Czujniki zbliżeniowe

Czujniki zbliżeniowe – to rodzaj czujników, które na wyjściu dają sygnał zero-jedynkowy, czyli informują nas czy np. jakiś przedmiot znajduje się  w zasięgu czujnika czy też nie. Detekcja przebiega bezdotykowo, co oznacza że wykrywany element nie musi bezpośrednio dotykać sensora. Czujniki zbliżeniowe, to najbardziej rozpowszechnione sensory w automatyce.  Spotykamy je niemal w każdym zakładzie przemysłowym, urządzeniu bądź w maszynie.

Czujniki zbliżeniowe – klasyfikacja

Najbardziej popularne rodzaje czujników zbliżeniowych to:

– Indukcyjne

Czujniki zbliżeniowe indukcyjne
Czujniki zbliżeniowe indukcyjne

– Optyczne

Czujniki zbliżeniowe refleksyjne
Czujniki zbliżeniowe refleksyjne
Czujniki zbliżeniowe odbiciow
Czujniki zbliżeniowe odbiciowe
Czujniki zbliżeniowe bariera optyczna
Czujniki zbliżeniowe bariera optyczna

– Pojemnościowe

Czujniki pojemnościowe
Czujniki pojemnościowe

– Ultradźwiękowe

Czujniki ultradźwiękowe
Czujniki ultradźwiękowe

– Światłowodowe

Czujniki światłowodowe
Czujniki światłowodowe

Czujniki indukcyjne – wykrywają obecność metalowych elementów. Są to najbardziej rozpowszechnione czujniki w każdej gałęzi przemysłu. Stosowane są często jako wyłączniki krańcowe, wykrywają obecność suportów maszyn, służą jako czujniki bazowania, mogą być użyte do pomiaru prędkości obrotowej wirujących przedmiotów itp. Zasięgi czujników indukcyjnych to zazwyczaj klika, kilkadziesiąt milimetrów.

Czujniki optyczne – zwane są również fotoelektrycznymi, służą do detekcji dowolnego typu elementów, również przeźroczystych.  Czujniki optyczne dzielą się na trzy podkategorie:

  •  odbiciowe – wiązka świetlna odbija się od przedmiotu i wraca do czujnika.
  • refleksyjne – czujnik posiada dodatkowe lusterko (odbłyśnik), promień świetlny odbija się od lusterka i wraca do czujnika. Przerwanie wiązki zmienia stan na wyjściu czujnika.
  • bariera optyczna – czujnik składa się z dwóch osobnych urządzeń: nadajnika i odbiornika. Przecięcie wiązki powoduje zmianę stanu na wyjściu czujnika.

Czujniki optyczne posiadają większe zasięgi niż czujniki indukcyjne czy pojemnościowe – od kliku milimetrów do kilkudziesięciu metrów. Typowe zastosowania: wszelkiego rodzaju maszyny, urządzenia, linie technologiczne, informowanie o obecności pojazdów, ludzi itp. Do czujników optycznych możemy zaliczyć również kurtyny bezpieczeństwa, które zabezpieczają strefy niebezpieczne przed dostępem ludzi.

Czujniki pojemnościowe – służą do wykrywania dowolnego typu obiektów: szkła, papieru, metalu, wszelkiego rodzaju cieczy, ziaren, piasku itp. Trzeba zwrócić uwagę w przypadku detekcji tworzyw sztucznych, gdyż nie każdy czujnik pojemnościowy potrafi tego typu materiał wykryć! Zasięgi czujników pojemnościowych to zazwyczaj klika, kilkadziesiąt milimetrów.

Czujniki ultradźwiękowe – czujniki ultradźwiękowe służą do wykrywania dowolnego typu materiałów. Ze względu na cenę nie są tak popularne jak np. czujniki optyczne. Potrafią natomiast wykrywać bardzo dobrze przedmioty przeźroczyste, gdzie optyczne sobie niezbyt radzą – np. bardzo nieregularny kształt przeźroczystej butelki. Zasięgi czujników ultradźwiękowych to od kilkunastu centymetrów do kilku metrów.

