulzus vezető”-re egy N/S polarizáltsági irányú mágneses mező hat, melyet egy S/N polarizáltságú mező vált fel. A külső mágneses mező polarizáltságának változása az impulzus vezető köré tekert tekercsben feszültség-impulzust hoz létre. Ez az impulzus kerül közvetlenül, vagy feldolgozás után a kimenetre. A második lehetőség a mágnesezettség irányának megváltozására az impulzus vezető mozgatása először egy N/S polarizáltságú, majd egy S/N polarizáltságú mágnes előtt. Ekkor a mágnesek és a tekercs találhatók az érzékelőben, és az impulzus vezető mozog az érzékelőhöz képest.

72. ábra:

86

Wiegand mágneses érzékelő működésének lehetőségei: a) mozgó mágneses mező; b) mozgó „impulzus vezető”

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A fent tárgyalt működési lehetőségek mellett további megoldás egy állandó helyzetű, az érzékelő fejében az impulzus vezetőre tekert tekerccsel együtt elhelyezkedő konstrukció. Ebben az esetben a mágneses mező irányának megváltozását egy ferromágneses anyag a szenzor közelében való elhaladása triggereli. Ez a megoldás például a szenzor előtt elhaladó ferromágneses anyagú tárgyak számlálásakor használatos. További alkalmazás lehet fogaskerék forgási sebességének mérése. Ekkor az impulzus vezetőben a fluxus kétszer olyan gyakran fordul meg, mint ahány fogaskerék elhalad az érzékelő előtt. A Wiegand érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. Általában két vezetékes kiszerelésben gyártják őket, és tökéletesen megfelelnek a nehéz működési körülmények közötti használatra. Az érzékelő által keltett impulzusok frekvenciája nagy (akár 20 kHz fölött), a kimeneti feszültség-impulzus pedig néhány V-os.

87


5.8.3 Mágneses érzékelők permanens mágnesekkel A legegyszerűbb mágneses érzékelők egy permanens mágnes köré tekert tekercsből állnak. Valamely a szenzorhoz közelítő ferromágneses anyag megváltoztatja a tekercsbe behatoló mágneses mezőt, és így a tekercs végein feszültség keletkezik. Az ilyen mágneses érzékelők ferromágneses anyagok mozgását detektálják. Nem alkalmasak azonban álló helyzetű tárgyak észlelésére, mivel a kimeneti feszültség a detektálandó tárgy mozgásának sebességétől függ. Az ilyen egyszerű érzékelőkben keletkező feszültségek kicsik, ezért a kimeneti állapot átváltásához a jel felerősítésére van szükség. A céltárgy sebességének csökkenésével a kimeneti feszültség is csökken. Álló tárgyak esetén a feszültség nulla. Az ilyen érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. Felbontásuk nagy, lényegesen meghaladja a Hall effektuson alapuló érzékelők felbontását. A felbontás forgó mozgás mérése esetén század szög nagyságú is lehet.

73. ábra:

88

Mozgó ferromágneses tárgyak detektálására szolgáló érzékelő


5.9 Szerelési követelmények A mágneses érzékelőket tetszőleges nem ferromágneses anyagú tárgyra vagy tárgyba szerelhetjük. A szenzor adott felülettől mért magassága figyelmen kívül hagyható, akár egy szintben is lehet a felülettel. Ha az érzékelőt ferromágneses anyagra kell szerelnünk, lehetőség szerint minél inkább távolítsuk el az anyag felületétől. Ajánlott valamely nem mágneses szigetelő réteg használata is, mely az érzékelőt elválasztja a ferromágneses anyagtól. Ha az érzékelőt ferromágneses anyagra szereljük, figyelembe kell venni, hogy ez a mágneses mező erősségét befolyásolhatja. A mező intenzitása nő, ha a szenzort a ferromágneses anyag külső felületére szereljük. Ezzel szemben az intenzitás csökken, ha az érzékelőt beágyazzuk a ferromágneses anyagba. Ennek megfelelően változik a szenzor érzékelési távolsága is. Az érzékelő és a mágnes között esetlegesen elhelyezkedő nem ferromágneses anyag a mágneses érzékelő működését nem befolyásolja. Ezzel ellentétben, ha az érzékelő és a mágnes közé ferromágneses anyagot helyezünk, a kimeneti állapot megváltozik, azaz ebben az esetben ez befolyásolja a működést.

74. ábra:

Ferromágneses és nem ferromágneses anyagok hatása a mágneses érzéklőre

89


5.10 Alkalmazások A mágneses érzékelőket többek között az alábbi területeken alkalmazzák: -

Detektálandó céltárgy műanyag fal túloldalán (csőben vagy más konténerben). Céltárgyak észlelése agresszív környezetben, védő burkolaton keresztül. Céltárgyak észlelése magas hőmérsékletű környezetben. Mozgó és forgó tárgyak észlelése.

75. ábra:

Dugattyú pozíciójának érzékelése nem mágneses testben mágneses reed érzékelő segítségével

76. ábra:

Szöghelyzet felismerése Hall effektuson alapuló érzékelő segítségével

90


6 Érzékelők feladatai mechatronikus rendszerekben 6.1 Főbb alkalmazások Az érzékelők feladata a mechatronikus rendszerek alkatrészei és a vezérlőrendszer megfelelő (a tervezéssel összhangban álló) működésének biztosítása. Az érzékelőket az alábbiak megfigyelésére használjuk: • •

• •

a rendszerek teljesítménye működési körülmények között a működési paraméterek mérésének segítségével a folyamat paramétereinek megfelelő vezérlése a paraméterek értékének folyamatos vagy periodikus megfigyelésével működés során fellépő zavarok, diagnosztika segítségével működési tulajdonságok romlása, hibák, karbantartási diagnosztika segítségével.

6.2 Mechatronikus rendszerek komplexitása, érzékelők A modern mechatronikus rendszerek általában hibrid rendszerek, melyek mechanikus, hidraulikus, pneumatikus, elektromos és elektronikus modulokat is tartalmaznak. Az egyes modulok lehetnek egyszerűek vagy összetettek, működésüknek pedig meg kell felelnie a tervező által felállított követelményrendszernek, hiszen csak így biztosítható a rendszer működése és a megfelelő feladatok helyes elvégzése. A követelmények a szerkezeti modul/rendszer csomópontokra vonatkozó működési paramétereket érintik. Ilyenek például: • •

•

•

•

mozgások névleges sebessége és gyorsulása, melyeket érintkező illetve érintésmentes érzékelők mérnek, tárgyak és szerelvények helyzete, pozicionálása, orientációja, melyeket érintkezős illetve érintésmentes érzékelők mérnek, mozgás pályája (távolság), melyet a pályavezérlés pontosságától függően egyszerű vagy összetett útérzékelő szenzorok mérnek, kiegészítők mozgásának néveleges sebessége, melyeket sebességmérők mérnek, ha a sebességet vezérelni kell, átadott és alkalmazott (névleges) terhek (erő, nyomás, áram, elektromos teljesítmény, nyomaték), melyeket

91


•

• •

megfelelő érzékelők segítségével vezérelni és monitorozni kell, a rendszer működésének megfelelő hőmérsékleti körülmények az egyes modulok és azok komponensei esetén, melyeket a modulokon belül elhelyezkedő hőmérsékleti érzékelők mérnek, integrált mozgási képességek, melyeket integrált pálya, sebesség- és gyorsulásérzékelők mérnek, a rendszer és a modulok energetikai tulajdonságai (teljesítmény, nyomaték), melyeket közvetlenül vagy közvetve mérünk.

A fenti műveleteket a rendszer az érzékelő által gyűjtött adatok alapján tudja kivitelezni. Az érzékelőknek a mérések elvégzésén túl más követelményeknek is eleget kell tenniük. Ilyen lehet például a jelfeldolgozó, továbbító és kommunikációs rendszer megengedett mérete, alakja és helyzete.

6.3 Mechatronikus rendszerek működésének komplexitása, érzékelők A mechatronikus rendszerek által végzett feladatok spektruma a legegyszerűbb műveletektől (az egyszerű feladatot ellátó rendszerek általában több funkcióval rendelkeznek) a legkomplexebb feladatokig terjedhet. A rendszer működését a kijelölt algoritmusoknak megfelelően a vezérlő rendszer automatikusan ellenőrzi. Ez az alábbi tevékenységeket fedi le: •

• •

•

•

92

A funkció kimenetének felismerése – a megfelelő érzékelő vagy érzékelő-csoport jelének a vezérlő felé egy kommunikációs rendszeren keresztül történő vizualizációjával és/vagy átadásával. A funkció készenléti állapotának felismerése. Funkció aktiválása – a kommunikációs áramkörön keresztül emberi vagy vezérlő rendszer által meghozott döntés alapján. Funkciók működésének ellenőrzése – automatizált megfigyelés egyetlen szenzor vagy egy szenzorcsoport segítségével, a jelfeldolgozó, a logikai és a vezérlőáramkörbe integrálva, a kommunikációs áramkörön keresztül. Funkció működésének befejezése - a kommunikációs áramkörön keresztül a szenzorok jelei és a megfelelő vezérlő algoritmus által meghozott döntés alapján.

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos •

•

Funkció deaktiválása – inicializálhatja egy szenzor vagy konverter, illetve ezek csoportja a vezérlő algoritmusnak megfelelően. Funkció működése megszakításának felismerése – az információt a kommunikációs áramkör a vezérlő rendszer felé továbbítja a működés leállítása vagy más feladat indítása érdekében.

A fenti egy funkcióra vonatkozó algoritmus alapján látható, hogy minél komplexebb egy adott funkció, annál több szenzor vesz részt annak megvalósításában. Ha egy mechatronikus rendszer egy komplex, vagy egyidejűleg több összefüggő funkciót végez, a szenzor feladatainak komplexitása a mechatronikus rendszert vezérlő rendszer követelményeitől is függ. A feladatok és követelmények szükségessé tehetik például a szenzor jelfeldolgozó és erősítő áramkörökbe való integrálását, a mérőrendszer miniatürizálását és a működés különleges pontosságát.

6.4 Szenzorok a mechatronikus rendszerek diagnosztikájában A gépek és berendezések iránt támasztott legfontosabb követelmény a hibátlan működés. Ezt az összeszerelés során – elfogadó diagnosztikát alkalmazva – és működés közben is – folyamatos (online) vagy periodikus (offline) diagnosztika segítségével - ellenőrizni kell. A diagnosztikára a rendszer működése és a kivitelezendő feladatok helyességének felügyelete érdekében van szükség. A rendszer működési tulajdonságai degradációjának ellenőrzése a karbantartási munkálatok tervezése és kivitelezése szempontjából elengedhetetlen. Az érzékelők szerepe a fenti diagnosztikai rendszerekben végeredményben a mechatronikus rendszer helyes működése szempontjából fontos paraméterek precíz és megbízható mérése. Egyszerű feladatokat ellátó egyszerű mechatronikus rendszerek esetén általában a következő paramétereket kell mérni: kivitelező berendezések pályája és sebessége, valamint az általuk kifejtett erő, nyomás, stb. A méréseket önálló szenzorok, vagy szenzorok egy csoportja végzi, melyeket konverterek és erősítők csatlakoznak. Az átalakított jelek a kommunikációs rendszer segítségével a kijelzőre és/vagy a diagnosztikai folyamatvezérlési rendszerbe és a mechatronikus rendszer fő vezérlő egységébe kerülnek. 93


Minél komplexebb a mechatronikai rendszer, és minél nagyobb működési pontosságot várunk el tőle, annál pontosabban kell mérni a megfelelő paramétereket is. Ezzel egy időben az érzékelők működésének és a jelfeldolgozás megbízhatóságának is magasnak kell lennie. A gyártási rendszerekben az érzékelők az alábbiakról adhatnak felvilágosítást: • • • • • •

éppen folyamatban lévő munkafolyamat megfelelősége, szerszámok állapota, pl. vágószerszámok élessége, chipek állapota, a szerszámok és a munkadarab hűtésének folyamatossága, a felületi réteg állapota, méretek, stb.

Az érzékelőket önálló modulokba vagy magasabban szervezett diagnosztikai rendszerekbe is beépíthetjük. Különböző PLCkbe és CNC-kbe sok diagnosztikai funkció már eleve integrálva van.

94

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos HIBA A csapágy kenőrendszerének meghibásodása A hűtőrendszer meghibásodása

A hidraulikus rendszer meghibásodása A csapágy beszorulása

JELENSÉG - csapágy hőmérsékletének növekedése - a csapágy túlterhelése

•

- A munkadarab hőmérséklete nő - a munkadarab alakjának és méretének változása - nyomásváltozás

• •

- csapágy hőmérséklete nő - csapágy terhelése nő - motor által felvett teljesítmény (áram) megnő

A csapágy meghibásodása

- vibráció szintje és spektruma változik - vágott felület érdessége megnő

A csapágy lazasága

Elégtelen a távolság a vezetősín körül

- vibráció szintje és spektruma megnő - vágott felület érdessége megnő - impulzusok közötti idő - a vibráció megnő - a vágott felület érdessége megnő - a motor által felvett teljesítmény megnő

A csavar-anya felépítmény laza

- vibráció jön létre - vágott felület minősége romlik

A vezetősín elégtelen kenése

- motor által felvett teljesítmény megnő - vágott felület minősége romlik - induláskori gyorsulás kicsi

A korrekciós/kompenzációs rendszer meghibásodása Öngerjesztett vibráció

- vágott felület minősége romlik

A meghajtó meghibásodása

- a vibráció szintje megnő - vágott felület minősége romlik - a vágó erő amplitúdója megváltozik

•

ÉRZÉKELŐ termoelem, termisztor, feszültségmérő feszültségmérő, indukciómérő termoelem, termisztor mérőszonda, pneumatikus érzékelő

• nyomásérzékelő • termoelem, termisztor, feszültségmérő • feszültségmérő, indukciómérő • teljesítmény (áram) átalakító • vibrációs érzékelő • mikrofon • mérőszonda • vibrációs érzékelő • mérőszonda • indukciómérő • vibrációs érzékelő • mérőszonda • teljesítmény (áram) átalakító • pályaérzékelő, lézer • vibrációs érzékelő • merőszonda • teljesítmény (áram) átalakító • merőszonda • pályaérzékelő, lézer • mérőszonda, pneumatikus érzékelő • vibrációs érzékelő • mérőszonda • piezoelektromos érzékelő, feszültségmérő

2. táblázat: Megmunkáló-gépek néhány tipikus hibája, azok megnyilvánulása és a hibák felismeréséhez szükséges érzékelők

95


6.5 Érzékelők a mechatronikus rendszerek felügyeletében A mechatronikus rendszer működése helyességének felügyelete a releváns működési paraméterek felügyeletéből áll: ezen paramétereknek a megengedett határokon belül kell elhelyezkedniük. Ennek alapján a vezérlés korrigálja a paramétereket, vagy kompenzálja a felismert hibákat (ha lehetséges). Az érzékelők mérési jeleit a rendszer feldolgozza, majd összehasonlítja az előírt értékekkel. A két érték-halmaz közötti bármely eltérés azonnali korrigáló jelet, vagy hibakompenzációt eredményez. Minél nagyobb a rendszer elvárt működési pontossága, a szenzorok annál nagyobb működési és mérési pontosságára van szükség. Ha a felügyelet hibamodell alapján zajlik, az érzékelők jeleit a modell valós idejű vagy periodikus frissítésére használják.

6.6 Érzékelők a mechatronikus rendszerek karbantartási diagnosztikájában A diagnosztika egyik kiemelkedően fontos formája a használati idő alatti folyamatos vagy periodikus karbantartási diagnosztika. Ekkor felmérjük a mechatronikus rendszerek elhasználódásának mértékét, ezáltal meghatározható a rutin javítások és a releváns működési paraméterek korrekciójának menete és mértéke. A felmérés a rendszer komponenseinek elhasználódására utaló paraméterek mérésével történik. Az ilyen rendszerekbe a szenzorok állandó módon be vannak építve, de lehetséges egy- vagy többszenzoros mérőrendszerekkel végzett periodikus mérés is (beleértve a javítás utáni elfogadhatósági mérések végrehajtását is). Előfordulhat, hogy a karbantartási diagnosztika távolról is elvégezhető (ezt a lehetőséget külön tárgyaljuk), de a rendszer önmagán is végezhet öndiagnózist. Az ilyen diagnosztikában résztvevő érzékelők mérési tulajdonságait a rendszer előírt működési pontossága és a vezérlőrendszer karbantartásának módja határozza meg.

96


7 Busz rendszerek 7.1 Érzékelők és jelvevők közötti kommunikáció alapjai A jelet létrehozó érzékelők és a jelvevők (vezérlő egységek) közötti kommunikáció hagyományosan kábelek segítségével zajlik. Mivel minden érzékelő és vevő között kell kapcsolatot létesíteni, ez rengeteg, és gyakran nagy távolságokat áthidaló kábellel jár. Ezek a megoldások tehát műszakilag bonyolultak, drágák és nehezen kivitelezhetők. A kommunikációs hálózatok alapja az egyetlen kábelen keresztül történő nagy mennyiségű információ küldése. A jelet létrehozó érzékelők és a jelvevők (vezérlő egységek) közötti kommunikáció modern módja tehát a kommunikációs hálózatok használata. A hálózati kommunikációs modul az egyik oldalon az érzékelőkkel és aktuátorokkal való együttműködésért felelős komponensekből, a másik oldalon pedig a hálózattal való együttműködést bonyolító elemekből áll. A hálózati megoldások lényege, hogy valamely – hálózati hubokat1 alkotó - köztes berendezés segítségével összegyűjtjük a jeleket, majd „busz”-ok segítségével továbbítjuk őket a vevő felé (l. ábra). A busz kábelek és kapcsolási áramkörök rendszere, mely az összekapcsolt eszközök között továbbít információt. A busz lehetővé teszi: - az adatátvitel költségének jelentős csökkentését, - az érzékelők és vezérlők közötti távolság növelését, - az érzékelők kalibrációjára és karakterisztikájára vonatkozó adatok átvitelét. A legnépszerűbbek a nyílt hálózatok (open network), azaz az olyan hálózatok, melyek szigorúan szabályozott, szabványos eljárásokon keresztül lehetővé teszik különböző gyártók által előállított eszközök adatcseréjét. Ilyen ipari szabványok például az Ethernet, a Profibus, a DeviceNet, a Modbus, a CAN, az AS-I, és a MAP.

1

A hub a hálózati eszközök közös kapcsolódási pontja. A hubokat tipikusan helyi hálózatokban használják számítógépek és más eszközök összekötésére. (A ford. megjegyzése)

97

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A hálózat segítségével elosztott vezérlő rendszert hozhatunk létre, mely lehetővé teszi a jelfeldolgozás egy részének alacsonyabb rendszerszintre való transzferálását, mely így közelebb kerül magához a folyamathoz. A legalapvetőbb hálózati eszközök mindössze bemeneti és kimeneti (input/output, I/O) modulokból állnak, melyek interfészekkel kapcsolódnak a hálózatokhoz és azokhoz az eszközökhöz, melyek között az információcsere zajlik. Az ilyen modult a magasabb szinten elhelyezkedő egységek egy speciális hálózati cím alatt látják, mely lehetővé teszi az adatforgalmat. Ez különösen a hálózat legalacsonyabb– azaz az eszközök és érzékelők - szintjén bír jelentőséggel, hiszen itt gyakran van szükség komplex jelfeldolgozási folyamatokra, a reakcióidőnek pedig a lehető legrövidebbnek kell lennie az azonnali reakció biztosítása érdekében. Az alábbi ábra egy ilyen Profibus hálózatra mutat példát.

77. ábra:

Kommunikációs rendszer egyszerűsített szerkezete Profibus hálózattal (Profibus PNO) és anélkül

7.2 Digitális adatfeldolgozás, digitális interfészek A vezérlő rendszerek fejlődését leginkább az elektronika, különösen a digitális és hálózati technológia fejlődése határozza meg. Ezeknek hála ma már lehetséges az érzékelőkből érkező és az aktuátorok felé küldött analóg jelek digitális jelekkel való kiváltása. Az alábbi ábrán látható, hogy ez lehetővé tette a ká-

98

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos belezés mennyiségének csökkentését, és a jelek küldése már sokkal nagyobb távolságokra is lehetséges.

78. ábra:

Példa digitális technológia alkalmazására adatátvitelnél; a) analóg több vezetékes jelátvitel; b) digitális, egy vezetékes vagy több vezetékes jelátvitel Az analóg jelek digitalizálása annak mintavételezése segítségével történik, azaz adott időintervallumonként rögzítjük az analóg jel érték. Ezt nevezzük az analóg jel kvantálásának. Ez azt jelenti, hogy az analóg jel csak egy megadott tartományon belüli értékkel rendelkezhet. A következő ábra analóg jel kvantálására mutat példát, itt egy folyamat hőmérsékletének változását kísérjük figyelemmel. Ezeket az értékeket ezután egy bináris rendszerbe kódoljuk, azaz minden értéket a nullák és egyesek valamely sorozata képvisel. Ezáltal lehetővé válik egyszerű műveletek elvégzése, valamint a vezérlő rendszer különböző szintjeinek való átadás is egyszerűbbé válik. Az adatok átvitele történhet sorosan vagy párhuzamosan. Az adatok soros átvitele azt jelenti, hogy minden adatbit (0 vagy 1) másképpen kódolt – a legegyszerűbb esetben: - áram ki-/bekapcsolása, - különböző feszültségértékek közötti váltás, - feszültség értékének pozitívról negatívra váltása, és fordítva.

99

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A jeleket alternatív áramerősséget felhasználó módszerek segítségével is küldhetjük, alkalmazva például: - amplitúdó modulációt, - frekvencia modulációt, - fázis modulációt.

79. ábra:

Jel kvantálása (példa) A párhuzamos adatküldés esetén a legegyszerűbb esetben, mint azt az alábbi ábrán láthatjuk, legalább néhány, például nyolc vonalra van szükség. Az ilyen adatátvitel egy példája az adatok számítógépről a nyomtatóra való küldése (karakterenként). A párhuzamos adatátvitel legnagyobb előnye annak gyorsasága. Hátrányai közé tartozik a szükséges vonalak (vezetékek) nagy száma, ami megnöveli a kábelezés költségét, valamint a vonalak közötti áthatás is lehetséges. Ennek valószínűsége az áthidalandó távolság növekedésével nő. Ezért a párhuzamos adatátvitelt általában kis távolságok esetén használják. A soros adatátvitelhez a legegyszerűbb esetben mindössze egy vezetékre van szükség. Vezérlő rendszerekben a soros adatátvitel (soros interfész) több fajtája is használatos.

100


80. ábra:

Adatátvitel típusai: a) párhuzamos; b) soros Az alábbi táblázat a soros és párhuzamos interfészeket mutatja be. Soros interfészek TTY(20 mA) RS232(V24)

Jelállapot Logikai 0/ Logikai 1 Lehetséges átviteli módok Vezeték maximális hossza Vezetékek száma

20 mA / 0 mA Aszinkron, teljes duplex 1000 m

4

Hozzáférők 1/1 per adó/vevő Maximális 13,2 kb/s adatátviteli sebesség Alkalmazások Terminálok, kijelzők, CNC rendszerek

+3V - +15V -3V - -15V Aszinkron, teljes duplex 30 m

RS432 -5V / +5V +5V / -5V Aszinkron, teljes duplex 1200 m

Minimum 3 4 (5) (2 adat+1 2 adó föld) 2 vevő (1 föld) 1/1 1/10 ismétlő nélkül 19,2 kb/s 10 Mb/s

RS485

Párhuzamos interfészek IEC(IEEE488)

-5V / +5V +5V / 0V +5V / -5V Aszinkron, teljes Aszinkron, duplex teljes duplex 1200 m

2-20 m

2 (3) 2 adat (1 föld)

16 8 adat 3 ellenőrző 5 vezérlő 32 adó / vevő 1/15 ismétlő nélkül 10 Mb/s 2 Mb/s

Számítógép Számítógép Számítógép periperifériák, perifériák, fériák, ipari hálóautomatizá- automatizá- zatok az automalási eszkö- lási eszkö- tizálásban zök zök 3. táblázat: Soros és párhuzamos interfészek főbb paraméterei

Laboratóriumi műszerek és vezérlő eszközök

101


7.2.1 Az RS 232C interfész (Európában V24-ként jelölve) Az RS 232C interfész az adó és a vevő közötti átvitelt szabályozó szabvány. A szabvány a terminál (DTE: Data Terminal Equipment) és a kommunikációs eszköz (DCE: Data Communication Equipment) közötti interfészt, azaz a terminál és a modem közötti kapcsolatot írja le. Megenged két DTE terminál közötti kommunikációt is. Az interfész biztosítja az együttműködő eszközök kommunikációs kompatibilitását, mivel: - meghatározza az interfészek jelszintjét, - meghatározza a kivezetések konfigurációját, - a szükséges minimumra korlátozza a vezérlési és adatkábelek számát. Az RS 232C szabvány az adatok legfeljebb 15 m távolságra való továbbítását teszi lehetővé, a maximális továbbítási sebesség 20 kb/s. Két eszköz, egy adó és egy vevő összekapcsolását teszi lehetővé. A buszok elrendezése aszimmetrikus, ez korlátozza az átviteli távolságot, és nem tartalmaz semmiféle zaj elleni védőmechanizmust. Az RS 232 feszültségszintjei: - alacsony jelállapot (L): +3V - +15V - magas jelállapot (H): -15V - -3V Ez a szabvány mind szinkron, mind aszinkron adatátvitelt lehetővé tesz. A következő ábra aszinkron (ú.n. start-stop) adatátvitelt mutat. Szinkron adatátvitel esetén a karakterek eleje és vége nincs jelölve, csak a blokk elejét és végét jelző markerek maradnak meg. Az ilyen adatátvitelt nagy mennyiségű adatot tartalmazó blokkok átvitelére használják. A szabvány az alábbi adatátviteli típusokat tesz lehetővé: - egyirányú simplex, - fél-duplex (a két állomás nem egy időben ad) - teljes duplex (a két állomás egy időben ad)

81. ábra: 102

RS 232C interfész aszinkron adatátvitele


7.3 Kommunikációs hálózatok: alapismeretek, kezelés 7.3.1 Kommunikációs hierarchia A következő ábra egy vállalton belüli kommunikációs hierarchiát mutat, a legalsó (érzékelő) szinttől a legfelső (vállalatvezetési) szintig. A legalsótól a legfelsőig öt szintet különböztetünk meg: - Érzékelők és aktuátorok szintje - Csoport vezérlése - Folyamatvezérlés - Termelésvezérlés - Vállalatvezetés Az ilyen hálózatoknak bizonyos követelményeknek kell eleget tenniük a vezérlés különböző szintjein történő adatfeldolgozásra vonatkozólag. A szinttől függően az adatok átadásának módja különbözik. Például a legalsó szinten az adatokat azonnal tovább kell adni, a reakciónak pedig a lehető legrövidebb időn belül kell bekövetkeznie. Az ilyen műveleteket gyakran valós idejű (real-time) műveleteknek nevezzük.

