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 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. 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: wzm@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch
Minos Tartalom 1 Induktív érzékelők... 7 1.1 Bevezetés... 7 1.2 Alapkonstrukció... 8 1.3 Redukciós tényezők... 11 1.4 Szerelés... 12 1.5 Speciális szenzorok... 13 1.5.1 Gyűrű-érzékelő... 13 1.5.2 Mágneses térre érzéketlen szenzorok... 14 1.5.3 Különleges körülményekre tervezett szenzorok... 15 1.6 NAMUR szenzorok... 16 1.7 Analóg induktív szenzorok... 17 1.8 Áramellátás... 18 1.9 Érzékelők összekapcsolása... 19 1.10 Biztonság és védelem... 21 1.11 Busz kapcsolat... 22 1.12 Alkalmazások... 23 2 Kapacitív érzékelők... 25 2.1 Bevezetés... 25 2.2 Alapkonstrukció... 26 2.3 Szenzor típusok... 28 2.4 Detektálandó tárgy anyagi minőségének hatása... 29 2.5 Interferencia kompenzáció... 30 2.6 Alkalmazások... 31 3 Ultrahangos érzékelők... 33 3.1 Bevezetés... 33 3.2 Környezeti hatások... 34 3.3 Hanghullám létrehozása... 35 3.4 Az ultrahangos érzékkelő működésének elve... 37 3.5 Lehetséges hibák... 42 3.6 Szenzorok szinkronizálása... 44 3.7 Speciális ultrahangos érzékelők... 45 3.7.1 Reflexiós érzékelők... 45 3.7.2 Két átalakítós érzékelők... 46 3.8 Analóg kimenetű érzékelők... 47 3.9 Alkalmazások... 48 4 Fotoelektromos érzékelők... 51 4.1 Működési elv... 51 4.2 Alapvető érzékelő típusok... 53 4.2.1 Átmenő sugaras érzékelők... 53 4.2.2 Retro-reflexiós érzékelők... 54 4.2.3 Diffúz sugaras érzékelők... 55 4.3 Interferencia kiküszöbölése... 56 4.3.1 Fénymoduláció... 57 3
Minos 4.3.2 Fénypolarizáció... 58 4.4 Működési többlet... 60 4.5 Működési távolság... 62 4.6 Válaszadási idő... 63 4.7 Speciális érzékelők... 64 4.7.1 Retro-reflexiós polarizált érzékelő... 64 4.7.2 Diffúz sugaras érzékelők elő- és háttér elnyomással... 65 4.7.3 Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelők... 68 4.7.4 Optikai szálas érzékelők... 69 4.8 Csatlakozástechnika... 73 4.8.1 Csatlakozási típusok... 73 4.8.2 Kimenet átváltása... 73 4.9 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 diagnosztikájában96 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
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
6 Mechatronikus rendszerek és funkciók Jegyzet Minos
Minos 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
Minos 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
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
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 (S n ) nevezzük. Ez az érték szerepel a katalógusokban, értékét az EN 60947-5-2 szabvány szerint egy négyzet alakú acél lemezzel (St37) határozzák meg, melynek oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, és vastagsága 1 mm. A valós érzékelési távolság (S r ) a gyártás során határozzák meg, és némileg eltérhet a névleges érzékelési távolságtól. Néveleges érzékelési feszültség és nominális környezeti hőmérséklet esetén 0,9 S n S r 1,1 S n. A szenzor működésének megbízhatósága növelése érdekében az ajánlott működési tartomány tovább csökken: az üzemi érzékelési távolság S a 0,8 S n. 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 S n 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 40 Sn [mm] 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