Czujniki światłowodowe – w zasadzie można by było zaklasyfikować je do optycznych, ale chciałbym je omówić osobno. Podobnie jak optyczne, czujniki światłowodowe mają swoje podkategorie, dzielą się na odbiciowe i bariery optyczne. Czujnik światłowodowy składa się ze światłowodu i z głowicy. Do poprawnej pracy układu potrzeby jest jeszcze wzmacniacz światłowodowy, czyli urządzenia, które generuje i odbiera wiązkę świetlną z czujnika. Sensory światłowodowe mają przewagę nad optycznymi ze względu na gabaryty. Tam gdzie np. nie zmieści się czujnik optyczny, często możemy zastosować światłowodowy. Dodatkowo wzmacniacz światłowodowy może być oddalony od głowicy światłowodowej o np. metr lub dwa. Dzięki temu, że układ elektroniczny znajduje się dalej, światłowody mogą pracować z trudniejszych warunkach środowiskowych, np. temperatura, wilgotność. Zasięgi wahają się od kilku milimetrów do kilkudziesięciu centymetrów.

W następnych postach omówię szczegółowo każdą z grup czujników.

Enkodery – klasyfikacja.

Enkoder to urządzenie wykorzystywane w automatyce do pomiaru kąta lub przesunięcia. Pod tym pojęciem kryje się wiele jego rodzajów i odmian. W tym poście postaram się je pokrótce opisać.

Enkodery – klasyfikacja

Podział ze względu na rodzaj

Enkodery inkrementalne

– obrotowo – impulsowe (optyczne i magnetyczne)

Enkoder inkrementalny, obrotowy.
Enkoder inkrementalny, obrotowy.

– liniowe (magnetyczne)

Enkoder inkrementalny, liniowy.
Enkoder inkrementalny, liniowy.

Enkodery absolutne

– obrotowe (optyczne i magnetyczne)

Enkoder absolutny, obrotowy.
Enkoder absolutny, obrotowy.

– liniowe (magnetycze)

Enkoder absolutny, liniowy.
Enkoder absolutny, liniowy.

 Enkodery inkrementalne, obrotowe, zwane są również przyrostowymi lub impulsatorami. Zasada działania polega na generowaniu impulsów prostokątnych, po obrocie wału enkodera. Enkoder inkrementalny, optyczny składa się z układu nadajnik – odbiornik oraz z tarczy obrotowej, na której znajdują się szczeliny. Przez nie przechodzi wiązka świetlna wysyłana z nadajnika do odbiornika. Ilość szczelin definiuje rozdzielczość – jeden z głównych parametrów enkodera, czyli liczbę impulsów, które generowane są na wyjściu, po wykonaniu jednego, pełnego obrotu wału enkodera. Enkodery obrotowe, magnetyczne, zbudowane są z układu magnetycznego (pierścień) i czujnik, który bada przemagnesowania. Enkoder inkrementalny posiada przynajmniej 2 kanały wyjściowe A i B, które są przesunięte w fazie o 90 stopni. Dzięki temu możliwe jest rozpoznawanie kierunku obrotu wału.

Budowa wewnętrzna enkodera inkrementalnego.
Budowa wewnętrzna enkodera inkrementalnego.

Enkodery inkrementalne, liniowe, zwane są również liniałami magnetycznymi. Typowy liniał magnetyczny składa się z enkodera liniowego, który porusza się nad taśmą magnetyczną (pomiar bezdotykowy).  Taśma magnetyczna posiada przemagnesowania, tzw. krok magnetyczny. Może on wynosić np. 1; 2; 2,5; 3,2; 5mm itp. W zależności od tego jaki mamy enkoder, wybieramy taśmę z odpowiednim krokiem magnetycznym. Enkodery inkrementalne liniowe, podobnie jak obrotowe mogą pracować z różnymi rozdzielczościami, typowe to: 1mm, 0,1mm, 0,01mm, 0,05mm, 0,001mm. Zastosowania: pomiar odległości w maszynach kamieniarskich lub CNC itp. Maszyny i urządzenia, w których zamontowane są enkodery inkrementalne zwykle na początku pracy wymagają bazowania, w celu ustawienia pozycji początkowej (bazowej).

Enkodery absolutne, obrotowe podobnie jak inkrementalne dzielą się na optyczne i magnetyczne. Zasada działania i budowa są bardzo do siebie zbliżone. Różnica polega na tym że na wyjściu enkodera mamy informację o pozycji (słowo cyfrowe). Najprościej rzecz ujmując enkoder absolutny zna zawsze swoją pozycję, czyli prościej mówiąc „wie” gdzie się znajduje.  Dodatkowo wyróżniamy enkodery jedno i wieloobrotowe. Enkoder jednoobrotowy rozpoznaje unikalne pozycje w zakresie jednego obrotu, gdy go wykona zaczyna pokazywać pozycję „od zera”. Enkoder wieloobrotowy dodatkowo rozpoznaje ilość obrotów np. 8, 16, 256, 1024 itd.