82. ábra:

Vállalton belüli kommunikációs piramis

7.3.2 Hálózatok és field busz rendszerek Az adatokat feldolgozó és automatizáló rendszereket egy közös kommunikációs hálózat segítségével össze lehet kapcsolni. Az ilyen hálózatok szerkezete, az alkalmazástól, szükséges

103

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ paraméterektől és a szükséges biztonsági szinttől függően eltérő lehet. A hálózatok elemi típusai: - csillagtopológia, - gyűrűtopológia, - busztopológia. Gyakorlatilag minden hálózat ezen elemi hálózatok valamely kapcsolata. A következő három ábra ezeket a topológiákat mutatja be. Csillagtopológia Az ilyen topológia esetén a teljes információ egy központi csomóponton halad keresztül. A központi csomópont lehet egy számítógép, vagy bármely más hálózati eszköz is. A csomópont kontrollálja a hálózat információáramát. Az egyes terminálok közvetlenül nem tudnak egymással kommunikálni. Az ilyen felépítés esetén a hálózat nagyban függ a központi csomópont teljesítményétől, melynek károsodása a teljes hálózat összeomlásához vezethet. Az ilyen típusú hálózatokban új felhasználó esetén mindössze egy új kábelre van szükség.

83. ábra:

Csillagtopológiás hálózat Gyűrűtopológia A gyűrűtopológia lényege, hogy minden állomás, beleértve a szervert is, két szomszédos állomással áll közvetlen kapcsolatban. Az összeköttetés körkörös, folyamatos gyűrű (megszakítás nélküli, de szükségszerűen kört képező), ebből következően a hálózatnak nincs végcsatlakozása. Bármely pontról elindulva végül visszatérünk a kiindulóponthoz, hiszen az adat

104

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos csak egy irányban halad. Az üzeneteket a gépek lemásolják, majd átadják a szomszédjuknak, s ha az nem a szomszédnak szólt, akkor az is továbbítja. Addig vándorol az üzenet gépről gépre, amíg el nem érkezik a címzetthez. Az ilyen topológiában a küldő felismeri, vajon az üzenet elért-e a címzetthez.

84. ábra:

Gyűrűtopológiás hálózat Busztopológia Ez a topológia a legkedveltebb, és leggyakrabban használt szerkezeti felépítés. Gyakran nevezik lineáris topológiának is. Minden eszköz egy közös adatvezetékhez, a buszhoz kapcsolódik. Elméletileg az ilyen hálózatban minden eszköz minden eszközzel kommunikálhat. Minden eszköz azonos hozzáférési joggal rendelkezik, ami ütközéseket okozhat, így adatok el is veszhetnek. Ennek kiküszöbölésére speciális hozzáférési protokollokat használunk, mely szabályozza a hálózati hozzáférést.

85. ábra:

Busztopológiás hálózat 105


7.3.3 Fieldbuszok vezérlésének módszerei A fieldbusz egy teljesen digitális, kétutas, soros kommunikációs rendszer, mely a mérő és vezérlő elemek közötti összeköttetést biztosítja. Egy olyan hálózatot hoz létre, amely összeköti a gyártás vezérlésében, menedzsmentjében és automatizálásában használt eszközöket, és gondoskodik az adatok valós idejű átviteléről. Lehetővé teszi a gyártás folyamatvezérlésének decentralizálását, valamint az intelligens eszközök használatát is, mely megnöveli a kommunikációs rendszer rugalmasságát, és csökkenti a költségeket.

7.3.3.1 Központosított vezérlés Központosított vezérlés esetén a folyamatról érkező minden jel egy központi vezérlő rendszerbe érkezik. Tipikus példa a PC, melyhez minden érzékelő és aktuátor kapcsolódik. A központosítás további módja a multiplexerek és ipari hálózatok használata, melyek az összes, analóg és digitális, kimeneti és bemenetei jelet összegyűjtik. A jeleket a multiplexerben gyűjtjük, majd a hálózaton keresztül jutnak el a vezérlő rendszerhez (l. alábbi ábra). Az ilyen, központosított rendszerek előnyei: - a mérési jeleknek kis távolságot kell megtenniük, mely időkritikus jelek esetén kiemelkedően fontos, - a hagyományos módszerekhez képest a felszerelés költsége alacsony, - a digitális adatátvitel következtében nagyon megbízható, könnyen változtatható és bővíthető.

86. ábra:

106

Érzékelők összekapcsolása központi vezérlésen keresztül, példa


7.3.3.2 Elosztott vezérlés A jelenlegi fejlődési irány az általában túlterhelt központi feldolgozó egységek által végzett feladatok alacsonyabb szintű, lokális intelligenciával ellátott hálózati eszközökre való átruházása irányába mutat. Az így rájuk ruházott intelligencia segítségével az eszközök képesek elemi vezérlési funkciók ellátására. Az ilyen vezérlést lokális intelligenciájú elosztott vezérlésnek nevezzük. Az elosztott automatizálási rendszereket az alábbiak jellemzik: - rövid, a hálózat reakcióidejéhez képest elhanyagolhatóan kicsi reakcióidő, - független eszközök számára könnyen elérhető, - könnyen változtatható és bővíthető, - szerkezetorintált, - a szoftver egyszerű és átlátható, a rendszer egyszerűen konfigurálható, a paraméterek beállítása nem bonyolult.

87. ábra:

Érzékelők összekapcsolása elosztott vezérlésen keresztül, példa

7.4 Kommunikációs hálózati protokollok. Az OSI modell Az OSI modell, egy az ISO és ITU-T szervezetek által definiált szabvány, mely a hálózati kommunikáció szerkezetét írja le. Az OSI modellt a legtöbb kommunikációs protokoll referenciamodelljének tekintjük. A legnépszerűbb modell az OSI-RM (OSI referencia modell). A modell alapja a hálózati rendszer 7 független szintre osztása. Az Internet esetén az egyszerűsített DoD modell érvényes, ez csak 4 szintre oszlik. Az OSI RM tehát 7 rétegre osztja a kommunikáció során fellépő folyamatokat. A szintek az események természetes sorrendjének megfelelően épülnek fel. Az 1-3 szintek a hálózati hozzáférést bizto-

107

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ sítják, a 4-7 szintek pedig a kommunikációs logisztikáját kezelik. A modell esetén két alapvető területet különböztetünk meg: - Alacsony, átviteli szintek: 1-4, - Magasabb szintű, felhasználó-orientált szintek: 5-7.

88. ábra:

Az OSI-RM hálózati kommunikáció hét rétege Fizikai réteg (1): Ez a legalacsonyabb szintű réteg. A bitek átviteléért felelős, valamint adatentitásokat (data frame) fogad a 2., adatátviteli rétegtől, majd ezeket sorosan, bitenként tovább küldi. Emellett felelős az adatfolyam (stream) bitjeinek fogadásáért is, melyet a következő szint felé továbbít, ahol annak formázása történik. Adatátviteli réteg (2): Ez az OSI modell második rétege. Mint minden réteg, ez is két alapvető funkciót lát el: ad és vesz. Ő felelős az adatátvitel megfelelőségéért. Az adatátvitelhez kapcsolódó feladatok mellett felelős a parancsok, adatok csomagra (keretekre) osztásáért. A keret (frame) natív struktúra, azaz jellemző a megfelelő mennyiségű adatot tartalmazó, a LAN és a célállomás közötti sikeres adatátvitelt biztosító adatátviteli rétegre. Az adatátvitel sikeres, ha az adat a küldött információhoz képest változatlan formában eléri a célállomást. A keretnek tartalmaznia kell tehát az azonosításra és a tartalom ellenőrzésére szolgáló biteket. A keretek (frame) gyakran megsérülnek az adatátvitel során, vagy egyáltalán nem érik el a kijelölt célállomást.

108


Az adatátviteli réteg felelős a hibák felismeréséért és kijavításáért, valamint a fizikai rétegtől származó bináris adatfolyamok összeállításáért és keretekre osztásáért is. Mivel a keretek szerkezetét és adatait is továbbítja, nem küld hiányos kereteket, hanem megvárja (pufferel), amíg egy teljes keretnyi adat összejön. Hálózati réteg (3): A hálózati réteg a küldő és a vevő számítógép közötti átviteli útvonal meghatározásáért felelős. Ez a réteg nem rendelkezik beépített hibajavítási mechanizmussal, így függ az adatátviteli réteg megbízhatóságától. A hálózati réteg a LAN-on kívül elhelyezkedő számítógépekkel való kommunikáció lebonyolítására is használatos, mivel független a 2. réteg fizikai címzésétől. A hálózati réteg használata nem kötelező. Csak akkor van rá szükség, ha az egymással kapcsolatban álló számítógépek a hálózat különálló, routerrel elválasztott szegmenseiben találhatók. Szállítási réteg (4): Ezen réteg feladati hasonlóak az adatátviteli réteg feladataihoz, azaz felelős az adatátvitel végső megfelelőségéért. Azonban az adatátviteli réteggel szemben a szállítási réteg az adatátvitelt a LAN lokális szegmensein kívülre is lehetővé teszi. Észleli a routerek által visszautasított csomagokat, és automatikusan létrehozza az újraküldésükre irányuló igényt. A szállítási réteg azonosítja a csomagok eredeti sorrendjét, és a viszonyrétegnek való átadás előtt eredeti sorrendjükbe rendezi őket. Viszonyréteg (5): Az OSI modell ötödik rétege a viszonyréteg, melyet ritkán használunk. Sok protokoll ezen réteg funkcióját beépíti a szállítási réteg funkciói közé. Az OSI modell viszonyrétegének feladata a két számítógép között zajló kommunikáció folyamatának menedzselése. Ezt a kommunikációt nevezik viszonynak (session). Ez a réteg határozza meg, vajon a kommunikáció egy- vagy kétirányú. Ezen túl biztosítja az igény kivitelezését, mielőtt elfogadja a következő kérést. Megjelenítési réteg (6): A megjelenítési réteg az adatok kódolásának módszereiért felelős. Mivel nem minden számítógép használ ugyanolyan adatkódolási módszert, a megjelenítési réteg feladata a nem kompatibilis adatok átkódolása. Ezt a réteget használjuk a lebegő pontos formátum különbségének kiegyenlítésére, és az információ kódolására és dekódolására is.

109

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Alkalmazási réteg (7): Az OSI modell legmagasabb szintű rétege az alkalmazási réteg, mely a felhasználói alkalmazások és a hálózati szolgáltatások közötti interfészért felelős. Ez a réteg kezdeményezi a hálózati kommunikációt.

7.5 Ipari kommunikációs hálózatok típusai 7.5.1 AS interfész busz Az AS interfészt (AS: actuator-sensor, azaz aktuátor – érzékelő) 1994-ben Németországban egy, az automatizálási berendezések gyártásával foglalkozó cégeket (Festo, IFM, Pepperl+Fuchs, Siemens, ASI) tömörítő konzorcium hozta létre. Az AS-I rendszer az érzékelők és aktuátorok legalacsonyabb szinten történő összekapcsolásának egyszerű módja. Eredetileg a módszert ipari alkalmazások esetén az egyes érzékelők elérésnek olcsó lehetőségeként hozták létre, azonban népszerűsége nagyon megnőtt, hiszen számtalan lehetőséget kínál, beszerelése és használata egyszerű, és járulékos költségei is alacsonyak. Az átadott adat a lehető legegyszerűbb, mindössze a be- / kikapcsolt állapotról ad tájékoztatást. Ezért ez az interfész konkrét mérési adatok továbbítására nem alkalmas, azonban egyszerű feladatok, pl. a töltöttségi állapotra vonatkozó adatgyűjtés vagy a nyomásmérő érzékelők ellenőrzésének kivitelezésére tökéletesen megfelel. A rendszer master/slave (mester/rabszolga) szerkezetű. Minden szegmens legfeljebb 31 eszközt tartalmazhat, 124 bement (input) és 124 kimenet (output) létezik, így a 2.0 verzió esetén a szegmensenkénti kapacitás 248 I/O. A 2.1 verzió már kétszer ennyi, azaz 62 eszközt képes kezelni, tehát 248 bement (input) és 186 kimenet (output) létezik, a szegmensenkénti hálózati kapacitás pedig 434 I/O pontból áll (l. alábbi ábra). Minden másodlagos (slave) rendszer két, a tápfeszültséget és az adatforgalmat biztosító vezeték segítségével kapcsolódik a többi slave rendszerhez, valamint az elsődleges (master) rendszerhez is. A 31 eszköz lekérdezése mindössze 5 ms-ot vesz igénybe.

110

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az ASI egy egyszerű és gazdaságos rendszer, mely kiválóan alkalmas korábbi bonyolult megoldások kiváltására. Az adatküldés maximális távolsága 100 m.

89. ábra:

Az AS-I rendszer szerkezete

7.5.2 Nyitott szerkezetű CAN busz A CAN (Controller Area Network) egy 1989-ben a Bosch által az autókban való mérések vezérlésére létrehozott kommunikációs szabvány. A hálózat nemcsak az autóiparban, hanem más iparágakban is talált alkalmazást, például használják a közúti és vasúti közlekedés, orvosi berendezések, automatizált épületek és tűzoltó rendszerek vezérlésére is. A CAN általában busztopológiás, de a csatlakozóhelyeket csillagtopológiába is kapcsolhatjuk. Eredetileg a kommunikáció számára, az adatátvitel megvalósítására csak árnyékolt kábelt használták, azonban manapság már más megoldásokat is alkalmazunk, például száloptikai kábeleket, rádióhullámokat, infravörös sugárzást, stb. Az adatközvetítő fizikai megvalósításától függően az adatátvitel sebessége 40 m-es távolságon elérheti az 1Mbit/s-ot, ill. 1 km-en az 50 kbit/s-ot is. A CAN esetén a csomópontok nem rendelkeznek önálló címmel. A cím helyett az információ minden esetben tartalmaz egy 11 (CAN 2.0a specifikáció) vagy 29 (CAN 2.0b specifikáció) bites azonosítót, mely lehetővé teszi a különböző információ 211-es vagy (kiterjesztett formátumban a) 229-es rendszerben való felhasználását. Mint a legtöbb busztopológiás hálózat esetén, a kommunikáció itt is sugárzó jellegű. Ennek tipikus példája a rádió vagy televízió adás sugárzása. Egy pont sugároz (ad), a többi pedig vevő szerepkört tölt be. A CAN esetén is különböző rétegek léteznek: az OSI modell 1 (fizikai) és 2 (adatátviteli) rétege. Az adatátviteli réteg, többek

111

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ között az információ megszűréséért, az adatok csomagolásáért, frame-ek kódolásáért, hibák jelzéséért és a médium CSMA/CD/NDA módszerekkel való eléréséért felelős. A CAN szabvány előnye annak immunitása a külső zajokkal szemben. A hálózathoz való kapcsolódást speciálisan megtervezett eszközök biztosítják: ezek a transzmitter és a CAN vezérlő, bár ez utóbbi néha már a processzorba van beépítve. CAN transzmittereket számos cég állít elő, többek között a Bosch, a Phillips és az Infeon is.

90. ábra:

Adattovábbítás CAN típusú rendszerek esetén

7.5.3 DeviceNet busz Az Allen-Bradley cég DeviceNet nevű hálózati megoldását 1994-ben vezették be a piacra. A DeviceNet a CAN kommunikációs protokollján alapszik. Nyitott rendszer, azaz minden állomás azonos hozzáférési jogokkal rendelkezik. A sugárzó médiumhoz való hozzáférésért folytonos vetélkedés zajlik (CSMA/CR), és az előállító / vevő modellen alapszik. Az információcsere információszórás (sugárzás) segítségével történik. A DeviceNet esetén ez azt jelenti, hogy minden állomás megkapja a hálózatba érkező összes adatot, majd lokális szűrés után csak a kiválasztott adatokra reagál. Lehetőség van a Master-Slave szerkezet kialakítására is, azonban az adatszóró állomás nem rendelkezik olyan mechanizmussal, mely be tudná tartatni a hierarchiát. A DeviceNet adatátviteli sebességei: 50 m-re: 1.0 Mbit/s 100 m-re: 500 kbit/s 500 m-re: 125 kbit/s Az adó közeg mérete függ a fizikai réteg specifikus fizikai megjelenésétől (azaz, hogy az adatátvitel milyen közegben történik). A DeviceNet-et ipari alkalmazások esetén az adatok kis távolságra történő gyors közvetítésére használják.

112


7.5.4 Interbus-S fieldbusz Az Interbus szabványt a német Phoenix Contact GmbH & Co vezette be. Ez a szabvány számos igen érdekes megoldást tartalmaz. A hálózat gyűrűtopológiára épül, azonban a kétirányú adatátvitel, mely összeköti az eszközöket, egyetlen közös kábelen keresztül zajlik, így a hálózat felépítése inkább egy fára hasonlít. A fő hálózathoz maximum 16 alhálózatot rendelhetünk hozzá. Ezen hálózat számára hozták létre az Interbus Loop-ot, mely a legalsó szintű elemek kommunikációját biztosítja, és egyetlen kábelen keresztül biztosítja az adatok továbbítását és az érzékelők és aktuátorok tápellátását. Az Interbus master-slave típusú busz, mely legfeljebb 512 eszköz 16 alhálózatba való összekapcsolását teszi lehetővé. Minden hálózati csomópont (az Inteterbus Loop kivételével) az ismétlő (repeater) szerepét is betölti, azaz a jelet annak továbbítása előtt felerősíti. Ennek köszönhetően a hálózati csomópontok 400 m-es egymástól való távolsága és a hálózat max. 13 kmes hossza mellett az 500 kbit/s-os adatátviteli sebesség is elérhető. A hálózati csomópontok címe azok fizikai helyéhez kapcsolódik, így valamely eszköz csatlakozása vagy leválása esetén nem szükséges a többi csomópont újracímzése. Az új eszköz automatikusan fizikai helyének megfelelően kap rendszerinformációt, azaz a rendszer szinte plug-and-play típusú. Az interbus determinisztikus rendszer, jóllehet a hozzáférés, a token-es rendszerekhez hasonlóan, összegző frame-eken keresztül történik. A bejövő és kimenő adatok továbbítása szimultán zajlik (full duplex). A mester (master) csomópontok a magasabb szintű hálózat, az alhálózatok és az azonos alhálózatok lekérdező eszközei (poll device) között közvetítenek. Az Interbus az OSI modell 1, 2 és 7-es rétegét használja, de nem minden eszköznek kell rendelkeznie alkalmazási réteggel, mivel ez egyszerű érzékelők esetén nem szükséges. Az adatátvitel nagy sebessége és determinisztikus viselkedése miatt sok bonyolult alkalmazás használja ezt a hálózati megoldást.

91. ábra:

Adatáramlás az Interbus-S-ben

113


7.5.5 Profibus professzionális busz hálózat (-DP, -FMS) A Profibus (folyamat field busz) szabványt az 1987-90 közötti években egyetemek és magán vállalkozások együttműködésében fejlesztették ki Németországban. Azóta ez a hálózat gyárak és folyamatok automatizálására világszerte használatos (pl.: papírgyár – Ausztrália, rézbánya: Dél-Afrika, jégkrém gyártás – Kína, szivattyúk összeszerelése – Dánia, autógyártás - Németország). A Profibus egy Multi Master típusú token cserélő busz, azaz az adatátvitel csak a tokennel éppen rendelkező master csomópont kezdeményezésére jöhet létre. Jelenleg a Profibus DP és FMS kommunikációs, és RS-485, IEC1158-2 fizikai profilokat, valamint az optikai szálas adatátvitelt támogatja. Legszélesebb körben a Profibus DP profilt használják, mely az adatátviteli sebesség, hatékonyság és az automatizálási rendszer költségének csökkentésére optimalizál. A Profibus DP az OSI modell két legalsó rétegét használja. A Profibus FMS univerzális kommunikációs profil, mely lassabb, mint a DP, azonban az intelligens eszközökkel való kommunikációt támogató számos funkcióval rendelkezik. A kommunikációs funkciókat az OSI modell 7. rétege (alkalmazási réteg) definiálja. Ezen a rétegen kívül az 1. és a 2. réteget is használja. A Profibus FMS egy vállalat magasabb szintű információs rendszere esetén használatos. Jelenleg vizsgálatok folynak a Profibus és az Ethernet hálózatok integrációjára vonatkozólag, így az FMS profil jelentősége folyamatosan csökken.

92. ábra:

114

A Profibus hálózati kommunikációs rendszer szerkezete

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A Profibus hálózatokban leggyakrabban alkalmazott adatátviteli technológia (fizikai profil) az RS-485-ös szabvány. Ebben az esetben a busztopológiás hálózat szegmensében maximálisan 32 csomópont esetén az adatátvitel sebessége 9600 bit/s – 12 Mbit/s. Az adatátvitel egy másik módszerét az IEC-1158-2 szabvány írja le, melyet főleg robbanásveszélyes helyek automatizálása esetén alkalmaznak. Itt minden eszköz 31,25 kbit/s sebességgel, a tápellátást is biztosító árnyékolt hurkon keresztül kommunikál. Lehetséges a busz-, a fa- és a csillagtopológia. A Profibus hálózat ilyen változatai szikrabiztosak, így gyakran alkalmazzák őket a vegyi és benzinvegyészeti üzemekben, pl. a Shell birtokában levő, Németország legnagyobb olajfinomítójában is. A Profibus protokollnak létezik hardveres és szoftveres megvalósítása is. Valós idejű alkalmazások esetén a Profibus szoftveres megvalósítását alkalmazó eszközök alkalmazhatósága erősen korlátozott. A Profibus bevezetése óta évtizedek teltek el. A Profibus felhasználóit tömörítő PNO nevű szervezet a világ majdnem 20 országában már több mint 1000 taggal rendelkezik. A különböző iparágakban világszerte több mint 3 millió Profibus hálózatban működő eszköz létezik több mint 300 000 különböző alkalmazásban. Az ipari Profibus hálózat tehát ma vezető pozíciót foglal el a hálózati protokollok között, különösen Európában, de a többi kontinensen is. A Profibus hálózat nemrég, az IEC 1158 szabvány bevezetésével világmértékűvé vált. A Profibus hálózat, mint azt már korábban említettük, több különböző szabványra oszlik: a Profibus FMS, FDL, DP és PA-ra. Így gyakorlatilag a hálózatokkal szemben támasztott követelmények és elvárások 100%-osan lefedhetők. Az FMS (és hasonlóan az FDL) szabvány alapjában és gyakorlatilag az állomások, azaz a vezérlők, az operátor állomások, a programozó egységek, biztonsági eszközök és a PC-k közötti nagy mennyiségű, folyamatokra vonatkozó adat átvitelére alkalmas. Alapvetően a Client-Server (token átadás) struktúrára épül, mely egy hálózaton belül számos állomás egymással való kommunikációját teszi lehetővé (multimaster szerkezet). Mindössze a konfiguráció és beindítás alapul a Step7 nevű programon, mely tartalmazza az összes szükséges eszközt, és ezen túl lehetőséget biztosít az egyszerű és gyors diagnosztikára is. A DP és PA szabványok funkciója enyhén eltér az FMS-étől és az FDL-étől. Fő feladatuk a vezérlés decentralizációja, tehát a 115

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ vezérlés alacsonyabb szintre való transzferálása, az analóg input és output jelek elosztása, a feldolgozási kártyák az objektumhoz lehető legközelebb történő elhelyezése. A hálózat alapja egy, a hálózatot menedzselő fő állomás (master), melyhez másodlagos eszközök (slave) kapcsolódnak. A master állomás általában egy vezérlő vagy PC-alapú operátori állomás, a slave állomások pedig különböző termékek és áramkörök széles választéka lehet. Ide tartozhatnak a kétállapotú és analóg jelek I/O kártyái, motorok, munkahengerek, frekvenciamodulátorok, operátor panelek, konverterek, súlyozó modulok, intelligens vezérlő állomások, számítógépek, stb. Az FMS és FDL szabványokhoz hasonlóan a hálózat telepítésének fő eszköze a Step7 nevű szoftver, melyet a Siemens fejlesztett ki. A Profibus sikerét néhány tényező határozta meg. Elsősorban döntő volt a kábelezési költségek csökkenése, a gyors és egyszerű installáció, a gyors telepíthetőség, valamint a megbízhatóság és hatékonyság. A hálózaton belül a szomszédos állomásokat árnyékolt kéthuzalos kábel, vagy optikai szál kapcsolja össze. A gyakorlat tapasztalatai szerint így a kábelezési költségek akár néhány tíz százalékkal is csökkenthetők, hiszen csökken a szükséges kábelmennyiség, a sínek és dugaszok mennyisége, a szükséges szekrények és a helyigény, de elsősorban: csökken a beszerelés időtartama. Ezen felül a hálózatok alkalmazása hatékonyabban véd a különböző külső (különösen elektromágneses) hatásokkal szemben, például optikai szálak és analóg jelek alkalmazása esetén biztosított a mérési értékek biztos és világos kiolvasása. Ezen túl lehetővé teszi a gyors, fizikai diagnosztikát és a szerelési hibák kiküszöbölését, hiszen speciális teszterek állnak rendelkezésre, melyek a hiba helyét is megmutatják. A Step7 szoftver, mely a hálózat konfigurációjának alapja, egyszerű, de nagyon hatékony funkciókat tartalmaz, melyek megmutatják a hiba helyét és leírják a hiba lehetséges okát is (pl. a modul tápellátása megszakadt, a PT100 jeltovábbító kábel meg van törve, stb.). Maga a konfiguráció igen egyszerű és átlátható. Elfogadott szabály a központosított és az elosztott rendszerek hasonló címezése, így a szoftvermérnök gyakorlatilag nem látja a különbséget a program írása és futtatása között.

116

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A gyors és egyszerű diagnosztika, és a rendszer elindításának leegyszerűsítése érdekében egy olyan procedúrát hoztak létre, mely lehetővé teszi, hogy a hálózat bármely pontjáról dolgozzunk és változtatásokat eszközöljünk. Ez nagyban gyorsíthatja és egyszerűsítheti a beüzemelést, valamint az objektummal való közvetlen kapcsolattartást is. Alternatív procedúra szolgálja a szervizelés és karbantartás meggyorsítását, hiszen itt a telefonhálózat és egyszerű modemek is felhasználhatók, így a műveletek a világ bármely sarkából elvégezhetők. Lehetséges egy második, párhuzamos hálózat közvetett elérése is (routing), ami gyakorlatilag lehetővé teszi a hálózat váltogatása (pl. Ethernet, Profibus, MPI) nélküli munkát, azaz a teljes folyamat elérhetővé válik. Hangsúlyozni kell még a munka, azaz a Profibus hálózat hatékonyságát. Az adatátvitel sorosan, árnyékolt kétvezetékes kábeleken vagy optikai szálakon keresztül, az RS-485-ös szabványnak megfelelően zajlik. Jelenleg a hálózati működés maximális sebessége 12 Mbit/s, így a hálózat reakcióideje egyetlen ms körül mozog. Ez lehetővé teszi a hálózati ciklusidő figyelmen kívül hagyását, mely a többi folyamat (program ciklusideje, I/O eszközök reakcióideje) ciklusidejéhez képest elhanyagolható. A Profibus hálózat több, mint közönséges adatátvitel, hiszen lehetővé teszi a teljes lokális és távdiagnosztikát, programozást, és a hálózat beüzemelését is. Szintén lehetőséget nyit más, párhuzamos hálózatok elérésére valamint termékek és komponensek széles skáláját kínálja, s ezáltal az ipari feladatok teljes spektrumát képes lefedni. A hálózat hatékony, gyors és megbízható, a kábelezésen eszközölhető megtakarítások pedig számottevőek. Mindez együttvéve járul hozzá ahhoz, hogy a Profibus hálózat az ipar szinte minden területén az egyik legnépszerűbb automatizálási hálózat.

7.6 Az Ethernet, a szabványos ipari buszokat összekapcsoló univerzális hálózat Az ipari vállalatoknak működésük egyszerűbbé tétele érdekében az egyes alrendszerek közötti adatforgalom egységesített platformjára van szükségük. A 100 Mb/s-os adatátvitel sebességek elérésével, valamint a modern, intelligens kapcsolókkal az Ethernet korábbi, valósidejű működésre való képtelenségéből származó hátránya egyre inkább veszít fontosságából.

117

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az Ethernet egyre terjed, mivel a standard hálózatokkal szemben számos előnnyel rendelkezik: - magas adatátviteli sebesség (jelenleg 100 Mb/s-ig) - a hálózat topológiájának (szerkezetének) kvázi határtalansága - gyakorlatilag korlátlan bővíthetőség, - világmértékű szabványosság, - a világhálóhoz való csatlakozás (TCP/IP szabvány) - az ebben a hálózatban alkalmazott technológia folyamatos fejlődése. Az alábbi ábra egy standard ipari hálózat Ethernettel való helyettesítését mutatja be.

93. ábra:

Ethernet, mint a minden szintű hálózatokat összekapcsoló hálózat

7.6.1 Fieldbuszok szoftveres egyesítése a NOAH szabvány segítségével A field hálózatok hátránya a diverzitásuk, hiszen nem létezik őket egyesítő szabvány. Ez egyenes következménye annak a folyamatnak, melynek során egy adott, felmerülő alkalmazásra testre szabott hálózatok készültek, melyek mind eltérnek egymástól, önálló karakterisztikával rendelkeznek. A gyártók természetesen a saját standardjukat erőltetik, gyakran tekintet nélkül a felhasználó szükségleteire. Ennek következményeképpen a felhasználó függ a termék gyártójától. A megoldás egy egységes ipari hálózati szabvány létrehozása lenne, azonban ez a munka igen lassan halad előre. 118


Az egyik ilyen egyesítést célzó projekt a NOAH (Network Oriented Application Harmonization) projekt, melynek célja egy általános interfész (egyetlen program) létrehozása, melyet a különböző, az európai EN 50170 szabvánnyal kompatibilis eszközök konfigurálására és felmérésére lehetne használni. A NOAH program az ISO/OSI modell alkalmazási rétegét használja. Ezáltal biztosítható, hogy a hálózat fajtájától függetlenül installálásakor azonos hálózati hozzáféréssel (paraméterbeállításokkal, diagnosztikai és vezérlési funkciókkal) rendelkezik majd. Az automatizálási eszközök, azaz az érzékelők, transzmitterek, motorok szervo vezérlői, egyszerű I/O rendszerek, funkciójuknak megfelelően mind jól definiált tevékenységi körrel rendelkeznek. Azonban minden gyártó másképp realizálhatja ezeket a funkciókat. Gyakorlatilag az automatizálási rendszerek funkcióinak csak egy része szabványosítható. A többi funkció, a rendszer bővíthetőségének lehetőségével elektromos adatbázis formájában közölhető. A NOAH projekt az ilyen kiegészítő funkciók leírásának szabványa lenne. Minden eszköz leírását (annak virtuális képének létrehozását) lehetővé teszi majd a DDL (Device Description Language) segítségével. A valóságban az eszköz leírása több szintre osztható: az univerzális paramétereket tartalmazó szintre, a konverziós szintre és a paraméterek legmélyebb szintjére, melyhez csak a gyártó férhet hozzá. Az eszköz virtuális képének használata lehetővé teszi az integrációt, egyszerűbbé teszi a bővítést és biztosítja a különböző gyártók által készített eszközök felcserélhetőségét is. A rendszerek közötti kommunikáció és vezérlés az érzékelők tulajdonságainak leírását tartalmazó tömbök segítségével zajlik. Az egységesítési munkák eredménye az európai EN 50170 szabvány, mely lefedi az Európában használatos hálózatokat. A NOAH segítségével a hálózati eszközök határtalan integrációja válik lehetővé. Az alábbi ábra az európai hálózatok NOAH szoftver segítségével való összekapcsolásának elképzelését mutatja be.

119


94. ábra:

120

Az Európai hálózatok a NOAH program segítségével való összekapcsolásának elképzelése


8 Mechatronikus részrendszerek fejlesztése 8.1 Bevezetés Az ipari gyakorlat fejlődése, különösen a gép- és berendezésépítés területén azt mutatja, hogy a szükséges termelékenységi, rugalmassági és minőségi követelmények elérése érdekében egyre komplexebb műszaki rendszereket alkalmazunk. Ez a műszaki tudás fokozott növekedéséhez és az egyes tudományterületeken belül a fokozódó specializálódáshoz vezet. Így egy-egy komplex vezérlési feladat megoldására már számos megoldási lehetőség kínálkozik. A mechatronikusok dolgozhatnak komplex gépek, berendezések vagy rendszerek felszerelésén, üzembe helyezésén és karban tartásán is. Alkalmazzák őket műhelyekben, szerelések helyszínein, vagy szervizekben, s a csapatmunkára is gyakran igény van. Egy komplex vezérlési feladat megoldásakor egy mechatronikus akár a projekt vezetését is elvállalhatja. Ezen feladat megoldásához a mechatronikusnak azonban az adott probléma szakemberének kell lennie. Ismernie kell minden aspektust, ami a probléma megoldásának szempontjából fontos lehet, és rendelkeznie kell a teljes rendszerben való gondolkodás képességével. Csak így képes az egyes szakemberek munkáját koordinálni, és ismereteiket és tapasztalataikat a rendszerbe beépíteni egy optimálisan végiggondolt, működőképes és költséghatékony rendszer létrehozása érdekében. A vezérléstechnikai problémák megoldásának tervezése során az alábbiak szerint érdemes eljárni: -

probléma meghatározása, rendszertervezés, rendszer kivitelezése, a rendszer üzemeltetése és karbantartása.

A komplex rendszerek üzemeltetőinek átfogó ismeretekkel kell rendelkezniük az alkalmazott információtechnikai és energiatovábbítási alrendszerekről, valamint azok kapcsolatairól is.

121

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A szakmunkások és technikusok számára tehát elengedhetetlen a rendszer-orientált gondolkodásmód kifejlesztése.

8.1.1 A mechatronika kifejezés A rendszer kifejezést rendezési sémaként, a gépek és berendezések áttekinthetőségének fokozására alkalmazzák. A rendszer tehát behatárolt, működésképes alkatrészek halmaza, melyek egy adott feladat elvégzése érdekében kapcsolatban állnak egymással. A határ meghúzása természetesen az adott céltól vagy tárgytól függ. Rendszer lehet egy adagoló egység, egy szerszámgép, egy szerelő-berendezés, de akár egy teljes gyár is. A mechatronika kifejezés a mechanika és elektronika összevonásából keletkezett. Ezen túl a mechatronikához tartozik a számítástechnika is. Ezeket az alkotóelemeket a rendszer teljes életciklusa során, azaz a modellezéstől a fejlesztésen át a gyártásig figyelemmel kísérjük. A három részterület metszeteiként új szakterületek jöttek létre. Ez az elektromechanika az elektrotechnika és a pneumatika vagy hidraulika együttese. A mechanika és szoftverek kombinációja például a mozdulatok animációjának virtuális valóságon alapuló rendszerekkel való megvalósításakor fordul elő. A szoftver és elektronika kombinációja pedig pl. a PLC vagy CNC.

95. ábra:

122

A mechatronika részterületei


8.1.2 Alkatrészek feldolgozása és szerelés Egy komplex rendszer több részből illetve alegységből állhat. Ezt egy példán keresztül mutatjuk be. Példa Az alábbi képen egy kampós csiga kötéltárcsája látható. A kötéltárcsa egyes alkatrészeit megmunkáljuk, majd visszaszereljük. (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11)

Tengely Tengelyhüvely Korong (2×) Mélyhornyú csapágy (2×) Porvédő (2×) Karima (1×) Kötéldob korong Imbusz csavar (8×) Rugalmas alátét (8×) Távolságtartó gyűrű Karima (1×)

Az egyes alkatrészek megmunkálásával az egyes feladatok során foglalkozunk.

96. ábra:

Kötéltárcsa A szerelési munkálatokat az alábbiak szerint kell elvégezni: 1)

Előszerelés: a tengely (1) és a tengelyhüvely (2) öszszeállítása

123

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10)

11)

A kötéldob korongjának (7) és a karimának (6) összecsavarozása A porvédő (5.1) a 2)-es pont során előszerelt kötéldobtárcsába való behelyezése A mélyhornyú csapágy (4.1) az előszerelt kötéldobtárcsába való bepréselése Az előszerelt tengelyhüvely (2) tengely (1) az előszerelt kötéldob-tárcsába való betolása A távolságtartó gyűrű (10) behelyezése A mélyhornyú csapágy (4.2) benyomása A porvédő (5.2) behelyezése az előszerelt kötéldobtárcsába Karima (11) pozícionálása A karima (11) előszerelt kötéldob-tárcsával való összecsavarozása imbusz csavarok (8) és a rugalmas alátétek (9) segítségével A két korong (3.1) és (3.2) csatolása

A megfelelő rendszerkomponensek kiválasztása az alábbi szempontok alapján történik: -

a feladat lehető legpontosabb megfogalmazása befektetési- és üzemeltetési költségek meghatározása műszaki követelmények, műszaki jellemzők kiválasztása megbízhatóság és üzemzavari viselkedés megállapítása biztonsági előírások és –berendezések meghatározása üzemi adottságok megállapítása karbantartási kérdések eldöntése raktározhatóság szempontok figyelembevétele piaci körülmények, konkurencia felmérése fejlesztési trendek megfigyelése a megbízó által előnyben részesített beszállítók kiválasztása karbantartási lehetőség felmérése az üzemeltető telephelyén szabványosítási kérdések (alkatrészek utánpózlása) egy beszállítótól a komplett rendszer megrendelése vezérléssel együtt.

Egy komplex rendszer tervezésének alapfeltételei: -

124

a funkciósorozat a mozgásanalízis az erők és nyomatékok a terhelés

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos -

a hidraulika vagy pneumatika alkalmazása esetén a névleges nyomás kiválasztásának feltételeinek az utak (löketek) és sebességek a vezérlés és szabályozás a gyorsulás és időbeli viselkedés a dinamikus viselkedés és merevség a beépítési viszonyok az energiaátadó közeggel szemben támasztott követelmények a többműszakos munkarend a stacionárius vagy mobil üzem az üzemi körülmények (működés tartama, olajhőmérséklet ingadozása, hűtés szükségessége, óvintézkedések, szabadtéri alkalmazás, környezetvédelmi előírások) meghatározása

Az alábbi ábrán feltüntetett részrendszereket vizsgáljuk.

97. ábra:

Részrendszerek

8.2 Vezérlések felépítése Vezérlések esetén vezérlést (vezérlőlánc) és szabályozást (szabályozókör) különböztetünk meg. Vezérlésnek nevezzük azt a folyamatot, amikor egy vagy több mennyiség a vezérlőrendszer szabályai szerint más mennyiségeket befolyásol. Ekkor a befolyásoló mennyiségeket beme-

125

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ neti, a befolyásolandó mennyiségeket pedig kimeneti mennyiségeknek nevezzük. A vezérlésre a nyitott hatás jellemző, azaz a kimeneti mennyiségek nem hatnak vissza a bemeneti mennyiségekre, tehát a kimeneti mennyiségek kívánt értéktől való eltérése nem mérhető és korrigálható. Példa

Egy tartályból folyamatosan folyadékot veszünk ki. Annak érdekében, hogy a tartály ne ürüljön ki, egy szelepen keresztül a folyadékot folyamatosan utántöltjük. Az utántöltött mennyiséget úgy állítjuk be, hogy a kivett mennyiséget pótolja. Vezérlés esetén az utántöltött mennyiség az időszakosan nagyobb vagy kisebb mennyiségű folyadékkivétel esetén sem változik. Ehhez szabályozásra van szükség.

98. ábra:

Vezérlés jelének útja Vezérléseket akkor használunk, ha a zajok mértéke elhanyagolhatóan kicsi. Így például egy ajtót egy gomb megnyomásával nyithatunk, majd az egy adott idő elteltével automatikusan bezárul. A vezérlőlánc előnyei: -

126

egyszerűbben áttekinthető, mint a ható-visszaható mennyiségek láncolata


-

zaj ill. zavar fellépése esetén azonnal beleszólhatunk a folyamatba (nem kell kivárni a célmennyiségre való hatást, a korrekció tehát azonnal elvégezhető) a célmennyiség mérése nem szükséges.

A vezérlőlánc hátrányai: -

99. ábra:

a zajokat illetve zavarokat mérni kell a folyamatot (viselkedést vagy modellt) ismerni kell ahhoz, hogy vezérlőalgoritmust dolgozhassunk ki nincs visszajelzés, azaz nem tudjuk, vajon a vezérlés hatására bekövetkezett-e a célmennyiség kívánt változása

Vezérlési lánc szerkezete

8.2.1 Szabályozás Szabályozás esetén a szabályozandó mennyiséget folyamatosan mérjük, majd a mérési értéket összevetjük a kívánt értékkel. A szabályozó mennyiséget a két érték összehasonlításának eredményeként változtatjuk. A hatáslánc tehát zárt, a mennyiségek visszahatnak egymásra. Ezért szabályozás esetén szabályozókörről beszélünk. Példa

A folyadéktartály folyadékszintjét folyamatosan mérjük. Ha folyadékot veszünk ki a tartályból, azt a szabályozókör felismeri, és pótolja a folyadékot. Az utántöltött folyadék mennyisége ebben az estben megfelel a kivett folyadék mennyiségének.

127

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A szabályozókör hátránya: -

100. ábra:

A szabályozás csak akkor kivitelezhető, ha a szabályozandó mennyiség már eltér a kívánt értéktől

Szabályozás felépítése

8.2.2 Komplex vezérlés A komplex vezérlések esetén különbséget teszünk a hardveres és a szoftveres vezérlés között. A hardverekhez tartoznak az elektrotechnikai és pneumatikus / hidraulikus berendezések és funkciós egységek, valamint a mikroprocesszoros (PLC) és optoelektronikai egységek. A berendezések és funkciós egységek feladata: -

-

-

128

Információgyűjtés: beleértve a vezérlőegységhez való csatlakozást megoldó interfészt is Információ bevitele: mint például a potenciométer, billentyűzet, mágnesszalagok, stb. Információtovábbítás: ilyenek az elektromos, optikai és folyadékvezetékek, melyek analóg vagy diszkrét jelek átadására alkalmasak, valamint a hozzájuk tartozó interfész Információfeldolgozás: mint a szabályozás, PLC-k Információkijelzése (operátorral való kommunikáció): kijelzők és rekorderek, képernyők, adattárolók, archiválók, akusztikus eszközök A szabályozás szelepek, kapcsolók stb. segítségével történik.


101. ábra:

Vezérlő rendszer tagolása

8.2.3 Komplex vezérlések különbségei A komplex vezérléseket különböző szempontok szerint osztályozhatjuk. -

A vezérlés (vezérlőlánc) A szabályozás (szabályozókör) A feladat (állandó értékre vezérlés, követő vezérlés, időbeli vezérlés, útvezérlés, folyamatvezérlés) Az információ (jel) A vezérlés lefolyása (diszkrét vezérlés, digitális, többpontos, bináris) A vezérlés időbeli menete (ütemelt, ütem nélküli) A vezérlés programozása (PLC vagy huzalozott vezérlés) Az erők és mozgások átadása szempontjából.

Az erők és mozgások átadása szempontjából az alábbi lehetőségeket különböztethetjük meg: -

Mechanikus (hajtások segítségével) Elektromos (elektrodinamikus vagy elektromágneses erő segítségével) Pneumatikus (sűrített levegő segítségével, kompresszor szükséges) Hidraulikus (folyadékok segítségével, pl. vízzel, olajjal, glicerinnel)

129

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ -

Kombinált (pneumomechanikus, hidropneuamtikus, elektrohidraulikus, elektropneumatikus, hidroelektromos és hidroelektronikus rendszerek).

8.3 Komplex vezérlések teljesítmény- és jelrésze A vezérléseket általában teljesítmény- és jelrészre osztjuk. A teljesítményrész működhet pneumatikusan, hidraulikusan vagy elektromosan. Az elektromos energia először pneumatikus, majd mechanikus energiává való konvertálása a pneumatikus teljesítményrész feladata. A hidraulikus teljesítményrészben az elektromos energia először hidraulikus, majd mechanikus energiává alakul át. Az elektromos teljesítményrész feladata az elektromos energia mechanikai energiává alakítása. A jelvezérlő-részhez tartoznak a jelbevitelre (pl. gombok), a jelfeldolgozásra (PLC, huzalozott vezérlés esetén relék) és a vezérlés energiaellátására szolgáló berendezések. A jelvezérlő-rész feladata az elektromos jelek előállítása és feldolgozása, valamint a megfelelő interfészeken keresztül a jelek eljuttatása a teljesítményrészhez.

102. ábra:

130

Komplex vezérlés felépítése

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A hidraulikában és a pneumatikában a munkát elsősorban munkahengerek végzik. Az elektrotechnikában ezzel szemben a legfontosabb hajtások a forgó villanymotorok. A hidraulika és a pneumatika esetén a vezérlő és állító tagok is hasonlítanak egymásra: az energiaátadó közeg befolyásolását szelepek segítségével végezzük. Az elektrotechnikában ugyanerre a célra reléket és kontaktorokat használunk. Az energiaellátás a hidraulikában közvetlenül a berendezésben, egy hidraulika-aggregátor segítségével történik. Ezzel szemben a pneumatikában a sűrített levegőt központilag, egy sűrítő-berendezésben (kompresszorban) hozzuk létre. Az elektromos energia távoli erőművekből érkezik. 4. táblázat: Komplex vezérlések szerkezetének összehasonlítása Elektrohidraulika 1. Hajtás

Elektropneumatika

Elektrotechnika

hidraulikus mun- pneumatikus Elektromos vonalkahengerek, munkahengerek, hajtás, hidraulikus motor pneumatikus mo- Elektromotor tor

2. Energiavezérlő rész út- kontaktorok

szabályozás

hidraulikus útsze- pneumatikus lepek szelepek

vezérlés és jeladás

hidraulikus nyo- pneumatikus diódák, más-, áram- és nyomás-, áram- és varisztorok, relék zárószelepek zárószelepek, útszelepek

3. Energiaellátás létrehozása

feldolgozás

hidraulikus hajtás

komplett sűrítő- táphálózat, akkuberendezés mulátorok (elemek) fűtés, hűtés, szű- szárítás, szűrés transzformátorok rés

131


8.3.1 Teljesítményrész Az elektrotechnika és a hidraulika vagy a pneumatika előnyeinek ötvözése érdekében az ipari gyakorlatban elsősorban elektropneumatikus és elektrohidraulikus vezérléseket alkalmaznak. A következőkben ezeket vesszük szemügyre: Definíció: Elektrohidraulika: Az iparban a hidraulika alatt a mechanikus folyamatok mozgásainak és erőinek folyadékok segítségével történő átadását értjük (azaz ide tartozik minden olyan hajtó-, szabályozó- és vezérlési berendezés, mely erőit és mozgásait folyadékok nyomásának segítségével hozzuk létre). Ennek elektromos alkatrészekkel (pl. mágnes) való kombinációja az elektrohidraulika. Elektropneumatika: A pneumatika a pneumatikus berendezések alkalmazása. A pneumatikus berendezések sűrített vagy beszívott levegővel dolgozó gépek. Ennek elektromos alkatrészekkel (pl. mágnes) való kombinációja az elektropneumatika. Elektrotechnika: Az elektrotechnika azon műszaki alkalmazások összessége, melyek az elektromos áram hatását és az elektromos és mágneses mezők tulajdonságait használjuk. Az elektrotechnikát az alábbi területekre oszthatjuk: -

elektromos energiatechnika információtechnika, általános elektrotechnika, félvezetők és mikroelektronika.

A pneumatikus és hidraulikus vezérlések komponenseit elsősorban elektromos energia segítségével, azaz elektromechanikusan vagy elektronikusan működtetjük.

132

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A berendezések mechanikus és elektromos felszerelései közötti legfontosabb kapcsolatként a mechatronika keretében elsősorban a villamos hajtásokat vizsgáljuk. A villamos gépek, mint hajtások a gazdaság minden területén domináns szerepet töltenek be, alkalmazási területük spektruma egyre bővül. A rengeteg lehetőség közüli választás során az üzemeltető szempontjából igen fontos a rendszerképesség. Az alábbi táblázat a rendszerek alapvető összehasonlítását tartalmazza: 5. táblázat: Rendszerek összehasonlítása Elektrohidraulika Fogalmak A görög „hydor” jelentése víz Rendszerfelépítés Hidraulikus és elektromos komponensek Mozgás, erő Hidraulikusból mechanikussá Jelbevitel és Elektromos és -feldolgozás elektronikus komponensekkel

Elektropneumatika A görög „pneuma” jelentése lélegzet Pneumatikus és elektromos komponensek Pneumatikusból mechanikussá Elektromos és elektronikus komponensekkel

Elektrotechnika

Elektromos és elektronikus komponensek Elektromosból mechanikussá Elektromos és elektronikus komponensekkel

A vezérlés teljesítményrészében az alkalmazott rendszertől függően különböző energiaátadó közegeket használunk. A hidraulikában és pneumatikában alkalmazott energiaátadó közegekkel szembeni követelmények: A hidraulikában és pneumatikában alkalmazott energiaátadó közegek nyomást közvetítenek. A nyomás átadására minden olyan anyag alkalmas, mely részecskéinek összenyomhatósága folytán külső erő hatására történő alakváltozás esetén minden irányba azonos nyomásterjedést tesz lehetővé. Az anyagi részecskék eltolódásával szembeni ellenállást viszkozitásnak nevezzük. A nyomásközvetítő anyagot, mint energiahordozó annak energiaátadásra és tárolásra való képessége jellemzi. Energiaközvetítő közeg feladatai: -

Erő átadása (nyomási energia)

133

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ -

Mozgó alkatrészek kenése, Hő elvezetése, Zajok és vibráció csillapítása, Jelátadás.

Az alábbi táblázat az elektrohidraulikában, elektropneumatikában és az elektrotechnikában alkalmazott energiatovábbító közegeket hasonlítja össze. 6. táblázat: Az energiatovábbító anyagok tulajdonságai, és a velük szemben támasztott követelmények Energiatovábbító anyag

Rendelkezésre állás

Elektrohidraulika Olajkeverékek és vizes folyadékok, ásványi olajak, szintetikus olajak (vízmentes, nehezen gyúlékony), bioolajak Rendelkezésre áll

Elektropneumatika Elektrotechnika Gázok (sűrített Elektronok levegő, mint legolcsóbb, korlátlanul rendelkezésre álló gázkeverék)

A levegő korlátlan Rendelkezésre mennyiségben áll áll rendelkezésre Elérhető sebesség Gyors, a pneuma- Nagyon gyors Nagyon gyors tikánál azonban alacsonyabb sebességek lehetségesek Tárolási kapacitás Tárolható, de Nagyon jól tárol- Csak nagy veszteségekkel ható veszteségek mellett tárolható Szállíthatóság Lehetőleg kis tá- Nagy távolságokra Nagyon nagy volságokra távolságokra Túlterhelésbiztonság Túlterhelésbiztos Túlterhelésbiztos Nem túlterhelésbiztos Egészségveszélyeztetés A biztonsági elő- Nincs A biztonsági írások betartása előírások betarmellett nincs tása mellett nincs Más követelmények Levegőkiválasztás, korrózió- és kokavitáció, hidegál- pásállóság lóság, korrózió- és kopásállóság Az alábbi táblázat az elektrohidraulika, elektropneumatika és az elektrotechnika fizikai tulajdonságait hasonlítja össze. 134

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos 7. táblázat: Az energiatovábbító anyagok fizikai tulajdonságai Anyagtulajdonság

Elektrohidraulika - lehetőleg kis sűrűség - kis kompresszibilitás - nem túl alacsony viszkozitás (kenőfilm) - jó viszkozitáshőmérséklet viselkedés - jó viszkozitásnyomás viselkedés - nem túl gyors öregedés - nehezen éghető - jó anyagkompatibilitás

Elektropneumatika - kompresszibilis (a kohézió hibái miatt) - tárolható (nyomási energia) - térfogatváltozás hőmérsékletváltozás következtében - vízoldóképesség a hőmérséklet függvényében - alacsony dinamikus viszkozitás - nem éghető, robbanásbiztos - nagyon kis sűrűség - környezetbarát - nyomásterjedés minden irányba egyenletes

Elektrotechnika - nagyon tiszta - nagy távolságokra veszteségek mellett szállítható - tárolása körülményes

8.3.2 Hajtás Az alábbiakban egy példa alapján világítjuk meg a lineáris és a forgó hajtások előnyeit és hátrányait a pneumatikában, hidraulikában és az elektrotechnikában. Példa

Kötéldob-gép megmunkálása A kötéldob-gépbe négy M12-es menetes furatot akarunk készíteni. Ehhez egy 10,2 mm átmérőjű magfuratot kell fúrnunk. Az előfúrást (6 mm-es átmérővel) már elvégeztük. A megmunkáláshoz furatonként 2500 N-os vágóerőt és 500 Nos haladási erőt számítottunk. A fúró fordulatszáma legyen percenként 750 ill. 1450. 0,5 m/s-os (750 rpm) vágási sebesség mellett 1,6 kW-os maximális vágási teljesítményt számítottunk.

135

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A kötéldobtárcsa biztonságos rögzítéséhez 1000 N erő szükséges. 7 és 11 bar-os sűrített levegő hálózat áll rendelkezésre. A következő lépéseket kell kivitelezni: 1. 2. 3.

A kötéldobtárcsa befogása A fúró gyors üzeme A fúrás és a fúró munkamozgása (forgás)

Az alábbi követelményeket támasztjuk: Befogás: -

Az 1000 N feszítőerő biztos elérése A feszítőerő felügyeletének lehetősége A biztonságos feszítésnek energia-kimaradás esetén is biztosítottnak kell lennie Gyors befogás és elengedés

Haladó mozgás: -

Transzlációs mozgás Túlterhelésbiztonság Elektromos vezérelhetőség Egyenletes, terhelésfüggetlen sebesség 2000 N haladási erő legyen elérhető A gyors és a munka-sebesség közötti váltás gyors legyen Maximális 0,5 m/s-os sebesség legyen elérhető

Fúró mozgása: -

Rotációs mozgás 750/1450 fordulat per perc kis és robusztus felépítés (helyszűke) a megmunkálás helyén 1,6 kW-os vágási teljesítmény

Rajzok, Tervek Egy gép, berendezés vagy funkciókapcsolási- vagy funkciótáblázati, diagrammos, táblázatos, rajzos ábrázolásához, vagy a gép operátori oldalán képszerű, sokszor gyakran egyszerűsített ábrázolást alkalmazunk. Ugyanez érvényes az adatfolyam és a programmenet terveire valamint a logikai kapcsolási tervekre is.

136


A hidraulikában és pneumatikában használatos jeleket a DIN ISO 1219 tartalmazza. A tervek közé tartozik az elrendezési terv, a funkcióterv és a berendezéslista is. Az alábbiakat különböztetjük meg: -

elrendezési terv programlefutási terv logikai terv funkció- és lefutási terv funkciódiagram (út-lépés diagram) kapcsolási rajzok

A vezérlés fejlesztési fokának megfelelően válasszuk ki a megfelelő ábrázolásmódot. A műszakilag leghasználhatóbb megoldás megtalálása érdekében az elrendezési terv és a követelmények listájának segítségével elsőként pontos képet kell alkotnunk a megoldandó problémáról. Elrendezési terv Az elrendezési terv a gépen vagy a berendezésen a hajtás elhelyezkedését mutatja, valamint pontos utasításokat kell adnia a beépítésre vonatkozólag is. A terv legyen áttekinthető, és csak a lényeget tartalmazza.

103. ábra:

Elrendezési terv

137

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ a) Befogás A műszaki követelmények teljesítése érdekében elsőként áttekintjük a lehetséges megoldásokat. Az alábbi táblázat a kötéldob-tárcsa befogására alkalmas berendezések találhatók. 8. táblázat: Követelmények a befogó berendezéssel szemben Követelmények Az 1000 N feszítőerő biztos elérése A feszítőerő biztonságos felügyelete Gyors befogás és elengedés Biztonságos feszítés energiakimaradás esetén Költség

Elektrohidraulika

Elektropneumatika

Elektrotechnika

XX

XX

XX

XX

XX

XX

X

XX

XX

XX

XX

X

Kisebb, mint az elektromágnes esetén

Kisebb, mint az elektromágnes és a hidraulika esetén, mivel a pneumatikus hálózat már rendelkezésre áll

Magas, pólusváltó vezérlő berendezés szükséges

Hidraulikus vagy pneumatikus befogás A hidraulikában és a pneumatikában a befogás munkahengerek segítségével egyszerűen kivitelezhető. A következő kép egy hidraulikus vagy pneumatikus munkahengerrel történő befogást ábrázol. Ügyeljünk a különböző nagyságú befogóerőkre. A munkahenger egy emelőrendszeren keresztül két pofát hoz működésbe, amelyek a munkadarabot két oldalról rögzítik. Az erő nagyságának az emelőrendszer segítségével való megváltoztatását hagyjuk figyelmen kívül. A henger méretezése a hidraulika esetén és a pneumatika esetén is hasonlóan történik.

138

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A szükséges F feszítőerő legyen 1000 N. Hidraulika esetén 70 bar, pneumatika esetén 6 bar nyomást tételezünk fel. A hidraulikus munkahenger adatai: p=F/A A=F/p A = 1000N / 70 bar A = 1,43 cm2 Tehát a dugattyú átmérőjére d=13,5 mm-t kapunk. A tipikus kis hidraulikus munkahenger átmérője 25 mm, a dugattyúrúd átmérője 12 mm. Ez a munkahenger tehát alkalmas lehet. A pneumatikus munkahenger adatai: p=F/A A=F/p A = 1000N / 6 bar A = 16,7 cm2 Tehát a dugattyú átmérőjére d=46,1 mm-t kapunk. Alkalmazhatunk tehát 50 mm dugattyú-átmérőjű munkahengert. Ha előfordulhat nyomásesés, vagy alacsonyabb hatásfokból indulunk ki, válasszuk az eggyel nagyobb hengert.

104. ábra:

Öncentráló befogó berendezés hidraulikus vagy pneumatikus befogás esetén

139

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Befogás elektromágnes segítségével Mivel a befogandó alkatrész öntött acél, a kötéldob-tárcsát elektromosan, egy elektromágnes segítségével is befoghatjuk. A mágneses befogórendszerek tulajdonságai: -

nagyfokú pontosság, minimális szerelési idő, egyenletes befogóerő a teljes felületen, tehát a munkadarab nem húzódhat el, a bekapcsolt mágnes hideg marad, energia-kimaradás esetén is tart, energiatudatos, áramot csak egy rövid impulzus erejéig használ.

Ellenérv, hogy a mágnes működtetéséhez egy pólusváltó vezérlőberendezés szükséges, mely a szükséges befogóerőt állítja be. Szintén ez gondoskodik arról is, hogy a befogórendszer lekapcsolása után a reziduális mágneses mező a mágnes pólusainak felcserélése következtében a lehető legnagyobb mértékben leépüljön.

105. ábra:

Munkadarab befogására szolgáló elektromágnes A mágneses befogó-berendezéseket több formában gyártják. A kerek változat esetén a felületbe bedolgozott centráló rovátkák segítik a munkadarab megfelelő pozicionálását. Ezen léteznek központosító furatok is.

140

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Tipikus mágneses befogórendszer: -

tipikus tartóerő kb. 100 N/cm2 védelmi osztály: IP 65 a mágnes bekapcsolás időtartama: 100%

A csatalakoztatás egy pólusváltó vezérlőberendezés segítségével történik, melynek műszaki adatai: -

106. ábra:

230 vagy 380 V hálózati feszültség, a mágnes méretétől függően 60 Hz-re átkapcsolható 50 Hz-es hálózati frekvencia PLC-re 24 V-os jelfeszültséggel csatlakoztatható A mágnesezés és a demágnesezés nyomógomb vagy kapcsoló segítségével indítható A tartóerő nagysága szabályozható

Elektromágneses befogó-berendezés Miután felsoroltuk a különböző befogási lehetőségek tulajdonságait, összehasonlíthatjuk őket. A befogásra alkalmas: -

Hidraulikus munkahenger, Pneumatikus munkahenger, Elektromágnes

Műszakilag ez a három megoldás tesz eleget a követelményeknek. Az elektromágnes mellett szól az egyszerű kezelhetőség, mivel a dobtárcsa befogásához nincs szükség további befogó-

141

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ berendezésre. Ellene szól a szükséges pólusváltó vezérlőberendezés magas beszerzési ára. A pneumatikus munkahenger mellett szól annak gyorsasága, valamint az, hogy az üzemben már rendelkezésre áll egy pneumatikus hálózat, így azt nem kell külön kiépíteni. Ezzel az energia-előállítás költsége nulla. Ez azonban csak akkor érvényes, ha a hálózatból a befogáshoz elegendő sűrített levegőt lehet kivenni. A hidraulikus munkahenger alkalmazása mellett szól, hogy minden felsorolt követelménynek megfelel. Azonban az 1000 N-os, relatív kis befogóerő esetén érdemesebb pneumatikus munkahengert alkalmazni, hiszen a hidraulikus berendezések beszerzési költsége igen magas. A pneumatikus és hidraulikus munkahengerek alkalmazása ellen szól, hogy ebben az esetben szükség lenne egy befogóberendezés megtervezésére és elkészítésére. Az összehasonlítás alapján világos, hogy több megoldás is lehetséges, minden lehetőségnek vannak előnyei és hátrányai, és mindannyian egyenlő mértékben tesznek eleget a követelményeknek is. Mivel a példában a pneumatikus hálózat meglétéből indultunk ki, a befogás megvalósításához a pneumatikus munkahenger mellett döntünk.

142

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos b) Haladó mozgás Az M12-es menethez tartozó lyuk kifúrásához ki kell választanunk egy haladó mozgást biztosító hajtást. Az alábbi táblázat az alkalmas berendezéseket tartalmazza. 9. táblázat: Követelmények a haladó mozgást biztosító hajtással szemben Követelmények Transzlációs mozgás Túlterhelésbiztos Elektromosan vezérelhető Erő F=2000 N Max. sebesség v=0,5 m/s Gyors- és munka tempó megvalósítható Rángatásmentes

Elektrohidraulika

Elektropneumatika

Elektrotechnika

XX

XX

XX

XX

XX

-

XX

XX

XX

XX

X

-

XX

X

X

Nehezen megvalósítható

-

X

X

XX Egyszerűen lehetséges XX

Az összehasonlítás eredményeként látható, hogy a hidraulikus lineáris hajtás felel meg leginkább a célnak. A elektromos lineáris motorok folyamatos fejlődésének eredményeképpen nemsokára már ezek is versenyképes alternatívák lehetnek. Az elektromos lineáris motorok könnyűfémek lineáris megmunkálása esetén mindenképpen alkalmasak, és komoly konkurenciát jelentenek a hidraulikus hajtásoknak, mivel ezek a 4 m/s-os sebességhez hasonló magas sebességek elérésére nem képesek. A példában hidraulikus munkahengert használunk, mivel ez teljesíti leginkább a követelményeket. A hajtó hidraulikus munkahenger méretezését a befogásra szolgáló henger méretezéséhez hasonlóan végezzük el. A hajtás hatásfokát a jelen számításkor elhanyagoljuk. A szükséges F feszítőerő legyen 2000 N. A befogáshoz hasonlóan 70 bar nyomást tételezünk fel. Ezen túl megvizsgáljuk, előnyösebb lenne-e 160 bar nyomás használata.

143

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Hidraulikus munkahenger, 70 bar: p=F/A A=F/p A = 2000N / 70 bar A = 2,86 cm2 Tehát a dugattyú átmérőjére d=19,1 mm-t kapunk. A tipikus kis hidraulikus munkahenger átmérője 25 mm, a dugattyúrúd átmérője 12 mm. Ez a munkahenger tehát alkalmas. A nyomás 160 bar-ra való növelése tehát nem szükséges. c) Fúrás A furat előállításához ki kell választanunk egy megfelelő hajtást. A forgómozgás létrehozása esetén az alábbi motortípusok jönnek szóba: -

Sűrített levegős motor, Hidromotor, Elektromotor

Az alábbi táblázat az ehhez alkalmas berendezéseket tartalmazza. 10. táblázat: Követelmények a fúrást biztosító hajtással szemben Elektrotechnika Követelmények Elektrohidraulika Elektropneumatika Rotációs mozgás XX XX XX Fúró fordulatszáma Áramszabályozó beállítható szelep segítséKivitelezhető, de Kivitelezhető terhelésfüggő 750 és 1450 rpm-re gével kivitelezhető Forgatónyomatékok: Lásd a diagraM1=10Nm és Lásd a diagramot Lásd diagramot mot M2=20Nm Vágási teljesítmény X X X P=1,6kW Lásd a számíLásd a számítást Lásd a számítást tást Kis helyigény a beXX XX Kivitelezhető építés helyén Túlterhelésbiztos Csak megfelelő véXX XX dőberendezésekkel A következőkben a legalkalmasabb hajtás kiválasztása érdekében a különböző forgó hajtások tulajdonságait hasonlítjuk össze.

144

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A hidraulikus motorokat különböző szempontok alapján vizsgálhatjuk. A hidraulikus motorok fordulatszám szerinti osztályozása esetén lassú, közepes, és gyorsfutású motorokat különböztetünk meg. A lassú futású motorok alacsony fordulatszámon, váltószerkezet közbeiktatása nélkül nagy forgatónyomatékot biztosítanak. Példánk esetén erre nincs szükség. Az alábbi ábrán a következő hidraulikus motorokat ábrázoltuk: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Axiáldugattyús motor egyenes főtengellyel Axiáldugattyús motor szög alatt álló főtengellyel Radiáldugattyús motor belső erőkifejtéssel Radiáldugattyús motor külső erőkifejtéssel Fogaskerék-motorok Szárnyas motor Gerotor motor

A szükséges fordulatszám a közepes-magas tartományban helyezkedik el, így az 1, 2, 3, 5 és 6-os motorok jöhetnek szóba.

107. ábra:

Hidromotorok fordulatszámuk szerinti besorolása A hidraulikus motorok nyomaték szerinti osztályozását az alábbi ábra mutatja. A számok a korábban bevezetett motorszámozással egyeznek meg.

145

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A 10 és 20 Nm-es forgatónyomaték létrehozására csak két motor alkalmas, a fogaskerék-motor és a szárnyas motor. A továbbiakban tehát azt vizsgáljuk meg, a két motor valamelyike alkalmas-e a példában bemutatott alkalmazás esetén.

108. ábra:

Hidromotorok forgatónyomaték szerinti besorolása Az adott alkalmazáshoz a 2 kW-os fogaskerék-motort választottuk. A motorok jelleggörbéit a következő ábra mutatja.

109. ábra:

146

Fogaskerék-motor jelleggörbéi

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A két alkalmazási esetben tehát az alábbi értékeket kapjuk: Fordulatszám: Forgatónyomaték: Nyomás: Térfogatáram:

750 rpm 20 Nm 120 bar 10 l/min

Fordulatszám: Forgatónyomaték: Nyomás: Térfogatáram:

1450 rpm 10 Nm 60 bar 20 l/min

A fogaskerék-motor kapcsolásához a nyomás beállítására egy nyomáshatároló-szelepre, a térfogatáram beállításához pedig egy áram-szelepre van szükség. Az így kialakuló kapcsolás igen körülményes. Lehetséges azonban a nyomáshatároló-szelep helyett a proporcionális nyomás-szelep, az áram-szelep helyett pedig egy proporcionális útszelep alkalmazása. Ez a megoldás nagyon jó, azonban a hozzá tartozó vezérlőelektronika miatt költségesebb, mint az előbbi változat. További lehetőség a szárnyas motor használata. Ez a motorfajta használható szabályozható vagy nemszabályozható hidromotorként is. Az ilyen motorokat azonban elsősorban állandó térfogatáramú változatban állítják elő, a szabályozható térfogatáramú változat ritkább. A szárnyas motorok főleg nagy forgatónyomatékok esetén használatosak. Alkalmazási példánk esetén ugyan használhatnánk ilyen motort, azonban ennek kapcsolása is igen bonyolult. Forgó mozgás pneumatikus motorok segítségével is létrehozható. A pneumatikus motorok esetén az alábbi típusokat különböztetjük meg: -

Radiáldugattyús motor, Axiáldugattyús motor, Lamellás motor

147

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A példában vizsgált alkalmazáshoz hasonló alkalmazások esetén a sűrített levegős motorok közül leggyakrabban a lamellás motorokat használják. Az ilyen motorokat 0,1 - 15 kW teljesítménytartományban állítanak elő. Az üresjárati fordulatszámuk 1000 és 50 000 rpm között helyezkedik el. Példánk megoldásához ezért lamellás sűrített levegős motort választunk.

110. ábra:

Teljesítménydiagram 6,3 bar-os üzemi túlnyomás esetén A sűrített levegős motor az egyik legsokoldalúbb és legrobusztusabb hajtástípus, mely emellett széles tartományban szabályozható is. A teljesítmény egyszerűen, a bevezetett levegő mennyiségének egy fojtószeleppel vagy nyomásszeleppel való szabályozásával változtatható. A sűrített levegős motorok a szaggatott vonallal jelölt tartományig igen megbízhatóan működnek. Példaalkalmazásunk esetén két egymástól függetlenül kapcsolható fojtószelepre, vagy egy nyomás-szelepre és egy fojtószelepre van szükség. Ennél jobb megoldás lehet egy váltós sűrített levegős lamellás motor előkapcsolása.

148


111. ábra:

Sűrített levegős motorok működési tartománya A harmadik lehetőség a hajtások szempontjából az elektromotor. Két eltérő fordulatszám megvalósításához egy Dahlanderkapcsolású pólusváltó motor jöhet szóba. Ez azonban nagyon drága, és igen nagy is. Ezért jobb megoldásnak tűnik, ha a két eltérő fordulatszám megvalósítása érdekében váltós háromfázisú aszinkronmotort használunk. Miután a három különböző hajtási lehetőséget egyenként szemügyre vettük, következzék a kiértékelés. A legolcsóbb megoldás egy elektromos aszinkronmotor, mely elé váltót kapcsolunk, hogy a két eltérő fordulatszámot létre tudjuk hozni. Mivel a főhajtás több eltérő, azonban állandó fordulatszámmal működik majd, ezt a legegyszerűebben egy többfokozatú váltó segítségével valósíthatjuk meg. A több eltérő fordulatszám megvalósítása érdekében tehát egy váltót kell a hajtás elé kapcsolnunk. Ha csak két fordulatszámot használunk, ezt pólusváltó motor segítségével oldhatjuk meg. Az ilyen motorok azonban az aszinkronmotorokhoz képest nagyok és drágák.

149

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A mechatronika területén az egyes energiatípusok határai elmosódnak. Az egyes energiatípusok előnyeinek optimális kihasználása érdekében gyakran azok kombinációját alkalmazzák. Így tehát sokszor használunk elektropneumatikus vagy elektrohidraulikus rendszereket. Példánk esetén például a fúró transzlációs mozgása kivitelezhető egy hidraulikus transzlációs tengely és egy ahhoz kapcsolódó bolygóváltós sűrített levegős lamellás motor kombinációjaként. Ebben az esetben a hidraulika és pneumatika mechanikával valamint elektrotechnikával való kombinációját használjuk.

8.3.3 Jeladó, vezérlő és beállító tagok A vezérlést teljesítmény- és jelvezérlő részre osztjuk. A teljesítményrész tartalmazza a hajtást, az energiavezérlést (beállító és vezérlő tagok) valamint az energiaellátó-részt. A jelrész a funkciós blokkokat, a jelfeldolgozást a vezérlő energiaellátását valamint a jelkiadást tartalmazza. A tényleges vezérlési feladatokat a jel- és információfeldolgozás tölti be. A vezérlés feladata egy vagy több bejövő jel fogadása, azok a megadott programnak megfelelő kiértékelése, majd a kimeneti jelek kiadása. A hajtás kiválasztása már megtörtént. A befogást egy pneumatikus munkahenger, a transzlációs mozgást pedig egy hidraulikus munkahenger segítségével végezzük. A rotációs mozgást egy elektromotor hozza létre. Az adott energiákat természetesen észszerűen kell vezérelnünk. Ez az energiavezérlő részben beállító és vezérlő tagok segítségével történik. A meghajtásához beállító elemekre van szükség. Ezek feladata a folyadéktechnikában a hidraulikus vagy pneumatikus energiaközvetítő közeg útjának befolyásolása. Kettősműködtetésű munkahengerek esetén a beállítást útszelepek segítségével végezzük. A pneumatikában, ha nincs szükség záró középállásra, 5/2-útszelepeket használunk.

150

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A transzlációs mozgást a hidraulikus hajtás adja. A kettősműködtetésű hidraulikus munkahenger beállításához egy 4/3útszelepet használunk. Az elektromotort relék és kontaktorok segítségével vezéreljük. A szelepek és relék helyes kiválasztása és jelölése csak a végleges kapcsolási rajz elkészülte után lehetséges. A jelvezérlő-részben a jelek be- és továbbviteléhez jelbevivő berendezéseket használunk. Ilyenek lehetnek például az alábbiak: -

-

Parancsot teljesítő elemek (elektromos nyitók, zárók, váltók, pneumatikusan működtetett 3/2-útszelepek mint jeladó elemek) Érzékelők (közelítéskapcsolók) Jelátalakítók (hidraulikus ill. pneumatikus nyomáskapcsolók) Jelzőberendezések (optikai, akusztikai)

A tulajdonképpeni vezérlés maga a jelfeldolgozás, hiszen ez tartalmazza azt a programot vagy szoftvert, mely alapján a vezérlés működik. Minden vezérlés programozható. A vezérléseket programozható logikai vezérlőkre (PLC) és huzalozott vezérlésekre osztjuk. A huzalozott vezérlés előnyei: -

Robusztus, Zavarokra nagymértékben érzéketlen, Széles körben elterjedt és ismert, Megbízható, Olcsó, különösen kisebb rendszerek esetén, Kb. 8 reléig hasonlóan gazdaságos, mint a PLC-k.

Hátrányai: -

Nagy helyigény, Csak bináris funkciókat tud feldolgozni, A program végleges, csak áthuzalozással változtatható, Körülményes fejlesztés és gyártás, Kopás miatt igen karbantartásigényes, Költségintenzív, ha nagy programról van szó.

151

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A PLC előnyei: -

A kártyatechnikának köszönhetően könnyen cserélhető Nagymértékben megbízható (érintésmentes elemek), A vezérlési feladat gyorsan módosítható, Kis helyigény, Dokumentáció lehetséges, Programtesztelés lehetséges, Lehetséges a vezérlés menetének felügyelete, Megfigyelhető a feldolgozás állapota.

A PLC hátrányai: -

Magas beszerzési költség, A programozáshoz programozó-berendezés szükséges, ez drága

A vezérlő elemek kiválasztása szintén a kapcsolások végső kifejlesztését követően történik. Az alábbi funkciókat különböztetjük meg: -

Irányok zárására szolgáló vezérlő elemek Átfolyást befolyásoló vezérlő elemek, Nyomásszelepek és varisztorok (elektromos biztosíték)

A hajtott alkatrészek mozgásáról a jeladó elemek segítségével nyerünk információt. Az így nyert jeleket dolgozza fel a vezérlés. A mechanikai mozgásokat gyakran elektromos jelekké alakítjuk. Mechanikus helyzetkapcsolók: -

Kapcsolási pontosság legfeljebb 0,001 mm, Élettartam: 10 millió kapcsolás, Érintéses működés, így kopás léphet fel.

Reed-közelítéskapcsolók: -

Kapcsolási pontosság ±0,1 mm, Élettartam: 5 millió kapcsolás, Tipikus munkahenger kapcsoló alkalmazás, Közeledés esetén egy permanens mágnes átkapcsolja a kapcsolót.

Induktív közelítéskapcsolók: -

152

Csak elektromosan vezető anyagokat észlel,


Kapcsolási távolság: tipikusan 0,8 – 10 mm, legfeljebb 250 mm, Olcsóbb, mint a kapacitív közelítéskapcsoló, Érintésmentes.

Kapacitív közelítéskapcsolók: -

Minden >1 dielektrikus állandójú anyagot észlel, Kapcsolási távolság: tipikusan 5 – 20 mm, legfeljebb 60 mm, Érintésmentes.

A példában a három hajtást egymástól függetlenül vizsgáljuk. A pneumatikus befogóhengert egy kézi működtetésű útszeleppel vezéreljük. Itt nincs szükség végállás-kapcsolóra, mivel az operátor csak akkor kapcsolja be, ha a befogás már lezajlott. A befogónyomást egy szelep segítségével ellenőrizzük, mely a megfelelő nyomás elérésekor átkapcsol. A fúró transzlációs mozgását biztosító hidraulikus munkahengert szintén egy kézi működtetésű útszeleppel vezéreljük. Itt sincs szükség végállás-kapcsolóra. A gyors üzemről normál üzemre való átkapcsolás egy görgős útszelep segítségével történik, melyet az előrefutó munkahenger hoz működésbe. A fúró elektromos hajtásának ki- és bekapcsolása gombok vagy kapcsolók segítségével történik. Végül a teljes folyamatot egy komplex vezérléssé foglaljuk öszsze, így PLC-s vezérlésre van szükség. A PLC bemenő jeleit a közelítéskapcsolók és a kapcsolók adják. A nyomáskapcsoló is bemenő jelet ad, ez felügyeli a befogási nyomást. A PLC által kiadott jelek vezérlik a szelepek elektromágneseit, valamint az elektromos hajtás esetén a relék kapcsolását. A példához az alábbi érzékelőket választjuk:

153

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A pneumatikus munkahenger kapcsolókat alkalmazunk, mivel: -

esetén

reed-közelítés-

Ezek a leggyakrabban használt kapcsolók a munkahengerek végállapotának érzékelésére Megbízhatóak A rendszerbe jól integrálhatók Minden követelményt pontosan és megbízhatóan teljesítenek.

A hidraulikus munkahenger esetén a végállás-kapcsolók mellett egy harmadik kapcsolóra is szükség van, mely a gyors és a munka sebesség között kapcsol. Mindhárom érzékelő esetén induktív közelítéskapcsolókat használunk. Az induktív közelítéskapcsolók az alábbi követelményeknek tesznek eleget: -

-

154

Az acél hengercső következtében nem használhatunk reed-kapcsolókat, mivel az acél nagymértékben gyengítené a mágneses teret, Alkalmasak a munkahengerek végállásának lekérdezésére, Biztosan és megbízhatóan működnek, Olcsóbbak, mint a kapacitív közelítéskapcsolók.


9 Komplett mechatronikus rendszer fejlesztése 9.1 Kiválasztott komponensek Mielőtt a teljes komplex vezérlés dokumentációja elkészülne, az alkalmazásnak megfelelő követelmények alapján ki kell választanunk a használandó hajtásokat. Ez a pneumatikus, hidraulikus és elektromos részrendszerek összehasonlításával megtörtént. Megállapíthattuk, hogy az optimális megoldás megtalálása igen nehéz, mivel az alkalmazási területek, vagy a műszaki paraméterek számos területen fedik egymást. Kiindulhatunk tehát abból, hogy a gyakorlatban sokszor többszörös kompromiszszumot kell kötnünk. A példaalkalmazáshoz az alábbi meghajtókat választottuk ki: A befogást pneumatikus munkahenger segítségével végezzük. A fúró transzlációs mozgását egy hidraulikus munkahenger biztosítja. Mivel két eltérő fordulatszámot kell elérnünk, a fúró hajtása egy váltóval felszerelt elektromotor lesz. A komplex rendszer vezérlésére PLC-t használunk. A végállapotok jelzéséről a pneumatikus henger esetén érintésmentesen üzemelő reed-kapcsolók, a hidraulikus henger esetén pedig az induktív közelítéskapcsolók gondoskodnak. Mindkét munkahenger esetén használhatunk mechanikus pozíciókapcsolókat is, azonban ezekről azok érintéses működési elve miatt lemondunk. Ezen kívül egy nyomáskapcsoló segítségével ellenőrizhető a befogóhenger befogóereje. Ezt a továbbiakban az egyszerűség kedvéért elhanyagoljuk.

9.2 Segédeszközök a vezérlés fejlesztéséhez A következő lépés a kapcsolási rajz létrehozása. Fontos, hogy munkánkat egymás után kivitelezhető lépésekre osszuk.

155

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Először csak vázlatot készítünk. Ehhez különböző ábrázolási jeleket használhatunk, így a feladatot általánosságban rögzítjük. A projektben résztvevő szakmunkások, mesterek, mérnökök és más szakemberek kommunikációjának egyszerűsítése szempontjából használjunk egységes jelöléseket, és rajzokat! Ezt követi majd a kapcsolási rajz elkészítése. A kapcsolási rajzok elkészültével következik a berendezés megépítése. Ügyeljünk arra, hogy a berendezés egyes alkatrészeit a kapcsolási rajznak megfelelő jelöléssel jelöljük. Az utolsó lépés a vezérlés üzembe helyezése. Ha ekkor változtatási igény merül fel, ezeket feltétlenül rögzítsük a dokumentációban is.

112. ábra:

Vezérlések fejlesztésének módszere

9.2.1 Elrendezési terv Az elrendezési terv a berendezés egyes alkatrészeinek elhelyezkedését mutatja, valamint utasításokat tartalmaz a beépítésre vonatkozóan. Az elrendezési terv legyen áttekinthető, és csak a lényeget tartalmazza. Az elrendezési terv nem tartalmazza az egyes hengerkapcsolók pozícióit, ezért ezeket írásban rögzítjük:

156


B1 B2 B3 B4 B5

Az 1A pneumatikus henger belső szélső helyzete Az 1A pneumatikus henger külső szélső helyzete A 2A hidraulikus henger belső szélső helyzete Átkapocsolási pozíció a gyors és az üzemi sebesség között A 2A hidraulikus henger külső szélső helyzete

Rögzítsük az elektromos kapcsolók jelöléseit is: S0 S2 S3

113. ábra:

Indító gomb Az n1 fordulatszám gombja Az n2 fordulatszám gombja

A kötéldob-tárcsa megmunkálásának elrendezési terve

9.2.2 Programlefutási terv A programlefutási terv a részfolyamatok funkcionális összefüggéseit mutatja. Ezekből adódik a program helyes lefutása. A programlefutási terv az összes lehetséges programfutást ábrázolja. A használatos jelöléseket a DIN 66 001 rögzíti. A programlefutási terv másik használatos neve a folyamatábra, illetve a programszerkezet terv. A példaalkalmazás esetén tehát a programlefutási terv az alábbi lépéseket tartalmazza:

157


1. lépés:

Ha az n1 (S2 gomb) vagy n2 (S3 gomb) fordulatszám ki van választva, teljesülnek az indítási feltételek.

2. lépés:

A fordulatszám kiválasztása után megnyomjuk az S1 indítógombot, az 1A befogóhenger előrefut.

3. lépés:

Ha a B2 érzékelő működésben van, a 2A transzlációt biztosító munkahenger gyors ütemben előrefut, valamint bekapcsol az M1 fúróhajtás.

4. lépés:

Ha a B4 érzékelő van működésben, a 2A transzlációt biztosító munkahenger üzemi sebességre áll.

5. lépés:

Ha a B5 érzékelő van működésben, a 2A transzlációt biztosító munkahenger a belső szélső helyzetbe áll, valamint az M1 fúróhajtás kikapcsol.

6. lépés:

Ha a 2A transzlációt biztosító munkahenger visszafutott és működésbe hozta a B3 érzékelőt, Az 1A befogóhenger visszatér kiindulási helyzetébe.

7. lépés:

Az 1A befogóhenger szélső helyzetében működésbe hozza a B1 érzékelőt, mely bezárja a programot.

Ha a fordulatszám kiválasztásához két külön gombot használunk, előfordulhat, hogy a felhasználó a két gombot egyidejűleg nyomja meg. Ezt a fenti példa még nem vette figyelembe. A kapcsolási rajz későbbi létrehozásakor tehát ügyeljünk arra, hogy csak egy fordulatszám legyen kiválasztva.

158


114. ábra:

Programlefutási terv A lefutás leírása azonban algebrai alakban is történhet. A logikai kapcsolatot ekkor a megszokott jelek jelzik: a pont az ÉSkapcsolatot, a plusz-jel pedig a VAGY-kapcsolatot jelzi.

159

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A sor végén azon érzékelő jele áll, amely érzékelő a feladat elvégzését jelzi. 1. lépés:

S2 + S3 = x

2. lépés:

x ⋅ S1 = 1A +

→ B2

3. lépés

B2= 2A gyors ⋅ M1 +

→ B4

4. lépés:

B4 = 2A munka sebesség

→ B5

5. lépés:

B5 = 2A - ⋅ M1 -

→ B3

6. lépés:

B3 = 1A -

→ B1

7. lépés:

B1 = program vége

9.2.3 Logikai terv A vezérlés vagy berendezés kivitelezésétől függetlenül a logikai terv egyértelműen leírja a vezérlésen belüli összefüggéseket, kapcsolatokat és a jeláramlást, azonban nem szolgáltat információt a konkrét kivitelezésről. A logikai ÉS, VAGY és NEM kapcsolatokat alkalmazzuk. A jelek tárolása flip-flop-ok segítségével történik. A kapcsolási algebra szabályai érvényesek. A logikai terv tehát egy kapcsolati és tárolási jelzéseket tartalmazó jeláram-terv, melyen belül a hatásvonalat nyíl nélkül ábrázoljuk. A logikai funkciók és bináris elemek grafikus jeleit az EN 60617-12 rögzíti. Sok fejlesztő egyszerű vezérlések esetén nem használ kapcsolati táblát, hanem helyette inkább a logikai tervet részesítik előnyben. Így a logikai terv a villanyszerelők vagy elektronikusok és a pneumatikusok és hidraulikusok közötti kommunikáció eszköze is.

160


115. ábra:

Logikai terv

9.2.4 Funkcióterv A funkcióterv hasonlít a PLC programozási nyelvhez. Több, egymás alá rendezett lépésből épül fel. Minden lépéshez egy vagy több tevékenységet rendelünk. A kezdőlépést különleges jelöléssel látjuk el. A program lefutása során mindig csak egy lépés, és a hozzá tartozó tevékenység aktív. A több lépés folyamán aktív tevékenységet be kell állítani, majd később resetelni kell. A következő lépésre való továbbkapcsolás a köztes átmeneti feltétel teljesülésével lehetséges. A funkcióterv a vezérlési feladat nagyon kompakt megjelenítése. A vezérlés durva szerkezetének, és a finomszerkezetének megjelenítése is lehetséges. A német DIN 40719 szabványt Németországban 2005-ben kiváltotta a Grafcet EEN 60848 szabvány.

161


116. ábra:

Grafcet

9.2.5 Funkciódiagram A funkciódiagram rendszerint egy út vagy állapotdiagram. Így tehát az út-lépés-diagramokat és az út-idő-diagramokat szintén a funkciódiagramok közé soroljuk.

162

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az út-lépés-diagramban a hajtó tag mozgását vonalak ábrázolják, így ez csak egyszerű folyamatok, például egy vagy több henger mozgásának reprezentálására alkalmas. A munkafolyamat funkciósorozatát az út-lépés-diagram lépésekre osztja. Egy-egy építőelem állapotváltozása a rács segédvonalain indul és végződik. Az időbeli léptéket utólagosan, a lépéstengellyel párhuzamosan berajzolhatjuk. Ez a tengely így tehát nem feltétlenül lineáris. Az állapotokat a rács vízszintes vonalain jelöljük. Így például az 1A munkahenger 0 állapota azt jelenti, hogy a dugattyú behúzott állapotban található. Az előrefutott állapotú dugattyút az 1-es állapot jelöli. Az út-idő-diagramon ezzel ellentétben a segédvonalak azonos időegységeket jelölnek. Az állapotváltozás meredeksége tehát annak sebességét mutatja.

117. ábra:

Út-lépés-diagram, és út-idő-diagram A funkciódiagram egy vagy több egység funkciósorát és a hozzájuk tartozó építőelemek vezérléstechnikai kapcsolatait ábrázolja. Az egyik koordináta az állapotot, például az utat, a nyomást, a szöget vagy a fordulatszámot reprezentálja, míg a másik koordináta a lépések számát adja meg. Ezzel egyidejűleg az időt is megadhatjuk. Az ábrázolás nincs léptékhez vagy mértékegységhez kötve. A funkcióvonal az egység vagy tag állapotát jelöli a funkció során. A nyugalmi állapotot vékony vonal jelöli. Minden, a nyugalmi állapottól eltérő állapotot vastag vonal jelöl.

163

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A munkahengerek funkcióvonalait két lépés között ferdén húzzuk meg. Ez jelöli a munkahenger időbeli elmozdulását és annak tartamát. Ezzel szemben az útszelepek vagy elektromos motorok átkapcsolását függőleges vonal jelöli, hiszen ez pillanatszerűen zajlik, időbeli tartama gyakorlatilag nincs. A különböző egységek és tagok összefüggéseit jelvonalak emelik ki. A jelvonalak kötik össze a funkcióvonalakat. A jel hatásának irányát nyíl jelöli.

118. ábra:

Funkciódiagram: jelvonalak, és néhány kapcsolási jel A funkcióvonalakon elhelyezkedő pontok határkapcsolókat jelölnek. Ezeknek nem feltétlenül a funkcióvonal végén kell elhelyezkedniük. A hosszabb szakaszon történő működtetés is lehetséges. A jelek VAGY-kapcsolatát és a jelelágazásokat szintén pontok jelölik. Ezzel ellentétben az ÉS-kapcsolatokat ferde vonalak jelzik. Az alábbi ábrán az S2 és S3 jeladó tag között VAGY-kapcsolat áll fenn. A vezérlés az S0 gomb megnyomásával indul. A fordulatszám megadása és a startjel között ÉS-kapcsolat van. Ha adottak az indítási feltételek, a befogóhenger előrefut. Szélső állapotában müködésbe hozza a B2 hengerkapcsolót, mely bekapcsolja a transzlációs munkahenger gyors üzemét

164

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos és az elektromotort. A gyors üzemről üzemi sebességre való átkapcsolást a vonal törése jelzi. A transzlációs henger végállapotának elérésekor a fúró motorja kikapcsol, a henger pedig elkezd visszahúzódni. Amint a transzlációs henger visszatért kiindulási állapotába, a befogóhenger is visszahúzódik. Ezzel elértük a kiindulási állapotot.

119. ábra:

Funkciódiagram

9.2.6 Kapcsolási rajz A kapcsolási rajz a vezérlés minden berendezésének és az azokhoz vezető vezetékeknek, valamint azok kapcsolatainak ábrázolása. Ez a műszaki szakemberek egyik legfontosabb kommunikációs eszköze. A hidraulikus és pneumatikus berendezések és alkotóelemek használatos jeleit a DIN ISO 1219 rögzíti. Nagyobb kapcsolások esetén ezen túl berendezéslistát is készítenek. Az elektrotechnikában használatos fontosabb alkatrészszabványokat és kapcsolási jeleket az EN 61082 foglalja öszsze.

165

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Az elektrotechnikában, a hidraulikában és a pneumatikában a huzalozási tervek is fontos szerepet játszanak. Ezek ábrázolják a gép különböző helyein felszerelt berendezéseken, berendezésrészeken illetve a ki- és bemeneti elemeken belüli és az azok közötti vezetékek kapcsolatait. A példaalkalmazás kapcsolási rajzainak elkészítése előtt foglaljuk össze a kiválasztott elemeket. A kötéldob-tárcsa befogásához egy kettősműködésű pneumatikus munkahengert alkalmazunk. Ez az alábbi követelményeknek tesz eleget: -

Transzlációs mozgást végez, A befogóerőt nagy biztonsággal biztosítja.

Állító tagként egy 5/3-útszelepet használunk. Ez az alábbi követelményeknek tesz eleget: -

A befogóerő biztos kifejtése majd felengedése, Biztonságos befogás energia-kimaradás esetén is, a zárt középállásnak köszönhetően

Vezérlőtagként egy fojtó-visszacsapószelepet alkalmazunk. Ez az alábbi követelményeknek tesz eleget: -

Egyenletes befogás

Az 5/3-útszelep vezérléséhez jeladó tagként két 3/2-útszelepet használunk. Ezeket manuálisan működtetjük, a visszaállításról pedig rugóerő gondoskodik. Az energia előállításáról és tárolásáról egy sűrített levegő forrás gondoskodik. Ezen túl szükség van még felügyeleti és kijelző berendezésekre is. Ide tartozik egy nyomásbekapcsoló szelep és egy manométer. Ezek az alábbi követelményeknek tesznek eleget: -

A befogóerő felügyelete

A kötéldob-tárcsa megmunkálására szolgáló fúró transzlációs mozgását egy kettősműködtetésű hidraulikus munkahenger biztosítja. Ez az alábbi követelményeket teljesíti: -

166

Transzlációs mozgás, 2000 N erő, Túlterhelésbiztos,


Maximális haladási sebessége 0,5 m/s

Állító tagként egy 4/3-útszelepet használunk. Ez az alábbi követelményeket teljesíti: -

120. ábra:

A mozgások gyors kapcsolása

A pneumatikus alkatrészek jelei Vezérlőtagként egy 2-utas áramszabályozó szelepet alkalmazunk. Ez határozza meg a mozgás sebességét. Ez az alábbi követelményt teljesíti: -

Egyenletes és terhelésfüggetlen mozgás a megmunkálás során

A munkahenger sebességének átkapcsolásához jeladó tagként egy 2/2-útszelepet használunk. Az útszelepet e hengeren található görgős kapcsoló hozza működésbe. Az energia előállításáról és előkészítéséről egy hidraulika aggregátum gondoskodik, mely egy nyomáshatároló szelepet és egy szűrőt is tartalmaz. A hidraulikus szivattyút egy elektromotor segítségével hajtjuk meg. Ezen túl szükség van még felügyeleti és kijelző berendezésekre is.

167


121. ábra:

A hidraulikus alkatrészek jelei A fúró forgó mozgásának hajtásáról egy Dahlander-kapcsolású egy elektromotor gondoskodik. Ez az alábbi követelményeket teljesíti: -

Rotációs mozgást biztosít, Fordulatszám állítható, 1,6 kW vágási teljesítményt biztosít

Állító elemként egy kontaktort alkalmazunk. Ez az alábbi követelménynek felel meg: -

Beállítható a két fordulatszám (n1 és n2)

Az elektromos kapcsolásban biztonsági berendezésekre is szükség van. Itt egy hővédelmi relét alkalmazunk. Ez az alábbi követelménynek felel meg: -

Túláram elleni védelem

Ezen túl a háromfázisú villamos áramnál szükség van még egy automatikus biztosítékra is. Az energia előállítása a motoron kívül történik, az elektromos hálózatból nyerjük.

168


122. ábra:

Az elektromos alkatrészek jelei

169


9.3 Komplex vezérlőrendszerek elkészítése

kapcsolási

rajzainak

A komplex vezérlő rendszerek létrehozásához ezeket először alrendszerekre osztjuk fel. Azon alrendszereket, melyek azonos energiatípust használnak, értelemszerűen együtt vizsgáljuk. Példánkban arra az eredményre jutottunk, hogy a befogást pneumatikus úton célszerű megoldani. A fúró transzlációs mozgása hidraulikusan történik, harmadik alrendszerként pedig egy elektromotor biztosítja a fúró forgó mozgását. A pneumatikus, hidraulikus és elektromos kapcsolási rajzok elkészítése első lépésben egymástól függetlenül zajlik. A különböző alrendszerek esetén különböző irányvonalakat kell szem előtt tartanunk.

123. ábra:

Komplex rendszer és alrendszerei

9.3.1 Pneumatikus kapcsolási rajz A pneumatikus kapcsolási rajzok elkészítésekor a DIN ISO 1219 szabványt kell figyelembe vennünk. A szabvány második része írja le a kapcsolási rajzok elkészítésére valamint a jelölésekre vonatkozó szabályokat.

170


A kapcsolási rajz legyen áttekinthető. A valós térbeli elhelyezkedést nem kell figyelembe venni. Az energia a pneumatikus kapcsolási rajzokon alulról felfelé áramlik. Az egyes vezérlési áramköröket balról jobbra folytonos számozással látjuk el. A hajtó tagokat, azaz például a munkahengereket és motorokat a kapcsolási rajz felső részén helyezzük el. A dugattyúrudak jobbra futnak előre. A számozás balról jobbra történik. A hajtó tagok alatt helyezkednek el az állító tagok. A jeladó tagok a kapcsolási rajz alsó részén helyezkednek el. Legalul, lehetőleg a baloldalon található az energiaforrás. Az alkatrészeket az alábbi betűkkel jelöljük: A V S Z

Hajtások, munkahengerek, motorok Szelepek Jelfelvevők, gombok, görgős kapcsolók Egyéb elemek, nyomásellátás

A munkahengereket tehát folytonosan számozzuk: 1A, 2A. stb. Minden, az 1A munkahengerre ható szelep 1V jelölést kap, ezt követi egy további szám. Ez a számozás lentről felfelé és balról jobbra nő. A 2A munkahengerre ható szelepeket 2V-vel jelöljük, melyet egy újabb szám követ. A görgős kapcsolók első számjegye azon munkahenger száma, melyen a görgő elhelyezkedik. A jelölés szempontjából érdektelen, mely szelepre vagy mely munkahengerre hat. A nyomásellátáshoz tartozó alkatrészeket gyakran nem lehet egy munkahengerhez vagy kapcsolási körhöz hozzárendelni, ezért jelölésük 0-val kezdődik. A jelölést lehet, azonban nem kötelező bekeretezni. A pneumatikus kapcsolásokat nyomás alatti állapotban kell ábrázolni. A pneumatikában és a hidraulikában az alábbi állapotok definiáltak: 171


124. ábra:

-

A berendezés nyugalmi állapota Ekkor a berendezés energiamentes állapotban található. Az építőelemek állapota vagy felépítésből adódik, vagy a gyártó adja meg.

-

Alapállapot Az energiaellátás be van kapcsolva. Az építőelemek jól meghatározott helyzetet vesznek fel.

-

Kiindulási állapot Az építőelemek a munkafolyamat megkezdéséhez szükséges állapotban találhatók. Ezt az indítási feltételek teljesülésével érjük el.

-

Indítási feltétel Azon lépéseket tartalmazza, melyek a nyugalmi állapotból a kiindulási állapotba kerülés eléréséhez szükségesek.

A pneumatikus alrendszer kapcsolási rajza

9.3.2 Hidraulikus kapcsolási rajz A hidraulikus kapcsolási rajzok elkészítésekor szintén a DIN ISO 1219 szabványt kell figyelembe vennünk. A kapcsolási rajz egy hidraulikus berendezés felépítését írja le. A kapcsolási rajz áttekinthető elkészítésének érdekében az elemek térbeli elhelyezkedését figyelmen kívül hagyjuk.

172

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az energia a hidraulikus kapcsolási rajzokon alulról felfelé áramlik. Ennek megfelelően helyezzük el az egyes alkotóelemeket: -

Alul: energiaellátás Középen: energiavezérlés Felül: hajtások

Az útszelepeket lehetőleg vízszintesen rajzoljuk, a vezetékeket pedig egyenes vonalakkal, egymás keresztezése nélkül ábrázoljuk. Ügyeljünk arra, hogy minden berendezést kiindulási állapotban ábrázoljunk. Ha komplex, sok elemet tartalmazó vezérlést tervezünk, a vezérlést osszuk több vezérlőláncra. Ekkor minden elem vezérlését egy lánc végzi. A láncokat lehetőleg a mozgás sorrendjét követve rajzoljuk egymás mellé. Egy hajtás és a hozzá tartozó energiavezérlés egy vezérlőláncot alkot. Komplex hidraulikus vezérlések több vezérlőláncból állnak. Ezeket egymás mellett ábrázoljuk, és egy rendszámmal látjuk el. Az energiaellátás egyetlen vezérlőlánchoz sem rendelhető hozzá egyértelműen, hiszen több láncot is ellát, ezért a 0 rendszámmal látjuk el. Az építőelemek jelölését bővíthetjük a berendezés számával, mely a többi jelölés előtt áll, és azoktól egy kötőjellel van elválasztva. Példa

Egy építőelem jelölése 2 – 3V5. Ennek jelentése: 2 3 V 5

Berendezésszám Kapcsolási kör száma Építőelem jele Építőelem száma

Ez tehát a 2-es berendezésben, a 3-as kapcsolási körben elhelyezkedő 5-ös számú szelep. Kiegészítésképpen a hidraulikus kapcsolási rajz tartalmazhat még adatokat a szivattyúkról, hidromotorokról, nyomásszelepekről, manométerekről, csövekről és tömlővezetékekről is.

173

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A cső- és tömlővezetékeket átmérőjük és falvastagságuk megadásával jelöljük. A nyomásszelepek mellett a szelep kapcsolási nyomását kell feltüntetni. Hőmérsékleti kapcsolók esetén ennek megfelelően a kapcsolási hőmérsékletet adjuk meg. Manométerek esetén fel lehet tüntetni a nyomástartományt, szűröknél pedig a szűrési szélességet. További adatok lehetnek még a szivattyúk továbbítási teljesítményei, a hajtások teljesítménye, maximális nyomások, vagy a motorok nyelési térfogata. Nagyobb nyomásellátó berendezés esetén ezek az adatok szerepelhetnek különálló kapcsolási rajzon is.

125. ábra:

A hidraulikus alrendszer kapcsolási rajza

9.3.3 Elektromos kapcsolási rajz Németországban az elektromos kapcsolási jeleket a DIN EN 60617-es szabvány rögzíti. Ez a szabvány váltotta fel régebbi DIN 40700-at. A szabvány értelmében a kapcsolási dokumentációt cél és típus szerint osztályozzuk. Léteznek: -

174

Tervek, melyek a vezérlés működését ábrázolják. Ilyenek az áttekintő-, az áramutas- illetve a funkcionális kapcsolási rajz.


Tervek, melyek a kapcsolatokat mutatják meg és a térbeli elhelyezkedést is felfedik. Ilyenek a huzalozási-, és az elrendezési rajz, valamint a berendezéslista.

Az áttekintő kapcsolási rajz a kapcsolás egyszerűsített ábrázolása. Csak a kapcsolás fontosabb berendezéseit tartalmazza, mivel a kapcsolás tagolását és működését ábrázolja. Az áramút terv a kapcsolás részletes ábrázolása, mely a hatásokat mutatja be. A kapcsolásban áramutakat és áramirányokat különböztetünk meg. Minden vezetéket és kapcsolatot ábrázolunk. A villamos berendezések térbeli elhelyezkedését figyelmen kívül hagyjuk. Nagyobb berendezések esetén az áramút tervet főáramkörre és vezérlőáramkörre osztjuk. Kisebb berendezések esetén erre nincs szükség, a kettőt együtt ábrázolhatjuk. Az áramút tervben vízszintesen futnak a potenciálvonalak, függőlegesen pedig az áramutak. Minden elemet feszültségmentes állapotban ábrázolunk. Az automatikus kontaktus mechanizmusokat, mint például a végállapot-kapcsolókat a teljes berendezésre vonatkoztatott alapállapotukban ábrázoljuk. Ha az ettől eltérő ábrázolás nem elkerülhető, ezt mindenképpen megjegyzésként hozzá kell fűzni a rajzhoz. Minden kapcsolási jelet az áram irányában, függőlegesen fentről lefelé helyezünk el. A kapcsolási jelek mozgásának iránya mindig balról jobbra tart. A kapcsok jelölése mindig a jel mellett bal oldalt helyezkedik el. A fúró hajtásával szemben azt a követelményt támasztjuk, hogy a fordulatszám egyszerű finombeállitása lehetséges legyen. A megoldás egy háromfázisú aszinkronmotor, mely elé egy váltót kapcsolunk. Az aszinkronmotor esetén háromszög-kapcsolást alkalmazunk. Ekkor a motornak a váltó terhelése alatt kell beindulnia, így a kapcsolással kapcsolatban további mérlegelésre van szükség.

175


126. ábra:

A háromfázisú motor áttekintő- és kapcsolási rajza A terhelés alatti indulás esetén előfordulhat, hogy a motor olyan lassan indul be, hogy az utána kapcsolt motorvédő relé reagál, és a motort még az indulás során leállítja. Ahhoz, hogy ennek ellenére elégséges biztonságot nyújthassunk a teher alatt induló motornak, egy második motorvédő relét kapcsolunk sorba az elsővel. Ezt úgy állítjuk be, hogy az a motor indulása alatt ne reagáljon, azonban hiba esetén, például a forgórész blokkolásakor megszakítsa az energiaellátást.

127. ábra: 176

Motorvédő kapcsolás áthidalása induláskor

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A motor névleges áramerősségére beállított relét az indulás során a K2 kontaktor segítségével áthidaljuk. A kontaktort a motor beindulása után egy időrelé segítségével kikapcsoljuk. Az elektromotor kontaktorainak vezérléséhez egy további kapcsolási rajzra van szükség. A kontaktorokat 24 V egyenfeszültséggel akarjuk üzemeltetni. Az S1 kapcsolóval szükség esetén minden áramutat áramtalaníthatunk. A motort az S3 kapcsolóval kapcsoljuk be. Ezzel először a K2 kontaktort és a K3T időrelét kapcsoljuk be. A K2 kontaktor gerjesztett állapotba kerül, aktiválódik, majd a K2 zárókontaktus bekapcsolja a K1 kontaktort. A K1 kontaktor bekapcsol, aktiválódik és a K1 kontaktus felett marad. Az S3 gomb elengedése utána K2 és K3T továbbra is a K1 és K2 zárókontaktusok valamint a K3T nyitókontaktus által feszültség alatt maradnak, azaz bekapcsolt állapotban vannak. A motort a K1 kontaktor kapcsolja be. Az időrelé 3 másodperc elteltével a K3T nyitókontaktussal önmagát és K2-t kikapcsolja. Ezzel a motor indulási áthidalása lekapcsol. Az S2 gomb megnyomása megszakítja a vezérlő áramkört. A K1 kontaktor leesik, a motor pedig kikapcsol.

128. ábra:

Terhelés alatti motorindítás áramköre

177


9.4 Komplex vezérlés létrehozása A komplex vezérlés elkészítésekor a jelenlegi helyzet szerint a különböző alrendszerek számára már elkészültek a különálló kapcsolási rajzok: -

A befogáshoz a pneumatikus kapcsolási rajz A fúró transzlációs mozgásához a hidraulikus kapcsolási rajz A különböző fúrófordulatszámok realizálásához pedig a motor vezérlésének fő- és vezérlőáramköre.

Ez a következő hátrányokkal jár: -

Ez PLC-vel nem vezérelhető Az egyes rajzok egymással semmilyen kapcsolatban nem állnak Az automatikus üzemeltetés nem, csak kézi üzem lehetséges

A komplex vezérlés létrehozásakor tehát a következő célokat tűzzük ki: -

129. ábra:

178

A fenti hátrányok kiküszöbölése A pneumatika és hidraulika előnyeinek az elektromosság előnyeivel való összekapcsolása.

A komplex elektropneumatikus rendszer elve

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A pneumatikus befogás hátrányainak kiküszöbölése érdekében érdemes összekapcsolni a pneumatikus és az elektromos rendszereket egy komplex, elektropneumatikus rendszerré. Az elektromos vezérelhetőség biztosítása érdekében néhány elemet ki kell cserélnünk. Így állítótagként használjunk egy elektromágneses működtetésű 5/3-útszelepet. A rugós centrálás marad. A kapcsolási helyzet akkor lép fel, ha az egyik vagy a másik mágnestekercset bekapcsoljuk. Ha egyik tekercs sem aktív, a szelep középállásban áll. Ezen kívül még egy elemet ki kell cserélnünk. A befogóerő felügyeletéhez a nyomásbekapcsoló szelep helyett egy pneumatikus-elektromos átalakítót (jelölése: B6) alkalmazunk. Ez a nyomáskapcsoló állítható rugóerővel rendelkezik, így beállíthatjuk, a kapcsoló mely nyomásnál jelezzen. Az 5/3-útszelep elektromos vezérlése miatt a két kézi működtetésű jeladó tag, a két 3/2-útszelep feleslegessé válik. A két útszelepet az 5/3-útszelep elővezérlő szelepként találjuk meg.

130. ábra:

Elektropneumatikus kapcsolási rajz A pneumatika és az elektromosság összekapcsolásához hasonlóan a hidraulikus rész is összekapcsolható az elektromos résszel.

179

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Ehhez a 4/3-útszelepnek is elektromosan vezérelhetővé kell válnia. Ezen túl a gyors és üzemi sebesség közötti váltást biztosító 2/2-útszelepet is elektromos működtetésűre kell cserélnünk. Mivel gyakran előfordul, hogy 2/2-útszelep nem áll rendelkezésre, helyette 4/2-útszelepet is alkalmazhatunk. A használaton kívüli csatlakozókat egyszerűen bedugózzuk. Mivel a pneumatikus útszelep mágnestekercseit már Y1 és Y2vel jelöltük, a 4/3-útszelep mágnestekercseit jelöljük Y3 és Y4el. A sebességkapcsoló tekercs jelölése legyen Y5.

131. ábra:

Elektrohidraulikus kapcsolási rajz Az egyes kapcsolásokat egyelőre egy relékapcsolás segítségével kapcsoljuk össze. A komplex rendszer vezérlő áramkörének elkészített áramút-terve mintaként szolgálhat a PLC programozásához. A PLC programot azonban előzetesen elkészített áramút-terv nélkül is létrehozhatjuk. Az alrendszerek egyes folyamatainak összekapcsolása érdekében olyan berendezésekre van szükség, melyek képesek a jelek befogadására és azok megfelelő formában történő továbbítására is. Ezek a berendezések az érzékelők. A munkahengerek állapotának érzékeléséhez, mint erre a példaalkalmazásunkban is szükség van, különböző érzékelők is alkalmasak.

180


A pneumatikus munkahenger esetén egy mágnesesen működtetett reed-kapcsolót választottunk, mint közelítéskapcsolót. Ezek a legismertebb, és leggyakrabban alkalmazott hengerkapcsolók. A munkahengerek állapotának érzékelésére az induktív közelítéskapcsolók is alkalmasak: ilyeneket használunk a hidraulikus munkahenger esetén. Ügyeljünk arra, hogy a dugattyúrúd kapcsolóbütykei fémes anyagúak legyenek, mivel az induktív kapcsolók csak vezetőket képesek érzékelni. A befogónyomás ellenőrzése egy nyomáskapcsoló segítségével történik. Az érzékelőket a következőképpen jelöljük: B1 B2 B3 B4 B5 B6

Az 1A pneumatikus henger belső szélső helyzete Az 1A pneumatikus henger külső szélső helyzete A 2A hidraulikus henger belső szélső helyzete Átkapcsolási pozíció a gyors és az üzemi sebesség között A 2A hidraulikus henger külső szélső helyzete Nyomáskapcsoló, befogó erő felügyelete

Az alkotóelemek érzékelők segítségével történő összekapcsolását funkciódiagram segítségével szemléltethetjük. A példában tárgyalt folyamat több, egymás után kivitelezendő lépésből áll. Ennek megfelelően a vezérlés létrehozása is több lépésben történik.

1. Lépes:

A fordulatszám kiválasztása

A teljes vezérlést 24 V-os egyenfeszültségről üzemeltetjük. Az S0 gomb a VÉSZ-KI kapcsoló szerepét tölti be, azaz megnyomása a teljes vezérlést áramtalanítja. Az S2 és S3 gombokkal a folyamat megkezdése előtt a fúró fordulatszámát adjuk meg. A teljesítményrészben a kiválasztott fordulatszámot két lámpa jelezze: H1 H2

Fordulatszám N1 = 750 rpm (lassú) Fordulatszám N2 = 1450 rpm (gyors)

Mindkét kapcsoló egy-egy relét kapcsol. Ez ezt követően egy érintkező segítségével öntartó, így a gomb elengedése után is 181

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ aktív marad. Ezzel egyidőben a másik relé áramkörében egy nyitóérintkező található, mely megakadályozza, hogy a két relé egyidőben legyen aktív. Az öntartás törlése egy nyitókontaktus segítségével történik.

132. ábra:

Fordulatszám kiválasztása

2. Lépés: Indítás és a kötéldob-tárcsa befogása Csak ha a K11 vagy a K12 relé egyike aktív, azaz kiválasztottuk a fordulatszámot, indíthatjuk a folyamatot az S1 indítógomb segítségével. Az indítógomb megnyomása után a K13 relé öntart. Ezzel egyidejűleg ezen relé egy másik kontaktusán keresztül a pneumatikus befogóhenger mágnestekercse is bekapcsol. Az öntartást egy nyitókontaktus törli. Azt, hogy ez a kontaktus mely reléhez tartozik, a fejlesztés ezen pontján még nem tudjuk meghatározni.

3. Lépés: Gyors transzláció és a motor bekapcsolása Amint a befogóhenger eléri B2 külső szélső helyzetét, és a B6 nyomáskapcsoló megfelelően magas nyomást érzékel, a K14 relé és a K15 időrelé bekapcsol. Az időrelé 3 másodperc után

182

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos kikapcsolja a K2 relét, mely visszakapcsolja a második motorvédelmet. A harmadik lépes csak akkor kivitelezhető, ha a második lépésben a K13 relé aktivizálódott.

133. ábra:

Befogás és a motor és a transzláció bekapcsolása

4. Lépés: Gyors előrehaladás lekapcsolása A transzlációs mozgást biztosító hidraulikus munkahenger nagy sebességgel előrefut. A B4 hengerkapcsoló elérésekor az útszelep átkapcsolja az áramszabályozó szelepet. Ekkor a hidraulikafolyadék már csak az áramszabályozó szelepen keresztül juthat el a munkahengerhez, így elérjük a beállított munkasebességet. A sebesség átkapcsolása csak akkor történhet meg, ha előtte bekapcsoltuk a transzlációs mozgást és a motort, és a K14 aktív.

5. Lépés: Transzlációs henger hátramenete Amint a munkahenger eléri külső szélső pozícióját, működésbe hozza a B5 hengerkapcsolót, mely átvezérli a hidraulikus munkahenger útszelepét.

183

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ Ez a lépés is csak akkor történhet meg, ha előtte a K16-os relé aktiválódott, azaz elvégeztük az előző lépést.

134. ábra:

Gyors üzem kikapcsolása, hátramenet

6. Lépés: Motor kikapcsolása és a befogóhenger visszahúzása Miután a transzlációt biztosító munkahenger visszahúzódott belső szélső helyzetébe, működésbe hozza a B3 hengerkapcsolót. Mivel ez a hengerkapcsoló a kapcsolás kiindulási állapotában működtetett állapotban található, működtetett állapotban is ábrázoljuk. Ezt a jeltől balra elhelyezett nyíl mutatja. A zárókontaktust szintén a működtetésnek megfelelően ábrázoljuk. A K18-as relé kikapcsolja az elektromotort, és ezzel egyidejűleg ez a relé kapcsolja át a pneumatikus befogóhenger útszelepét is. Ennek következtében az ismét kiindulási állapotba kerül.

7. Lépés: A folyamat végének jelzése Amint a pneumatikus befogóhenger eléri belső szélső helyzetét, bekapcsolja a K19-es relét. Kiindulási helyzetben a B1 hengerkapcsoló is működtetett állapotban van, így ezt is így ábrázoljuk.

184

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos A K19-es relé törli a K11 vagy K12 fordulatszám-választó kapcsoló öntartását. Ezzel egyidejűleg a K13-as relét, melyet az indítógomb kapcsolt be, kikapcsoljuk.

135. ábra:

Motor kikapcsolása, befogás megszüntetése, felkészülés az újraindításra A K13-as relé kikapcsolásával az azt követő lépések is resetelődnek, tehát a kapcsolás felkészült az újraindításra, ismét kiindulási állapotban található. A relék jeleinek kiadása a kapcsolás teljesítményrészében zajlik. Itt elsőként a két lámpa jelzi, mely fordulatszám van éppen kiválasztva. A K1 relé az elektormotort kapcsolja be. Az indításkor a motorvédő kapcsoló áthidalásához szükséges K2 relét késleltetve kapcsoljuk be. Mivel a két munkahenger útszelepei fejenként két mágnestekercset tartalmaznak, a második mágnestekercs bekapcsolásával egyidőben az első tekercset le kell kapcsolni. Ez a mágnestekercsek áramútjaiban elhelyezkedő Y1 és Y3 nyitókontaktusok segítségével történik. A sebességátkapcsoló útszelep Y5 mágnestekercsét is egy nyitókontaktus kapcsolja le, amint a munkahenger teljesen előrefutott állapotba került.

185

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet Minos_________________________________________________________ A vezérlőrész teljes áramköre a következő ábrán található.

136. ábra:

Főáramkör

137. ábra:

Vezérlőáramkör

186

Mechatronikus rendszerek és funkciók – Jegyzet _____________________________________________________________Minos Az egyes alrendszerek összekapcsolása érdekében a vezérlés PLC segítségével is történhet. A PLC programozásához különböző programozási nyelvek állnak rendelkezésre. Mivel a vezérlés most már áramút-tervként rendelkezésre áll, érdemes a létradiagramot (KOP) választani. A programozás előfeltétele a be- és kimenetek táblázatos leírása. Ezt a listát nevezzük hozzárendelési listának. Például az alábbi be- és kimenetekben állapodhatunk meg: Operandus-Jelölés-Megjegyzés E0.0 E0.1 E0.2 E0.3 E0.4 E0.5 E0.6 E0.7

S0 S1 S2 S3

VÉSZ-KI Indítás Alacsony fordulatszám Magas fordulatszám

E1.0 E1.1 E1.2 E1.3 E1.4 E1.5 E1.6 E1.7

B1 B2 B3 B4 B5

A befogóhenger belső szélső helyzete A befogóhenger külső szélső helyzete A transzlációs henger belső szélső helyzete Átkapcsolás gyors / üzemi sebesség A transzlációs henger külső szélső helyzete

B6

Nyomáskapcsoló

Y1 Y2 Y3 Y4 Y5

Befogóhenger előrefutása Befogóhenger visszahúzása Transzlációs henger előrefutása Transzlációs henger visszahúzása Lassú mozgás

K1 K2

Motorkontaktor Motorvédelem áthidalása

H1 H2

Alacsony fordulatszám kijelzése Magas fordulatszám kijelzése

A0.0 A0.1 A0.2 A0.3 A0.4 A0.5 A0.6 A0.7 A1.0 A1.1 A1.2 A1.3 A1.4 A1.5 A1.6 A1.7

Ezután már következhet a programozás.

187


Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés


Készítették: Matthias Römer Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország




Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet _______________________________________________________________Minos

Tartalom 1

Biztonság ............................................................................................................. 5 1.1

Bevezetés ......................................................................................................... 5

1.2

Megbízhatóság ................................................................................................. 6

1.2.1

Műszaki megoldási elvek............................................................................... 7

1.3

Pneumatikus berendezések biztonsága............................................................ 8

1.4

Hidraulikus berendezések biztonsága............................................................. 10

1.5

Elektromos berendezések biztonsága............................................................. 12

2

Üzembe helyezés ............................................................................................... 15 2.1

Bevezetés ....................................................................................................... 15

2.2

Az üzembe helyezésre vonatkozó általános irányvonalak............................... 16

2.3

Pneumatikus berendezések üzembe helyezése ............................................. 17

2.3.1

Olajködkenő használata .............................................................................. 17

2.3.2

Üzembe helyezés ........................................................................................ 18

2.3.3

Inspekció ..................................................................................................... 19

2.4

Hidraulikus berendezések üzembe helyezése ................................................ 20

2.4.1

A berendezés hidraulikafolyadékkal való feltöltése...................................... 20

2.4.2

Üzembe helyezés ........................................................................................ 21

2.4.3

Inspekció ..................................................................................................... 22

2.5

Elektromos berendezések üzembe helyezése ................................................ 23

2.6

PLC-k üzembe helyezése ............................................................................... 24

2.6.1 3

Gyakori programozási hibák ........................................................................ 24

Hibakeresés ....................................................................................................... 25 3.1

Hibák és zavarok lokalizálása az üzembe helyezés során .............................. 25

3.2

Eljárás hibák és zavarok keresésekor ............................................................. 25

3.2.1

Hibakeresés funkciódiagram segítségével................................................... 25

3.2.2

Hibakeresés hibakereső programok segítségével ....................................... 26

3.3 3.3.1 3.4

Üzembe helyezés során gyakran fellépő hibák ............................................... 28 PLC használata hibakereséskor .................................................................. 28 Hibakeresés üzembe helyezéskor .................................................................. 29

3

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet Minos________________________________________________________________

4


1 Biztonság 1.1 Bevezetés A gépek és berendezések számtalan veszélyforrást rejthetnek. Ezek változatos formát ölthetnek, lehetnek például: - hibás alkatrészek - hiányzó lezárások, vagy göröngyös padlórészek - a veszélyforrások ismeretének hiánya. A veszélyt okozhatja kapkodás vagy a tapasztalat hiánya is. A veszély minden, a géppel dolgozó személyre kiterjed, azaz már a gépet üzembe helyező technikusokat is érinti. Érintettek azonban a mindennapi munkát végző operátorok, vagy a rendszeres karbantartást végző műszerész is. Mivel az emberek biztonságra vágynak, a veszélyektől való megóvásunk érdekében számtalan szabály született. Ezek kommunikálására és rendszeres oktatására van szükség. Európában a törvényekhez hasonló szabályozások érvényesek. Az iránymutatásokat biztonsági szabványok támasztják alá, melyek a gépek és berendezések építésének különböző biztonsági szempontokból történő konstrukciójára tartalmaznak megoldási javaslatokat. Az európai biztonsági szabványok egy háromfokozatú rendszert alkotnak. -

-

-

Az A-típusú szabványok biztonsági alapszabványok, melyek az alapvető kifejezéseket definiálják és lefektetik a berendezések kialakításának általános alapelveit. Ezek tartalmazzák a kockázati besorolásokat is. A B1-típusú szabványok tartalmazzák például a biztonsági távolságokat, védőberendezéseket vagy a karok sebességeit. A B2-típusú szabványok a műszaki védőberendezésekre vonatkozó előírásokat tartalmazzák. Ide tartoznak a reteszelő mechanizmusok, de a kétkezes vagy vészkikapcsoló gombok is. A C-típusú szabványok gépspecifikusak. Ide tartoznak a mechanikus vagy hidraulikus sajtológépekre, és az ipari robotokra vonatkozó előírások.

A C-típusú szabványok az A- és B-típusú szabványok felett állnak, azaz akkor is érvényesek, ha a két típusú szabvány között ellent-

5

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet Minos________________________________________________________________ mondás lép fel. A CE-jelzés vagy az EG-gép-irányvonal csak mindhárom (A, B és C) szabványtípus teljesítése esetén adható ki.

1.2 Megbízhatóság Egy gép vagy berendezés biztonságát az emberekre vagy a környezetre irányuló veszélyek elhárítására vagy csökkentésére irányuló intézkedések megtétele jellemzi. A megbízhatóság ezzel szemben a funkció végrehajtásának képességét jellemzi. Egy megbízható funkció tehát nem feltétlenül biztonságos is. A szükséges megbízhatóság határozza meg a rendszer felépítését. Így például rendelkezésre kell állniuk a tartalék alkatrészeknek, és a karbantartást is előre meg kell tervezni. Példa

A relék csatlakozóit egy adott elektromos áramra és feszültségre méretezték. Élettartamuk gyakran elérheti a több millió kapcsolást. Az élettartam végének elérésekor a reléket ki kell cserélni. Ez a csere mindenképpen szükséges, ha a relé a biztonság szempontjából kritikus funkciót lát el. A rendszerek megbízhatóságának, és ezáltal azok biztonságának meghatározhatósága érdekében különböző megbízhatósági paramétereket alkalmazunk. Ekkor két állapotot („működőképes” és „nem működőképes”) különböztetünk meg. Az első alkalommal működésbe állítandó gépek esetén az alábbi megbízhatósági paramétereket alkalmazzuk: - meghibásodási ráta - élettartam eloszlása - meghibásodási valószínűség - túlélési valószínűség - meghibásodási valószínűség-sűrűség. Ezzel szemben az újból működésbe állítandó gépek esetén az alábbi megbízhatósági paramétereket alkalmazzuk: - közepes élettartam az első meghibásodásig - a meghibásodások közepes távolsága - két meghibásodás közötti átlagos üzemidő - meghibásodás átlagos tartama - jelenlegi és stacionárius rendelkezésre állás - üzembetarthatóság.

6

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet _______________________________________________________________Minos Az egyes mértékek szemrevételezésekor kitűnik, hogy a matematikai leíráshoz a valószínűség számítást hívjuk segítségül.

1.2.1 Műszaki megoldási elvek A biztonságtechnikában különböző megoldási elvek találnak alkalmazást. A következőkben ezekkel foglalkozunk majd. A feladatmegosztás elve az egyes funkciók viselőinek különböző, az alkatrész által ellátandó feladatokat rendel alá. Lehet például egy nyomás alatt álló tartály belülről rozsdamentes acél burkolatú, mely így megóvja a rozsdásodástól. A tartályban fellépő erőket azonban a közönséges acél veszi fel. A biztonságos terhelhetőség elve azt jelenti, hogy egy alkatrészcsoport minden eleme, de maga a csoport is túléli a tervezett élettartamot. Ennek érdekében minden egyes alkatrészt egy bizonyos biztonsági faktorral túl kell dimenzionálni. A korlátozott meghibásodás elve megengedi a zavarok fellépését, melyek azonban nem járhatnak súlyos következményekkel. Ekkor az alábbi feltételek érvényesek: -

-

A meghibásodás csak annyiban korlátozhatja a működést, hogy az ne veszélyeztessen embereket, a környezetet vagy a berendezés környékén elhelyezkedő tárgyakat. Az alkatrésznek addig képesnek kell még lennie a korlátozott működésre, amíg azt biztonságosan ki lehet cserélni. Az alkatrész hibás működésének egyértelműen felismerhetőnek kell lennie. Az alkatrész meghibásodása esetén lehetségesnek kell lennie a teljes berendezés biztonságosságának megítélése.

A redundáns tervezés (redundancia) elve szerint több alkatrész helyezkedik el úgy, hogy amennyiben az egyik meghibásodik, azok egymás funkcióit teljesen, vagy legalábbis részlegesen át tudják venni. A redundanciát aktív és passzív redundanciára osztjuk. Aktív redundancia esetén minden alkatrészcsoport egyidejűleg működik, azonban képes átvenni egy másik csoport funkcióját. Ez ugyan az élettartam csökkenését vonja maga után, azonban nem szükséges a berendezés leállítása.

7

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Passzív redundancia esetén a redundáns alkatrészek tartalékként vannak jelen, aktiválásukhoz be kell őket kapcsolni a gép működésébe. A különbözőképpen kivitelezett redundancia hasonló az egyszerű redundanciához, azonban itt az azonos funkciójú alkatrészcsoportok hatásmechanizmusa eltérő. Egy szivattyú lehet tehát elektromos, míg a tartalékszivattyú robbanómotoros.

1.3 Pneumatikus berendezések biztonsága A pneumatikus berendezések és alkatrészeik biztonságával kapcsolatos előírásokat a DIN EN 983 európai szabvány rögzíti. Ez a szabvány elveket és viselkedésmintákat tartalmaz, melyek az alkatrészek vagy rendszerek tervezésére, konstrukciójára és átalakítására vonatkoznak. Ezen túl tartalmaz még a felszerelésre, felállításra, üzemeltetésre és a karbantartásra vonatkozó utasításokat is. A legfontosabbakat az alábbiakban ismertetjük. A berendezésben felhasznált alkatrészeket csak a gyártó vagy szállító által megadott körülmények között szabad használni. A mechanikai mozgás során személyek veszélyeztetése nem megengedett. A kiáramló levegő nem okozhat veszélyt. Az energiaellátás ki- és bekapcsolása, csökkenése, kimaradása és visszakapcsolása nem okozhat veszélyhelyzetet. A nyomáscsökkenés nem veszélyeztetheti a hatósugárban tartózkodó személyeket. A berendezés legyen úgy megtervezve és felépítve, hogy minden alkatrész biztonságosan megközelíthető és karbantartható legyen. Védőberendezések segítségével biztosítani kell a megadott menynyiségek határérték alatti értékét. A pneumatikában például a maximális munkanyomást biztonsági szelepek szabályozzák. A pneumatikus végrehajtók, például munkahengerek és motorok konstrukciójukból adódóan bizonyos alkalmazások esetére vannak méretezve. A gyártó által megadott nyomást, forgatónyomatékot vagy fordulatszámot, a rögzítési és csatlakozási módokat be kell tartani. Ügyelni kell arra, hogy a meghajtókat úgy építsük be, hogy minden előrelátható mértékű erőt fel tudjanak venni. Az idevonatkozó adatokat a katalógus vagy a használati utasítás tartalmazza. 8


Pneumatikus munkahengerek esetén különösen ügyelni kell a kihajlás elkerülésére, a löketvégek szélső pozíciójára, a rögzítés irányára és módjára, valamint a dugattyúrúd védelmére. Pneumatikus szelepek esetén már azok beépítésénél figyelembe kell vennünk bizonyos dolgokat. Ide tartozik például a szelep típusa és beépítésének módja, a beépítés orientációja és rögzítése. Ezen túl ügyelnünk kell a szelep működtetésének módjára, valamint az elektromosan működtetett szelepek esetén a kisegítő kézi működtetés hozzáférhetőségére is. A szelepeknél a szabványos jelöléseket kell alkalmazni. A felhasznált kenőanyagoknak minden alkatrésszel, műanyaggal, tömítéssel és az összes csővel és tömlővel kompatibilisnek kell lenniük. Ügyeljünk a gyártók ajánlásaira! Manapság már sok szelepet egyszeri zsírozással gyártanak, ez a teljes élettartam idejére elegendő kenést biztosít. Ebben az esetben a sűrített levegő olajköddel való dúsítása nem szükséges, sőt, adott esetben akár káros is lehet. Az olyan szelepeket, melyeket egyszer már olajköd segítségével kentünk, a továbbiakban is ezen a módon kell kenni. A sűrítettlevegő-vezetékeket úgy kell elrendezni, hogy azok egyéb célra, például kötéllétraként történő felhasználása ne legyen lehetséges. Ne legyen lehetséges a helytelen módon történő összekapcsolás, mivel ez veszélyforrás lehet. A vezetékek vagy a vezetékek kapcsolatai nem akadályozhatják a munkafolyamatokat. Nem gátolhatják a beállítási és szerelési vagy karbantartási munkálatokat, de az egyes alkatrészek vagy alkatrészcsoportok cseréjét sem. A csatornák, vezetékek és vezetékkapcsolatok nem tartalmazhatnak idegen tárgyakat. A csövek végeit biztonságosan kell rögzíteni, azonban a rögzítéseket nem szabad a csövekhez hegeszteni. A csöveket a rögzítések semmilyen módon nem károsíthatják. A csővezetékeket nem használhatjuk a berendezések rögzítésére. A pneumatikában a csővezetékek készülhetnek műanyagból is, azonban ekkor ügyelni kell a csövek műszaki tulajdonságaira.

9

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Nyomás alatt álló tartályok esetén a DIN EN 286-1 szabályozásai vannak érvényben. Az ilyen tartályokat lehetőleg hűvös helyen kell tárolni, és biztosítani kell azok megközelíthetőségét. A nyomás alatt álló tartályokat rozsdásodás ellenni védelemmel kell ellátni. Ez egyrészt a különösen agresszív környezet esetén érvényes, másrészt pedig abból kell kiindulni, hogy a sűrített levegő vizet (párát) is tartalmazhat. A levegő szűréséhez és páramentesítéséhez megfelelő helyeken biztosítani kell a szükséges berendezéseket. A nem fémes tartályokat a lehető legbiztonságosabb védelemmel kell körülvenni.

1.4 Hidraulikus berendezések biztonsága A hidraulikus berendezések és alkatrészeik biztonságával kapcsolatos előírásokat a DIN EN 982 európai szabvány rögzíti. Ez a szabvány elveket és viselkedésmintákat tartalmaz, melyek az alkatrészek vagy rendszerek tervezésére, konstrukciójára és átalakítására vonatkoznak. Ezen túl tartalmazza a felszerelésre, felállításra, üzemeltetésre és a karbantartásra vonatkozó utasításokat is. A legfontosabbakat az alábbiakban ismertetjük. A berendezésben felhasznált alkatrészeket csak a gyártó vagy szállító által megadott körülmények között szabad használni. A mechanikai mozgás során személyek veszélyeztetése nem megengedett. Minden beépített alkatrészt védeni kell a maximális munkanyomást meghaladó nyomással szemben. Ezt általában nyomáshatároló szelepek segítségével biztosítják. A berendezés tervezésénél, konstrukciójánál és felállításánál ügyeljünk arra, hogy a nyomáslökések minimálisak legyenek. A nyomáslökések alapvetően soha nem okozhatnak veszélyhelyzetet. Az energiaellátás ki- és bekapcsolása, csökkenése, kimaradása és visszakapcsolása nem okozhat veszélyhelyzetet. A nyomáscsökkenés személyeket nem veszélyeztethet. Az alkatrészek belső szivárgása nem vezethet veszélyes helyzetek kialakulásához. A berendezés legyen úgy megtervezve és felépítve, hogy minden alkatrész biztonságosan megközelíthető és karbantartható legyen.

10

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A tervezés és konstrukció során különös figyelmet kell szentelni a rezgések, a nagyon magas vagy alacsony hőmérsékletek, erős szennyezés és tűz- és robbanásveszély esetén kialakuló feltételeknek. Ezen túl ügyelni kell arra is, hogy lehetőleg elkerüljük a szükségtelen hőfejlődést. A berendezés teljes üzemi hőmérsékleti tartományát meg kell adni. A nyomást közvetítő közeg hőmérséklete nem lépheti túl a maximálisan megadott értéket. A vezetékek vagy a vezetékek kapcsolatai nem akadályozhatják a munkafolyamatokat. Nem gátolhatják a beállítási és szerelési vagy karbantartási munkálatokat, de az egyes alkatrészek vagy alkatrészcsoportok cseréjét sem. Karbantartás során történő leszerelésük nem okozhat nagymértékű folyadékveszteséget. Hasonlóan nem szabad, hogy karbantartáskor a tartályok ürítésére sor kerüljön. Pneumatikus végrehajtók, például munkahengerek és motorok konstrukciójukból adódóan bizonyos alkalmazások esetére vannak méretezve. A gyártó által megadott nyomást, forgatónyomatékot vagy fordulatszámot, rögzítést és csatlakozási módokat be kell tartani. Ügyelni kell arra, hogy a meghajtókat úgy építsük be, hogy minden előrelátható mértékű erőt fel tudjanak venni. Az idevonatkozó adatokat a katalógus vagy a használati utasítás tartalmazza. Hidraulikus munkahengerek esetén különösen ügyelni kell a kihajlás elkerülésére, a löketvégek pozíciójára, a rögzítés irányára és módjára, valamint a dugattyúrúd védelmére. Hidraulikus szelepek esetén már azok beépítésénél figyelembe kell vennünk bizonyos dolgokat. Ide tartozik például a szelep típusa és beépítésének módja, a beépítés orientációja és rögzítése. Ezen túl ügyelnünk kell a szelep működtetésének módjára, valamint elektromosan működtetett szelepek esetén a kisegítő kézi működtetés hozzáférhetőségére is. A szelepeket a szabványosan kell jelölni. Egyértelműen meg kell adni a rendszerben használt nyomásközvetítő folyadék típusát és tulajdonságait, a gyártó nevének és a folyadék márkájának megadása nem elegendő. Ezen túl a folyadéknak kompatibilisnek kell lennie minden más alkatrésszel is.

11

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Tűzveszélyes környezetben ajánlott a nehezen gyulladó folyadékok használata. A berendezés működése során szükséges a folyadék rendszeres karbantartása és szennyezettsége fokának ellenőrzése. Ennek érdekében a szűröket rendszeresen kell ellenőrizni. A hidraulikus folyadékok kezelése során alapvetően ajánlott a szükséges óvintézkedések megtétele. Ekkor a higiéniára éppúgy ügyelni kell, mint a használaton kívüli hidraulikafolyadék tárolására és veszélymentesítésére. A csatornák, vezetékek és vezetékkapcsolatok nem tartalmazhatnak idegen tárgyakat. A vezetékeket úgy kell elrendezni, hogy azok egyéb célra, például kötéllétraként történő felhasználása ne legyen lehetséges. A tömlővezetékekre szintén vonatkoznak bizonyos beépítési előírások. A tömlők hajlításának sugara nem lehet túl kicsi, és nem szabad őket összenyomni, megnyújtani, de megcsavarni sem. A folyadéktartályoknak képesnek kell lenniük a teljes folyadékmenynyiség felvételére, és a létrejövő hő elvezetésére.

1.5 Elektromos berendezések biztonsága Az elektromos balesetek elkerülése nagyon fontos téma, hiszen a halálos kimenetelű elektromos balesetek aránya a többi munkabalesethez képest igen nagy. Ez talán visszavezethető arra is, hogy az elektromos energiát közvetlenül nem vagyunk képesek észlelni. Az elektromos energia káros hatásai elleni védelem elsőként a közvetlen érintés elleni védelem lehet. Ezt az alábbi óvintézkedések megtételével érhetjük el: -

szigetelés a feszültség alatt álló alkatrészek nehezen elérhető helyekre történő elhelyezése az érintést lehetetlenné tevő speciális védőberendezések alkalmazása.

Különleges esetekben akár a teljes munkaterületet izolálhatjuk. Az érintésvédelem azonban nem tökéletes. A szigetelés idő előtti öregedése vagy elpusztulása a feszültség alatt álló alkatrészek érintésvédelmének megszűnéséhez vezethet. 12


Alapvetően szükséges a túl magas érintőfeszültségek védelme. Üzemileg földelt hálózatok esetén a vezető és a föld közötti feszültség, illetve üzemileg földeletlen hálózatok esetén a névleges feszültség nem haladhatja meg a 65 V-ot. A túl magas érintőfeszültség folyamatos meglétének elkerülését célzó óvintézkedések a következők: -

védőföldelés nullázás hibás feszültség védőföldelése hibás feszültség védőkapcsolása hibás feszültség elválasztó védőkapcsolása.

A túl magas érintőfeszültség létrejöttének elkerülését célzó óvintézkedések pedig a : -

védőszigetelés védőkisfeszültség védőföldelés védővezető-rendszer.

A védőkisfeszültséget különösen nagy veszélyeztetés esetén, például a gyermekjátékok körében alkalmazzuk. Az elektromotorokat védenünk kell a túlterheléssel, rövidzárlatokkal, a földdel és tömeggel való véletlenszerű érintkezéssel szemben. A motor védelmére kiválasztott berendezések esetén ügyeljünk egyrészt a motor kapcsolására, másrészt pedig a terhelésre. Ezeket mind indításkori, fékezéskor és tartós üzemeltetéskor is figyelembe kell venni. A motor védelmére az alábbi intézkedéseket különböztetjük meg: -

-

-

Az olvadóbiztosítékok a motort a rövidzárlatokkal szemben védik. Az utánuk kapcsolt bimetál kioldók a túl nagy áram elleni védelmet biztosítják. Motorvédelmi kapcsolások esetén a rövidzár és a túláram elleni bimetál kioldók egyben megtalálhatók. Alkalmazhatunk azonban olvadóbiztosítékokat is. A rövidzárlat elleni védelemre szolgáló olvadóbiztosítékokat kombinálhatjuk hőérzékelőkkel is. Ezek bimetálból állnak, és közvetlenül a motor tekercseire szereljük őket, így ellenőrizhet-

13


-

jük a közvetlenül a motoron fellépő hőfejlődést. Ezt nevezzük teljes motorvédelemnek. A bimetál kapcsolók helyett alkalmazhatunk hidegvezetőket is. Ezek ellenállása a hőmérséklet emelkedésével nő, ez pedig könnyen mérhető és kiértékelhető.

Háromfázisú aszinkron-motorok esetén folyamatosan ellenőrizni kell, nem esik-e ki a három fázis egyike. Csillagkapcsolásnál ebben az esetben a másik két tekercsen nő az áthaladó áram, így beugrik a motor védőkapcsolása. Háromszögkapcsolásnál ezzel szemben csak egy tekercsen nő az áram, a másik két tekercsen enyhén csökken. Kis terhelés esetén ekkor a motor védőkapcsolása nem ugrik be, így a motor leéghet. Ebben az esetben csak a három tekercsen elhelyezett három hidegvezető nyújt biztos védelmet. A vezérlőáramkörök esetén a működés biztonsága érdekében számos intézkedés hozható. Az egyik legbiztosabb módszer az áramkör redundáns felépítése. Fontos, hogy vészhelyzetben minden berendezést egy VÉSZKI KAPCSOLÓ segítségével áramtalanítani lehessen. További fontos szabvány még az alacsonyfeszültségre vonatkozó irányelvek, melyek az EU-n belül az elektromos eszközök forgalomba hozhatóságát szabályozza, valamint az EMV-irányelv, amely olyan berendezésekre vonatkozik, melyek elektromágneses zavarokat okozhatnak.

14


2 Üzembe helyezés 2.1 Bevezetés Általában egy berendezés kivitelezésekor az üzembe helyezés az utolsó lépések közé tartozik. Ekkor kell az összes fel- és összeszerelt alkatrészt, gépet vagy a teljes berendezést üzembe helyezni, és a megadott paramétereknek megfelelően működtetni. A megfelelő állapot és működés ellenőrzése már nem az üzembe helyezés, hanem a minőségbiztosítás része. Üzembe helyezéskor megkülönböztetjük az első, és az ismételt üzembe helyezést. Az első üzembe helyezéskor a berendezést elkészülte után első alkalommal helyezzük üzembe. Lehetséges azonban, hogy egyes részrendszereket már korábban is használtunk. Az ismételt üzembe helyezés előtt a berendezés valamely hiba miatt üzemképtelen állapotba került. Az üzembe helyezési munkálatok során a berendezést először ismét működőképes állapotba kell hozni, majd ezután ismét üzembe helyezzük. Tervezés

Szerelés

Üzembe helyezés

Tartós működés Ismételt üzembe helyezés Üzemen kívül helyezés

Leszerelés 1. ábra: Gépek és berendezések életciklusa

15


2.2 Az üzembe helyezésre vonatkozó általános irányvonalak Az üzembe helyezéskor felmerülő problémákat általában a más területeken fellépő problémák okozzák. Az időigényes hibakeresés oka lehet egy, felépítési hiba. Előfordulhat azonban az is, hogy az üzembe helyezést rosszul készítették elő. A tapasztalat alapján az üzembe helyezéskor kiemelt gyakorisággal léphetnek fel az alábbi hibák: -

Hibás a PLC program. Az egyes programrészek nem eléggé strukturáltak. Alkatrészcsoportok, vagy beszerzett alkatrészek hibásan vannak felszerelve, vagy nincsenek helyesen beállítva. Hiányoznak bizonyos alkatrészcsoportok vagy egyes alkatrészek. Az elektromos installációkor hiba lépett fel. Ez gyakran a kapcsolószekrényben való hibás kábelezés eredménye. A csövek vagy tömlők rosszul vannak bekötve a hidraulikus/pneumatikus egységben.

Az üzembe helyezés szempontjából könnyen kezelhető termék kialakításáért a tervezést vezető mérnök felelős. Így például az egyes alkatrészek tervezésekor ügyelnie kell arra is, hogy azok kialakítása megkönnyítse az üzembe helyezést, vagy az akár szükségtelenné is váljon. Az üzembe helyezés szempontjából könnyen kezelhető termék kialakítás esetén gyakran bizonyos teszteket már előre el lehet végezni, illetve lehetséges bizonyos alrendszerek előrehozott üzembe helyezése is. Az előzetes tesztek, vagy az előrehozott üzembe helyezés elvégzéséhez az alkatrészcsoportoknak az összeszerelése elsődleges kritériumnak kell lennie. Ekkor az alkatrészcsoportnak már ebben az állapotában működőképesnek kell lennie, és a tesztek elvégzéséhez rendelkeznie kell a megfelelő interfészekkel is. Az egyes alkatrészcsoportok előzetes tesztelésekor ellenőrizhetjük például az egyes alkatrészek megfelelő beszerelését, a hőmérsékleti viselkedést, vagy a zajkibocsátást. A csoport megfelelő működése is vizsgálható. Ezen túl az előzetes üzembe helyezés az alábbi tevékenységeket is tartalmazhatja:

16

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet _______________________________________________________________Minos -

Véghelyzet-kapcsolók beállítása. Pneumatikus vagy hidraulikus szelepek beállítása. Hibás alkatrészek kijavítása. Meghajtók összehangolása.

Az előzetes üzembe helyezés akkor előnyös, ha az összeszerelt alkatrészcsoport önálló funkcióval rendelkezik. Ez a berendezések gyártásakor gyakrabban lehetséges, mint gépek gyártásakor, hiszen itt az egyes alkatrészek gyakran több funkciót is ellátnak.

2.3 Pneumatikus berendezések üzembe helyezése A zavarmentes üzemeltetés biztosítása érdekében ügyeljünk a gyártó vagy szállító által megadott felszerelési és üzemeltetési előírások betartására. Mindenekelőtt fontos a műszaki dokumentáció, és az adott részrendszer üzembe helyezési előírásainak teljessége. Az elektropneumatikában a gyártó előírásai mellett egy sor általános érvényű előírás is létezik. Az elektropneumatikus berendezések be- vagy ráépítése esetén először ellenőrizni kell, hogy az előírt műszaki adatok, azaz például a feszültéség és az áram fajtája megfelelnek-e a gyártó által előírt adatoknak. A pneumatikában a sűrített levegő általában műanyag csővezetékeken keresztül halad, melyeket a gyártó előírásainak megfelelően kell elhelyezni. Kerüljük a csövek túl kis hajlítási sugár okozta megtörését, összenyomását, vagy más károsodását. Ezen kívül a csővezetékeket úgy kell rögzíteni, hogy a sűrített levegő hálózat nyomásingadozásai következtében ne alakulhasson ki nemkívánatos mozgás. Mindig ügyeljünk a megfelelő tömítettségre. A mozgó alkatrészeket, így például a dugattyúrudakat vagy a teljes munkahengereket, ha az operátor számára veszélyhelyzet jelenthetnek, megfelelő védőberendezésekkel kell körülvenni.

2.3.1 Olajködkenő használata Az olajködkenő feladata a sűrített levegő olajköddel való dúsítása, mely a mozgó alkatrészek kenését biztosítja. Időközben azonban már sok modern pneumatikus alkatrészt gyártáskor az egész élettartam idejére megfelelő zsírréteggel vonnak be. Ezért, mivel az olajködkenő használata gyakran problémákhoz vezet, az olajozott sűrített levegő használatát, ha lehet, érdemes elkerülni.

17

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet Minos________________________________________________________________ A sűrített levegő olajozása azonban az alábbi esetekben szükséges: -

az alkatrészeket már korábban is olajozott sűrített levegő segítségével működtettük a munkahengerek mozgása nagyon gyors forgó meghajtókat, például lamellás motorokat alkalmazunk.

Az olajködkenő megfelelő beállításához megadják, hány csepp olajat kell hozzáadni egy köbméter sűrített levegőhöz. Ismert térfogatáramok esetén a cseppek percenkénti mennyisége is megadható. Az olajködkenő helyes beállításának ellenőrzésére a ködkenőtől legtávolabb elhelyezkedő munkahengert válasszuk ki. A munkahengert vezérlő útszelep levegő kivezető nyílása elé tartsunk kb. 10 cm távolságra egy fehér papírlapot. A munkahenger működése során a papíron egy vékony olajrétegnek kell kialakulnia. Ez jelzi, hogy az olaj eléri ezt a munkahengert is. Ha azonban a papírról olaj csöpög le, a sűrített levegőt túlolajoztuk. Csak a gyártó által előírt típusú olajat használjunk. Az olajat semmi esetre se hígítsuk, pl. petróleummal, mivel ez zsíroldóként hat. Az olajködkenésre jól alkalmas olajok tulajdonságai: -

lassan öregszenek megfelelő viszkozitásúak víztaszító és rozsdavédelmet biztosítanak.

2.3.2 Üzembe helyezés Minden új, átépített vagy javított berendezés esetén fennáll valamely munkahenger kontrollálatlan mozgásának veszélye. Ez sérüléseket, és károkat okozhat a berendezésben. Ezért készítsünk üzembe helyezési előírást. Az üzembe helyezés során ügyeljünk az alábbiakra: -

18

Az üzembe helyezés előtt győződjünk meg arról, hogy a berendezés nyomásmentes állapotban van. Minden alkatrész legyen alaphelyzetben. Ellenőrizzük az impulzusszelepek állapotának helyességét. Az átállítás elvégezhető a kézi segédműködtetés, vagy beállító impulzus segítségével is.

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet _______________________________________________________________Minos -

Zárjuk be a dugattyúsebesség állítására szolgáló fojtószelepeket. A berendezés nyomását lassan emeljük. Ezt a kézi nyomásszabályozó, vagy egy feltöltő szelep segítségével oldhatjuk meg. A fojtószelepet lassan nyissuk ki. Először tartsunk egy próbafutást, munkadarab nélkül. Ehhez a teljes munkafolyamatot részfolyamatokra is feloszthatjuk. Ellenőrizzük a hengerkapcsolók pozícióit. Biztosan kapcsolniuk kell, és nem lehetnek túlterhelve. Ismételjük meg a próbafutást egy munkadarabbal is. Ellenőrizzük, hogy elérjük-e a megadott erőket és sebességeket.

2.3.3 Inspekció A berendezés üzeme során ügyeljünk az alábbiakra: -

Ellenőrizzük a pneumatikus rendszer és az egyes berendezések funkcióját, teljesítményét és állapotát. A környezet hőmérséklete nem térhet el az egyes alkatrészek esetén megengedett tartománytól. Az olajködkenő folyadékszintjét rendszeresen ellenőrizzük. Szükség esetén pótoljuk az olajat. A vízkiválasztó folyadékszintjét rendszeresen ellenőrizzük. Szükség esetén eresszük le a tartályt. A szűrőket rendszeresen ellenőrizzük, és szükség esetén cseréljük is ki. Ellenőrizzük a rendszer nyomását rendszeresen. A védőborítások és biztonsági berendezések jelenléte és működésképességének biztosítása kötelező. A berendezést és az egyes alkatrészcsoportokat biztonságosan rögzítsük. Ellenőrizzük a pneumatikus berendezés tömítettségét. A tömítetlenségeket lehetőleg küszöböljük ki.

Ezen kívül ellenőrizzük rendszeresen a pneumatikus berendezés alábbi komponenseit: -

Az olajködkenőben levő olaj állapotát. A szűrők és a vízkiválasztó állapotát. A kijelzők állapotát. A vezetékhálózat általános állapotát. A berendezések általános állapotát, amennyire lehetséges.

A berendezésen elvégzendő munkálatok során mindig ügyeljünk a dugattyúk mozgásterére. Kis munkahengerek is okozhatnak sérüléseket!

19


2.4 Hidraulikus berendezések üzembe helyezése Az elektrohidraulikus berendezések be- vagy ráépítése esetén először ellenőrizni kell, hogy az előírt műszaki adatok, azaz például a feszültéség és az áram fajtája megfelelnek-e a gyártó által előírt adatoknak. Az elektrohidraulikus berendezések be- vagy ráépítése esetén tartsuk be a gyártó előírásait, adatait, és ügyeljünk a rajzokra. A csővezetékeket pontosan a gyártó előírásainak megfelelően kell lefektetni. A szerelések befejeztével ezek nem állhatnak mechanikai feszültség alatt. Nem léphetnek fel rezgések, vagy más, esetlegesen károkat előidéző mozgások. Tömlők használata esetén ügyeljünk arra, hogy ezek megfelelő hosszúságúak legyenek, és menetük ne tartalmazzon túlzottan kis sugarú hajlítást. A csövek és tömlők nem lehetnek kopottak, megtörtek vagy összepréseltek. A vezetékek tisztaságát beépítésük előtt ellenőrizzük, szükség esetén tisztítsuk meg őket. A hegesztett vagy melegen hajlított csővezetékek belső oldalát ellenőrizzük, nincs-e rajtuk fémsorja. A szelepek és munkahengerek nélküli vezetékek átmosása eltávolítja a szennyeződéseket. A visszafolyó vezetékekben nem torlódhat fel a folyadék, a hidraulikafolyadéknak lehetőleg akadály nélkül kell visszajutnia a tartályba. Szükség esetén a munkahengerek szabadon álló alkatrészeit, így pl. a dugattyúrudat védeni kell. Mozgó alkatrészek nem veszélyeztethetik a kiszolgáló-személyzetet.

2.4.1 A berendezés hidraulikafolyadékkal való feltöltése A tartályok, cső- és tömlővezetékek tisztaságát a berendezés feltöltése előtt ellenőrizni kell. Ellenőrizzük a szelepek állapotának megfelelőségét. A hidraulikatartályba nem hatolhat be szűretlen levegő. A be- és kiáramló levegőt szűrő légszűrőnek üzemképes állapotban kell lennie. A berendezést csak a gyártó által specifikált hidraulikaolajjal szabad feltölteni. Ügyeljünk a típusra, a viszkozitásra és az olajok további tulajdonságaira is.

20

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A berendezés feltöltésekor teljesen nyissuk ki a fojtó és áramlási szelepeket. A hidraulikafolyadék betöltésekor ügyelünk a tisztaságra. A tartályokban levő hidraulikafolyadék már tartalmazhat vizet vagy szenynyeződéseket, így a betöltendő olaj szűrése elengedhetetlen. Víz nem kerülhet a berendezésbe. Fordítsunk különös figyelmet a folyadéktartályok feltöltésére. A gázzal töltött tárolókat csak nitrogénnel szabad előfeszíteni. Ügyeljünk a gyártó előírásaira. Az üzembe helyezés előtt ellenőrizzük a hidraulikus szivattyú forgásirányát: ezt rövid bekapcsolással tehetjük meg. A berendezés ekkor ne legyen nyomás alatt, így az alkatrészeken nem alakulhat ki nyomás. A szivattyú szívó vezetéke legyen szabad.

2.4.2 Üzembe helyezés Az üzembe helyezés során ügyeljünk az alábbiakra: - A hidraulikus berendezést terhelés előtt 1-4 órán keresztül járassuk üresjáratban. - A biztonsági szelepet a gyártó előírásainak megfelelően állítsuk be, majd plombáljuk le, így a nyomás ezután már nem változtatható. - Állítsuk be a fojtó, áram-, és nyomásszelepeket. Szükség esetén ezeket is plombáljuk le. - Az üresjárat alatt ellenőrizzük a nyomást, olajszintet és a szivattyú, a meghajtó motorok és a hidraulikaolaj hőmérsékletét. Ügyeljünk az esetleges szivárgásokra. - A hidraulikus szivattyú beindulása után légtelenítsük a berendezést, majd ismételjük meg a légtelenítést, amint a hidraulikaolaj elérte az üzemi hőmérsékletet. Ekkor ismét ellenőrizzük a folyadékszintet is. - Az üresjárat után terheljük meg a rendszert, ám ezalatt folyamatosan ellenőrizzük a nyomást. Továbbra is ügyeljünk az esetleges tömítetlenségekre, mindenek előtt a csavarok és csatlakozók környezetében. A tömítetlenség kiküszöbölése azonban csak nyomásmentes állapotban történhet! - A normális munkakörülmények elérése után ellenőrizzük a munkahengerek és meghajtók sebességeit, melyeket jegyzőkönyvben kell rögzítenünk. Az esetleges hiányosságokat is jegyezzük fel! Ügyeljünk arra, hogy ne lépjük túl a megengedett legmagasabb hőmérsékletet. - A szűrőket az üzembe helyezés után tisztítsuk meg. Ez különösen érvényes a szabályozó szelepek használata esetén.

21

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet Minos________________________________________________________________ -

-

Axiáldugattyús szivattyúk használata esetén ügyeljünk arra, hogy ezek a hidraulikafolyadékot magunk nem képesek beszívni, így ezeket az üzembe helyezés előtt fel kell tölteni. Szivattyúk cseréje esetén ügyeljünk arra, hogy a hideg szivattyút ne érje azonnal forró olaj.

2.4.3 Inspekció A berendezés üzeme során ügyeljünk az alábbiakra: -

-

Folyamatosan ellenőrizzük a hidraulikus rendszer funkcióját, teljesítményét és állapotát. Különösen ügyeljünk a hidraulikafolyadék hőmérsékletére és hűtésére. Szintén rendszeresen ellenőrizzük a folyadékszintet. Szükség esetén töltsük fel a tartályt. Ha a folyadékszint nő, az a hidraulikafolyadékban jelen levő vízre utal. Ellenőrizzük a rendszer nyomását. Eltérések esetén a berendezés helyes működése nem lehetséges. Tartsuk be a szivattyúk és motorok nyugalmi idejét. A védőborítások és biztonsági berendezések jelenléte és működésképességének biztosítása kötelező. A berendezést és az egyes alkatrészcsoportokat biztonságosan rögzítsük. Ellenőrizzük a hidraulikus berendezés tömítettségét. A tömítetlenségeket lehetőleg küszöböljük ki.

Ezen kívül ellenőrizzük rendszeresen a hidraulikus berendezés alábbi komponenseit: -

A hidraulikafolyadék állapotát. A szűrők állapotát. Ezeket szükség esetén cserélni kell. Ellenőrizzük a mágneses tisztítókat is. Szennyezettség esetén a tisztítás elengedhetetlen. A berendezések általános állapotát, amennyire lehetséges. A kijelzők állapotát. A vezetékhálózat általános állapotát. Különös figyelmet igényel a nyomástároló. Gázzal töltött nyomástárolók esetén ellenőrizzük az előfeszítő nyomást, melyet szükség esetén korrigálni kell.

Különös figyelmet igényelnek a szabályozó szeleppel rendelkező hidraulikus berendezések, mivel ezek különösen érzékenyek a szennyeződésekre. Ügyeljünk tehát a következőkre: - A szabályozó szelepet mosás előtt távolítsuk el, és helyére helyezzünk megfelelő záróelemet, mely a nyomó vezetéket össze-

22


-

kapcsolja az elvezető vezetékkel. Ezzel lezárjuk a munkahengerhez vezető vezetékeket. A mosás előtt távolítsuk el a nyomásszűrő szűrőelemét, majd e berendezést ezután mossuk át. A mosás után helyezzük vissza a nyomásszűrő szűrőelemét, majd cseréljük ki a visszafolyó szűrőt. A berendezést mossuk át még egyszer, majd helyezzük vissza a szabályozó szelepet.

2.5 Elektromos berendezések üzembe helyezése Az első üzembe helyezés előtt az elektromos meghajtót alapos vizsgálatnak vetjük alá, mely bizonyítja, hogy a berendezés műszaki adatai megfelelnek. A tesztkörnyezetben az első vizsgálat során a berendezést csatlakoztatjuk az elektromos hálózatra. Az elektromos paraméterek mellett ellenőrizzük a mechanikai szilárdságot is. Az alábbi tulajdonságokat vizsgáljuk: -

Az üzem során a gép melegedéséből származó hőmérsékletemelkedést. A rövid ideig magas áramerősség vagy forgatónyomatékkal szembeni terhelhetőséget. A berendezés viselkedését az előírt fordulatszám 1,2-szeresével való terhelés idején. A vizsgálat időtartama: 2 perc. A gép tekercsei meneteinek szigetelését. A gép tömegtehetetlenségét.

Az egyes tulajdonságok esetén különböző mértékű eltérések megengedettek. A berendezés kiszállítható, ha egyetlen érték sem lépi túl a vonatkozó toleranciahatárokat. Üzembe helyezés előtt további vizsgálatok elvégzésére is szükség van. Mérjük meg a legfontosabb paramétereket, a korábban már elkészült vizsgálati jegyzőkönyvek figyelembe vételével. Elektromotorok esetén például vizsgálandó érték az áramerősség néveleges és maximális értéke, a feszültség, a teljesítmény, a frekvencia és a fordulatszám. Ügyeljünk a motor szellőzésére és a védőkapcsolásokra is. Az üzembe helyezés során ügyeljünk még az alábbiakra: -

Biztosítékok megléte és megfelelősége. A feszültség értéke a bekapcsolás után. Ellenőrizzük a motor forgásirányát. 23

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet Minos________________________________________________________________ -

Teszteljük a védőkapcsolásokat és vezérlő áramköröket. Ellenőrizzük a motor elhelyezésének irányát és kapcsolatát a berendezés meghajtott részeivel.

2.6 PLC-k üzembe helyezése A relés huzalozott programozású vezérlésekkel szemben a PLC-k esetén a program a hardvertől elkülönítve is tesztelhető, ehhez mindössze egy szimulációs szoftverre van szükség. A bemenetek beállítása, és a kimenetek beállításának ellenőrzése egy hardver szimulátor segítségével történik. Ekkor feszültségmentes kapcsolók kapcsolják a PLC egyes bemeneteit. A kimenetek kapcsolását LED-ek vagy lámpák jelzik. Lehetséges a bemenetek szoftveres beállítása is, majd innen kiindulva lehet tesztelni a program egyes építőelemeit. A program tesztelésekor a programozó berendezést csatlakoztassuk a PLC-re. A programozó berendezés képernyős üzemmódja segítségével ellenőrizhetjük a PLC program lefutását. A program szimulációja segítségével már a tulajdonképpeni üzembe helyezés előtt fényt deríthetünk számos hibára, melyeket ekkor már ki is küszöbölhetünk. Ez jelentősen csökkenti a tulajdonképpeni üzembe helyezéshez szükséges időt.

2.6.1 Gyakori programozási hibák A PLC-programot már annak tesztelése előtt érdemes átvizsgálni, nem bukkanunk-e tipikus programozási hibára. Ilyenek a következők: - A program nem használja az adott merkert, kimenetet, időtagot, számlálót vagy változót. - Az adott merker vagy változó címét több alkalommal rendeljük hozzá különböző változókhoz. Ez a program különböző részei esetén eltérő eredményekhez vezet. A modern programozási szoftverek az ilyen hibákat már gyakran felismerik és felhívják rájuk a figyelmet. Miután a programot hibátlannak ítéljük, betölthetjük a PLC-be. Mivel ekkor csak a program kódot töltjük át, az eredeti programot mindenképpen őrizzük meg, hiszen csak így lehetséges a PLC-program későbbi módosítása. A PLC beépítése előtt ügyeljünk arra is, hogy a PLC üzemi feszültsége és a be- és kimenetek feszültségei megfeleljenek a berendezés feszültségértékeinek.

24


3 Hibakeresés 3.1 Hibák és zavarok lokalizálása az üzembe helyezés során A hidraulikus, pneumatikus és elektromos vezérlések üzembe helyezésekor a hibák és zavarok keresése rendszerezett megközelítést igényel. Minél bonyolultabb egy vezérlés felépítése, annál fontosabb a hibakeresési koncepció kialakítása. Az üzembe helyezéskor nagy segítséget nyújt a teljes, és a műszaki valóságnak megfelelő dokumentáció. Ide tartoznak többek között: -

-

A hidraulikus, pneumatikus és elektromos kapcsolási rajzok, az áramkörök vezérlési tervei, a beállítási értékeket tartalmazó áttekintő rajzok, felépítési rajzok, berendezés- és alkatrészlisták. Az egyes berendezések vagy alkatrészcsoportok használati utasításai, funkciódiagramok, üzembe helyezési előírások. Üzembe helyezési útmutató. Karbantartási irányvonalak. Útmutató a hibaanalízishez (különösen a sorozatban gyártott berendezések esetén).

3.2 Eljárás hibák és zavarok keresésekor Ha egy összetett rendszerben hiba vagy zavar lép fel, az hibás működésként, vagy valamely funkció, vagy a teljes berendezés kieséseként jelentkezik. Ahhoz, hogy a hibát vagy zavart gyorsan tudjuk lokalizálni és elhárítani, a keresés folyamatának a megfelelő sorrendben kell haladnia: 1. Hibadiagnosztika (a hiba felismerése optikailag, akusztikailag) 2. A hiba behatárolása segédeszközök (például funkciódiagram, kapcsolási rajz) segítségével 3. Hiba kiküszöbölése Komplex, hidraulikus, pneumatikus, elektromos vagy összekapcsolt részrendszerekből álló rendszerek esetén a hiba pontos lokalizálása különösen fontos.

3.2.1 Hibakeresés funkciódiagram segítségével A műszaki zavarok és hibák behatárolásának legolcsóbb módja a funkciódiagramos hibakeresés. Erre alkalmasak a logikai kapcsolási rajzok, funkció- vagy programlefutási tervek. A kapcsolási rajzok és tervek összessége nagyban megkönnyíti a munkát.

25


3.2.2 Hibakeresés hibakereső programok segítségével A hibakereső programok gyakori használata, és ezáltal a rendelkezésre álló tapasztalatok gyarapodásának köszönhetően ezek egyre inkább kiegészíthetők és egyre jobban használhatók. Ennek feltétele azonban, hogy a karbantartó személyzet rendszeresen vezet vizsgálati jegyzőkönyvet, a fellépő hibákat pedig jelenti. Példa

A hidraulikus szivattyú „magas, sivító hangot ad”. Ezen leírás segítségével a hibát már diagnosztizáltuk is. A legjobb megoldás ekkor egy már meglevő hibakereső program futtatása. Sorban válaszoljunk a program kérdéseire. Ha a program talál lehetséges hibaokot, végezzük el a megadott műveleteket, majd ellenőrizzük, megszűnt-e a hiba. Ehhez ismét futassuk le a hibakereső programot, hogy felleljük a lehetséges további hibákat is.

26


2. ábra: Hibakereső program „Magas, sivító hang a hidraulikus szivattyúban”

27


3.3 Üzembe helyezés során gyakran fellépő hibák A tapasztalat szerint vannak hibák, melyek gyakran fellépnek, így érdemes ezek kiemelten kezelni. Ilyenek például: a) az elektropneumatikában -

a munkahengerek nem kapnak elég sűrített levegőt az üzemi nyomás túl alacsony a munkahengerek vezetékei fel vannak cserélve a közelítéskapcsoló helytelenül van elhelyezve a PLC ki- vagy bemenetei hibásan vannak csatlakoztatva

b) az elektrohidraulikában -

fel van cserélve a munka-, nyomó- és tartályvezeték a nyomáshatároló szelep hibásan van beállítva a közelítéskapcsoló helytelenül van elhelyezve a PLC ki- vagy bemenetei hibásan csatlakoznak

c) elektromos rendszereknél -

a vezetékek fel vannak cserélve a kapcsolások hibásak

d) a PLC esetében -

hibás a szoftver hibás a hardver

3.3.1 PLC használata hibakereséskor Komplex rendszer PLC-s vezérlése esetén annak üzembe helyezése előtt érdemes magát a vezérlést külön, a hidraulikus, pneumatikus és elektromos komponensek nélkül tesztelni. A PLC gyártmányától függően a vonatkozó komponens megnevezése más és más, működésük azonban nagy vonalakban megegyezik. A PLC programjának más komponensektől független ellenőrzését mindenképpen érdemes elvégezni.

28


3.4 Hibakeresés üzembe helyezéskor 1. Példa Tünet: A vezérlés nem indul el. Egy kivételével minden munkahenger a hátsó véghelyzetben található. Hibakeresés: Elsőként győződjünk meg arról, hogy minden munkahenger alapállapotban található. Az ellenőrzéskor azt találjuk, hogy az 1A munkahenger nincs alaphelyzetben. Ezáltal a belső szélső helyzetet jelző végállapot-kapcsoló nem jön működésbe, tehát a PLC megfelelő bemenetén nincs jel. Ezt láthatjuk a PLC tesztfunkciójából, és ezt jelzi a bemenet mellett világító LED is. A vezérlés indítása tehát azért nem lehetséges, mert az egyik indítási feltétel nem teljesül. Ezután választ kell találnunk arra a kérdésre, hogy az 1A munkahenger miért nem az alappozícióban áll. Egy lehetőség az impulzusszelep helytelen állása. A szelepet a kézi segédműködtetés segítségével hozzuk alaphelyzetbe. Ha az 1A munkahenger ekkor felveszi az alaphelyzetet, a végállapot-kapcsoló működésbe jön, a vezérlés indítása lehetségessé válik. A munkahenger behúzásához tartozó kimenet LED-je világít, azaz él a behúzásra irányuló parancs, azonban az 1A munkahenger nem húzódik vissza. Ellenőrizzük, a szelepet melynek mágnestekercseit vezéreljük. Azt találjuk, hogy a mágnestekercsek csatoló csatlakozói fel vannak cserélve. Ezt mutatja a csatlakozó felett világító LED is. A hiba elhárítása után a munkahenger visszahúzódik, a vezérlés elindul. A hiba elhárítása előtt nyomjuk meg a VÉSZKIOLDÓ gombot, hogy az üzembe helyezési hiba elhárítása után a vezérlés nehogy azonnal beinduljon, és veszélyhelyzet alakulhasson ki. A hibakeresés eredménye: Az impulzusszelep szelepcsatoló csatlakozói a felszerelés során felcserélődtek. Ezáltal az 1A munkahenger nem alapállapotban állt.

29


2. Példa Tünet: Minden munkahenger alaphelyzetben található, azonban a vezérlés nem indul. Hibakeresés: Először használjuk a PLC hibakereső funkcióját. Ehhez a vonatkozó paranccsal váltsunk arra a hálózatra, ahol az előrefutásra vonatkozó startjelet kiadjuk. A példa okáért legyen ez a 4-es hálózat. Ebben a hálózatban látjuk, hogy a reset jel az M2.0 merker utasítására felvette az 1-es jelállapotot. A reset jel tehát még aktív, jóllehet az indításkor erre már nincs szükség. Váltsunk az M2.0 merker állításával foglalkozó hálózatra. Példánkban ez a 9-es hálózat. Most már ellenőrizhetjük, miért él még mindig az M2 merker jele. A hálózat vizsgálatakor azt tapasztaljuk, hogy két henger belső szélső állapotának jele aktív. Jóllehet mindkét véghelyzet helyes, az ÉS-kapcsolat nem 1-es állapotot szolgáltat, mivel az M5.0 merker nem aktív. Ezt követi egy VAGY-kapcsolat. Itt ahhoz, hogy az M2.0 merker jele a kimenetre kerüljön elég, ha az egyik bemeneti jel aktív. Megállapítjuk, hogy a „H-nyomás” (E1.7) bemenet 1-es állapotban található. Ez a jel azt mutatná, hogy a hidraulikus nyomás értéke túl magas. A hiba azonban már akkor fellép, amikor a hidraulikus tápnyomás még be sincs kapcsolva, tehát nem lehet nyomás a rendszerben. A nyomásvezetéken található manométer sem mutat nyomást. A PLC E1.7 bemenetének LED-je szintén jelez. Ellenőrizzük, miért ad a nyomáskapcsoló jelet, jóllehet még nincs nyomás a rendszeren. Ez utalhat ugyanis a nyomáskapcsoló meghibásodására, de jelenthet hardveres csatlakozási hibát is. Ellenőrizzük, hogy a nyomáskapcsoló a dokumentációnak megfelelően zárókontaktusként van-e bekötve.

30

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet _______________________________________________________________Minos A hibakeresés eredménye: Megállapíthatjuk, hogy a nyomáskapcsoló hibásan zárókontaktus helyett nyitókontaktusként volt bekötve. Ekkor a nyomáskapcsoló nem kapcsolt állapotban adott jelet. A zárókontaktussá való átkötés után a 9-es hálózatban már nem aktív a nyomáskapcsoló jele, így az M2.0 merker sem aktív. Ezzel a 4es hálózatban minden indítási feltétel teljesül, a program elindítható. 3. Példa Tünet: A vezérlés gond nélkül elindul. A 2A munkahenger ismét felveszi a kiindulási helyzetét, azonban a 3A munkahenger, melynek előre kellene futnia, nem mozdul. Hibakeresés: A 3A munkahenger előrefutásának jelét a funkciódiagram szerint a 2A munkahenger végállapot-kapcsolója adja. Ez a végállapotkapcsoló indítja a 2A munkahenger visszahúzódását is. A végállapot-kapcsoló bemeneti jele aktív? Igen, különben nem húzódna vissza a 2A munkahenger. Váltsunk a PLC tesztfunkciójára. A program lépésláncában aktív a megfelelő merker, ill. aktiválódott a 3A munkahenger előrefutását indító lépés? Igen, a lépéslánc helyesen belép a munkahenger előrefutását indító lépésbe. A programban aktiváljuk a 3A munkahenger előrefutásáért felelős mágnestekercset? Igen, a program megfelelő helyén megtalálható a mágnestekercs aktiválására vonatkozó parancs. Ez látható a PLC kimeneteit jelző LED-ek között? Igen, a LED világít. A megfelelő mágneses tekercs húz?

31

Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés - Jegyzet Minos________________________________________________________________ Igen, ezt a csatlakozó lehúzásával, majd ismételt csatlakoztatásával ellenőrizzük. A mágnes behúzásakor határozott kapcsolási hangokat hallunk. Az ismételt csatlakoztatáskor a LED világít. A keresést a hidraulikus kapcsolási rajzzal folytatjuk. Van nyomás a 4/2-útszelep P csatlakozójáig? Igen, az útszelep nyomás alatt áll. Lehet, hogy a hengerhez vezető vezetékek vannak felcserélve? Nem, a henger vezetékei megfelelően vannak csatlakoztatva. Van nyomás az útszelep B kimenetén? Igen, az útszelep B kimenete nyomás alatt áll. A hiba tehát az útszelep B csatlakozója és a dugattyúoldali hengercsatlakozó között található, vagy a henger másik oldalán nem tud visszaáramolni a hidraulikafolyadék. Először ellenőrizzük a közbülső berendezések beállításait. Ezek a berendezések: -

fojtó-visszacsapószelep nyomáskapcsoló

A hibakeresés eredménye: Megállapíthatjuk, hogy a fojtó-visszacsapószelep helytelenül volt beállítva. Teljesen le volt zárva, így zárószelepként működött. Ez meggátolta a 3A munkahenger előrefutását. A szelep helyes beállítása után a vezérlés megfelelően működik.

32


Mechatronikus rendszerek távdiagnosztikája és karbantartása


Készítették: Jerzy Jędrzejewski Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország




Távdiagnosztika és karbantartás - Jegyzet _____________________________________________________________Minos

Tartalom 1 2 3 4

A távdiagnosztika és –karbantartás célja és feladatai........................................ 4 Diagnosztikai rendszerek elve, felépítése és működése .................................... 6 Szervizdiagnosztikai rendszerek elve és működése ........................................ 11 Kitekintés......................................................................................................... 15

3

Távdiagnosztika és karbantartás - Jegyzet Minos_________________________________________________________

1 A távdiagnosztika és –karbantartás célja és feladatai A modern gépek és berendezések nagyfokú automatizáltsága következtében az irányítástechnikai rendszerek a mikroprocesszor, processzor vagy számítógép által létrehozott utasítások (irányítástechnikai döntések) alapján végzik feladataikat. Az irányítástechnikai döntések a mechatronikus rendszer végrehajtó komponensei közelében elhelyezkedő érzékelők jelei alapján jönnek létre, melyek ezen komponensek állapotáról és a feladatok kivitelezésének folyamatáról adnak tájékoztatást. Az így kapott információk alapján jön létre az ítéletalkotás a rendszer működéséről és a feladatok kivitelezésének állapotáról és helyességéről, valamint a hibákhoz vezető zavarok mértékéről, és a korrigáló intézkedések megtételének szükségességéről. Az ítéletalkotás egy algoritmuson alapul, mely figyelembe veszi a mechatronikai rendszer működését és a folyamatot befolyásoló összes faktort. Sok esetben az irányítási folyamat intelligens, azaz AI (artificial intelligence = mesterséges intelligencia) eszközök segítségével zajlik. Egyetlen mechatronikus rendszer, teljes berendezések és folyamatok diagnosztikája, valamint a rendszerek és gépek működésének felügyelete és diagnosztikája mind lehet intelligens. A gépek hibás működése illetve károsodása a termelés késéséhez vagy akár leállásához vezet, amelynek költségvonzata nem elhanyagolható. Ennek elkerülése érdekében a gépek és folyamatok folyamatos felügyelete szükséges, lehetővé téve a zavarok megelőzését vagy időbeni elhárítását. A felügyelet egyre inkább távoli, és a döntések sem a helyszínen születnek. Egyre gyakrabban a szerviz funkciókat is távolról látják el. Sokszor egyenesen nincs más lehetőség, hiszen kizárólag a gép/berendezés gyártója rendelkezik a szerviz/karbantartáshoz, illetve a hiba felismeréséhez és elhárításához szükséges ismeretekkel, így az üzemeltető ezeket a feladatokat nem is lenne képes ellátni. A távdiagnosztika feladata a szükséges diagnosztikai információ (jelek) továbbítása a (kis vagy nagyobb távolságra elhelyezkedő) vevő, felügyeleti állomás vagy felügyeleti központ felé. Egy megfelelő, intelligens tanácsadó vagy szakértői rendszer, vagy akár egy szakértő felméri a zavar mértékét, meghatározza a kár mértékét, és meghozza a szükséges döntéseket. Távolról előrejelzést ad, felméri az eltéréseket és azonosítja a működési paraméterek hibáját. A diagnosztikai rendszer vála-

4

Távdiagnosztika és karbantartás - Jegyzet _____________________________________________________________Minos sza diagnosztikai következtetés, amely a szervízelésre vonatkozó döntések alapja. A távszervizelési rendszer feladati közé tartoznak az alábbiak: -

-

-

A mechatronikus rendszer (gép és berendezés) működési paramétereinek súlyos eltérésének megakadályozása a zavarok csökkentésével és a hibák kiküszöbölésével Súlyos hibák és defektek előrejelzése. Így lehetőség nyílik tervezett és előkészített, megelőző intézkedések megtételére A szerviz- és karbantartási munkálatok a felhasználó számára legmegfelelőbb működési időszakban való megtervezése

A távdiagnosztikában forradalmi változásokat hozott a vezeték nélküli (wireless) kommunikáció fejlődése. Ennek alkalmazásával a diagnosztikai jeleknek az érzékelőtől a vevő felé történő továbbításához már nincs szükség vezetékes hálózatra. A mérőrendszer mérete minimalizálható és a mérések javíthatók, így a berendezés nehezen hozzáférhető pontjai is felügyelhetők. Az érzékelők kommunikációs hálózatba kapcsolása a diagnosztikai eljárás szinte határtalan kiterjesztését teszi lehetővé, hiszen ekkor már nem csak egyetlen szenzort, hanem szenzorok csoportjait alkalmazhatjuk. Ennek eredményeképpen az érzékelők által közvetített információt a szabályzó, a diagnosztikai és az előrejelző rendszerek is használhatják. Ez a mechatronikai rendszerek diagnosztikája szempontjából hatalmas jelentőséggel bír.

5


2 Diagnosztikai rendszerek elve, felépítése és működése A gépek diagnosztikája azok precíz és megbízható működését biztosítja. Minél bonyolultabb egy berendezés, annak mechatronikai rendszere valamint a kivitelezett technológiai folyamat, annál több hiba léphet fel. Ezeket vagy periodikusan, vagy folyamatosan felügyelni kell, valamint az általuk okozott hibákat is el kell hárítani. Minél nagyobb precízióra van szükség egy gép (diagnosztizált berendezés) esetén, annál nagyobbnak kell lennie az azonosítás precizitásának és megbízhatóságának (azaz az érzékelő, a diagnosztikai jelek feldolgozása és továbbítása precizitásának) is. Így a megfelelő diagnosztikai rendszer, szoftver és hardver kiválasztásához a berendezés felépítésének és a lezajló folyamatoknak, valamint a diagnosztika elvének és gyakorlatának, és a diagnosztikai rendszer komponenseinek átfogó ismerete szükséges. A diagnosztika komplexitása és precizitása a diagnosztikai paraméterek a gép működésére gyakorolt hatásától függenek. Az alábbi táblázat adott megmunkáló berendezés esetén a fellépő hibák százalékos arányát mutatja be, az ábra pedig a jellemzően felügyelendő mennyiségeket ábrázolja. 1. táblázat: Jellemző hibák Hiba fellépésének helye Munkadarabok beadagolása, továbbítása DNC rendszer Újraszerszámozó mechanizmus Szerszám hosszának beállítása Szerszám mechanikai összeszerelés Szerszám károsodása Munkadarab befogása Finombeállítás vezérlése Hűtőanyag adagolása Paletta befogása NC rendszer Chip problémák Hidraulika Egyéb

Arány [%] 20,1 18,2 14,6 14,1 12,1 6,8 2,6 1,7 1,7 1,1 0,9 0,9 0,9 4,3

Egy megmunkáló szerszámgéphez hasonlóan összetett berendezés teljes diagnosztikája igen bonyolult és költséges. A periodikus vagy folyamatos ellenőrzés érdekében az érzékelőket a berendezés szerkezetébe fixen be kell építeni, ez pedig magas költségekkel jár. Az érzékelők vezetékekkel, vagy néha vezetékek nélkül (wireless) kapcsolódnak egymáshoz és a jelfeldolgozó egységhez (a megfelelő kommunikációs szabványok használatával). A jeleknek egyértelmű információt kell 6

Távdiagnosztika és karbantartás - Jegyzet _____________________________________________________________Minos szolgáltatniuk a felügyelt mennyiségek lehető legkisebb változásáról, és nem zavarhatja őket semmiféle külső hatás a jelfeldolgozó felé történő továbbítás során. Ezután a feldolgozott jel alapján a vezérlőegység levonja a megfelelő következtetéseket, amely egyszerű esetben a mért és a névleges értékek összehasonlítása alapján a szükséges korrekciós lépések megtétele lehet. Összetett folyamatok esetén egyidejűleg több diagnosztikai jelet kell kiértékelni. Ez esetenként már igen bonyolult lehet, így szükség lehet komplex algoritmusok, vagy akár mesterséges intelligencia eszközök (pl. fuzzy logic, mesterséges neurális hálózatok, szakértői rendszerek) használatára is. Ezen túl fontos még a kommunikációs rendszer hatékonysága is, különösen, ha a diagnosztizált mennyiségek a berendezés működése szempontjából kritikus paraméterek, azaz gyors választ igényelnek. Minél távolabb helyezkedik el az érzékelő a jel keletkezési helyétől, annál nagyobb annak a veszélye, hogy a felügyeleti rendszer pontossága nem kielégítően nagy, a válaszidők pedig túl hosszúak. Ilyen esetekben szükség lehet az érzékelők jelének erősítésére, digitális szűrőkre, és további jelfeldolgozásra is. Ily formán a mérés felbontása megnövelhető.

1. ábra: Jellemzően felügyelendő paraméterek megmunkáló-berendezés esetén A diagnosztika bemenő adatai: -

diagnosztikai jelek tulajdonságai, adatgyűjtési pontok (érzékelő elhelyezkedése, változások üteme, üzembenállás), kontrollált értékek határértékei,

7

Távdiagnosztika és karbantartás - Jegyzet Minos_________________________________________________________ -

-

a keletkező jel és a berendezésben vagy folyamatban keletkező zavar közötti összefüggés, érzékelők és mérőműszerek (érzékenységi küszöb, komplexitás, adaptálhatóság, szám, költség, automatizáltsági fok), a begyűjtött információ formája, a jelfeldolgozás módja, verifikációs módszer(ek), jelvevővel való kommunikáció módja, diagnosztikai stratégia, következtetések létrehozásának módja.

A szükséges érzékelők számának és a jelfeldolgozó rendszer komplexitásának csökkentése érdekében érdemes olyan szenzorok használatára törekedni, amelyek a lehető legtöbb információt képesek szolgáltatni. Intelligens átalakítók használatával a mérés útvonala egyszerűsíthető, a diagnosztikai információ pedig könnyebben begyűjthető. Az intelligens erő átalakító szerkezetét az alábbi ábra mutatja be. Ezek általában kis méretű MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) egységek, tehát olyan mikrostruktúrák, amelyek egy érzékelőt és a hozzá tartozó erősítőt, valamint egy intelligens jelfeldolgozáshoz szükséges információkat szolgáltató mikroprocesszort tartalmaznak.

2. ábra: Intelligens erő átalakító szerkezete A diagnosztika tervezésével szembeni követelmények: -

8

a diagnosztikai jel legyen érzékeny a gép/folyamat teljesítményében beálló változásokra, vegye figyelembe a gép/folyamat kopásának mértékét,

Távdiagnosztika és karbantartás - Jegyzet _____________________________________________________________Minos -

ismerje a kiszolgáló személyzet hozzáértésének mértékét, legyen megbízható, működtetésének költsége legyen lehetőség szerint alacsony.

Egy tipikus, mechanikus tárgyak diagnosztizálására használt egység jellemzően az alábbi komponensekből áll: 1. Mérőrendszer (érzékelő, összehasonlító rendszer – ez felelős az energiaellátásért és a jelek információinak összehasonlításáért; diagnosztikai csatlakozók) 2. Jelátalakítók (nem villamos jelből villamos jelet állítanak elő 3. Műveleti erősítők, A/D átalakítók, csatornaválasztók, I/O portok, egyéb 4. Digitális jelfeldolgozó (a diagnosztikai tünetek kiszámítására) 5. Döntéshozó rendszer (tartalmaz logikai átalakítókat, feszültségszint átalakítókat, digitális komparátorokat, és hasonlókat) 6. Információ kijelző rendszer, mely dekódolja az információt, majd a felhasználó számára értelmezhető módon megjeleníti (képernyőn, nyomtatón, analóg vagy digitális kijelzőkön, stb.) 7. Információ tároló rendszer (memória: RAM, RAM-DISK, VDISK) 8. Szoftver (operációs rendszer, jelfeldolgozó és analizátor, állapotdiagnosztika és predikció, diagnosztikai egység funkcióinak kivitelezése, rendszerszintek közötti kommunikáció, rendszer működésének felügyelete). Az alábbi ábra egy diagnosztikai egység blokk diagrammját ábrázolja.

9


3. ábra: Mikroprocesszoros diagnosztikai egység blokk diagramja

10


3 Szervizdiagnosztikai rendszerek elve és működése Egy berendezés vagy folyamat működtetésénél kétféle diagnosztikát lehet megkülönböztetni: • általános diagnosztikát, mely arról tájékoztatja a felhasználót, hogy a fellépő zavarok a megengedett határokon belül mozognak-e, és a termék megfelelő pontossággal készül-e, • a szervizdiagnosztikát, melynek célja a periodikus hibakorrekció és a helyes működési paraméterek visszaállítása. A szervizdiagnosztika a berendezés elhasználódásának felügyeletéből áll, a hibajavítás vagy tervezett karbantartás a felhasználó számára megfelelő, rövid leállási idő alatt történő végrehajtása érdekében. A szervizdiagnosztika célja tehát a berendezés működési paramétereinek visszaállítása a szükséges folyamatpontosság biztosítása érdekében. A berendezés elhasználódásának előrejelzése érdekében az öregedési/kopási folyamat és a működési paraméterek változásának (előrehaladt állapotú hiba tünete) mélyebb ismerete szükséges, mint az általános diagnosztika esetén. Ez azt jelenti, hogy a szervizdiagnosztika a gép felépítésével és működésével, pontosságával, a pontosságot érintő zavarokkal, hibakorrekcióval és kompenzációs módszerekkel, valamint javítási technikákkal kapcsolatban friss ismereteket igényel. A szervizdiagnosztika képességeit már a berendezés tervezésénél érdemes figyelembe venni. Ez különösen érvényes a berendezésben elhelyezett intelligens érzékelők és azon komponensek helyének megválasztására, melyek a szervizközponttal való kapcsolattartást biztosítják. Már ebben az állapotban érdemes a diagnosztikai jelek és a fellépő hibák összefüggésére vonatkozó szimulációkat végezni, hiszen ez megkönnyíti majd az előrejelző szerviztevékenységet, és meghatározza a mérési rendszer szükségleteit is. Az ilyen diagnosztika esetén szükségesek a berendezés működési körülmények közötti modellezésére, a fellépő hibák egyszerű, a periodikus felügyeletre és kompenzációra alkalmas függvényekkel való modellezésére, korlátolt idejű előrejelzésekre és a berendezés viselkedésében fellépő lehetséges eltérésekre vonatkozó mélyreható ismeretek. Ezek igen összetett dolgok, tehát megfelelő számítógépes hardvert, szoftvert és számítógépes tervezőket igényelnek. Gyakran szerencsére közvetlenül lehetséges az ilyen célra ki-

11

Távdiagnosztika és karbantartás - Jegyzet Minos_________________________________________________________ fejlesztett, kereskedelmi forgalomban is kapható szoftverek és diagnosztikai modulok használata. Az alábbi ábra tipikus gép/technológiai berendezés elhasználódásának paramétereit mutatja, a megengedett és a határérték (diagnosztikai tünet) feltüntetésével. Ezek jelzik, vajon a berendezés még működőképes (funkcionális) vagy már nem. Ha a tünet túllépi az Ud megengedett értéket, a berendezés már nem működik tökéletesen, de korlátos ideig még használható, azaz még képes feladatainak ellátására. Ha a tünet túllépi az Ug határértéket (ez jelöli a javítások elvégzésének lehető legkésőbbi időpontját), a berendezés már nem használható. A szervizelhető (javítható) és nem szervizelhető területek néha enyhén fedik egymást. A fedésben levő terület az a tartomány, amikor a berendezés már nem teljesen üzemképes, azonban még javítható.

4. ábra: Gépek és berendezések műszaki állapotának besorolása

5. ábra: Gépek és berendezések műszaki állapotának területei

12


Az alábbi ábra azt a tartományt mutatja be, ahol a berendezés működését tudás feldolgozással és diagnosztikával segíthetjük. A tartomány az analízis és AI eszközök széles spektrumát fedi.

6. ábra: Diagnosztikai modellezés képességei A következő ábra a tünet és a hiba közötti összefüggés felderítésének lehetőségeit ábrázolja, mely igen összetett műveleteket igényel: modell megfordítását, a modellek hibára való érzékenységének tesztelését, öntanuló adatok létrehozását, adaptációs modellek létrehozását és diagnosztikai kapcsolatok felépítését.

13

Távdiagnosztika és karbantartás - Jegyzet Minos_________________________________________________________ A tünet-hiba kapcsolatok felderítéséhez használt jól kialakított szimulációs technika használatával, a berendezés operátora a monitoron nem csak a hiba keletkezéséről kap információt, de megkapja az annak behatárolására alkalmas adatokat is.

7. ábra:

14

Diagnosztikai kapcsolatok feltérképezésének szimulációs technikái: klasszikus és a modell megfordításán alapuló technika


4 Kitekintés A távdiagnosztika és –karbantartás mögött komoly gazdasági érdekek állnak, hiszen hozzájárulnak a berendezés élettartamának meghosszabbításához. A berendezés élettartamának meghosszabbítására való törekvés tehát a diagnosztika és a felügyeletei rendszerek fejlesztését vonja maga után. Ezen felül, a gyártás növekvő globalizációjával párhuzamosan egyre inkább szerteágazóbbá válik, így a mechatronikus rendszerek, technológiai folyamatok és gyártott termékek megbízhatóságának növelése érdekében egyre inkább szükség lesz a távdiagnosztika és –karbantartás alkalmazására. Ez azt jelenti tehát, hogy a moduláris diagnosztikai rendszerek fejlesztése tovább folytatódik, és az intelligens érzékelők egyre több diagnosztikai funkciót látnak majd el. Természetesen ezt követi majd a mérőrendszerek miniatürizálása és integrációja. Ezen kívül folytatódik a távoli energiaellátás és információátvitel megbízható módozatainak fejlesztése is. Új, egyre fejlettebb kommunikációs szabványokat és AI-támogatott döntéshozó algoritmusokat használunk majd. A távdiagnosztika és- karbantartás egyértelműen a berendezések teljes diagnosztikai lefedettsége és felügyelete, valamint az előrejelzéseken nyugvó karbantartás irányába halad.

15

Mechatronika Modul 5-8

Recommend Documents