Tarcza enkodera absolutnego, optycznego.
Tarcza enkodera absolutnego, optycznego.

Enkodery absolutne, liniowe. Podobnie, jak w enkoderach inkrementalnych liniał magnetyczny absolutny składa się z enkodera liniowego, absolutnego oraz taśmy magnetycznej – kodowanej absolutnie. Na taśmie magnetycznej znajdują się unikalne pozycje, które rozpoznaje enkoder. Układów, w których zastosowano enkodery absolutne nie trzeba bazować.

W następnych postach omówię najważniejsze parametry na które należy zwrócić uwagę podczas doboru enkoderów.

 

Falownik czyli przemiennik częstotliwości.

Falownik jest potoczną nazwą przemiennika częstotliwości lub przetwornicy częstotliwości. Wzięło się to stąd, że falownik jest jednym z elementów przemiennika.

Falownik
Falownik

Falownik (przemiennik częstotliwości lub przetwornica częstotliwości) to urządzenie energoelektroniczne służące do płynnej regulacji obrotów trójfazowych silników asynchronicznych klatkowych lub pierścieniowych (po zwarciu pierścieni). W praktyce spotkałem się z tym, że zwykłym falownikiem można było również sterować silniki synchroniczne – po odpowiednim skonfigurowaniu parametrów.

Falownik
Falownik

Zasilanie

Falowniki zasilane są przeważnie napięciem zmiennym 3 – fazowym 200-240Vac, 380-460Vac, 380-500Vac, 500-600Vac, 575-690Vac oraz 1 – fazowym 200-230V. Możliwe jest również bezpośrednie zasilanie z napięcia stałego: 280-360Vdc, 530-705Vdc, 705-845Vdc, 845-970Vdc. Podane wartości są przykładowymi, mogą się różnić w zależności od danego producenta.

Falownik
Falownik

Budowa

Przemiennik częstotliwości składa się z: układu prostownika – prostuje on napięcie zasilające zmienne na stałe, baterii kondensatorów – gdzie magazynowana jest energia oraz układu wyjściowego składającego się z tranzystora IGBT (ten układ to w rzeczywistości falownik, czyli jeden z elementów przetwornicy częstotliwości). Dodatkowo mamy układ sterowania składający się z procesora sygnałowego oraz wykonawczego. Nie będę szczegółowo „rozkładał” falownika na części pierwsze, bo nie o to tu chodzi żebym prowadził wykład z energo czy klasycznej elektroniki. W postach będę bardziej opisywał konkretne problemy pojawiające się w życiu codziennym inżyniera automatyka lub elektryka.

Przebieg wyjściowy

Ważną informacją jest to, jaki przebieg otrzymujemy na wyjściu, po całym procesie przetworzenia energii. Otóż na wyjściu mamy przebieg sinusoidalny składający się z regulowanych impulsów PWM (ang. pulse-width modulation), czyli modulację szerokości impulsów. Co to dla nas oznacza w praktyce? To, że przebieg który otrzymujemy na wyjściu nie jest idealny. Gdybyśmy podglądnęli go na oscyloskopie, to zauważylibyśmy, że jest on  „poszarpany”. Silnikowi wystarcza to do poprawnej i stabilnej pracy. Pamiętajmy o tym, że falowniki zostały zaprojektowane właśnie do sterowania prędkością obrotową silników. Użycie ich do jakichkolwiek innych urządzeń prawdopodobnie się nie sprawdzi. W swojej praktyce spotkałem się z takimi problemami. Np. klient chciał użyć falownik do sterowania wydajnością grzałek. Oczywiście odradzałem takie rozwiązanie i niestety nie udało mu się tego dokonać. Innym razem ktoś sobie wymyślił, że użyje falownika do podłączenia lodówki pracującej z częstotliwością 60Hz (standard amerykański) poprzez falownik – również takie rozwiązanie nie zdało egzaminu.

Podział falowników:

– ze względu na rodzaj zasilania

W wikipedii możemy odnaleźć punkt o podziale falowników ze względu na rodzaj zasilania: falownik napięcia i prądu. Pytanie o podział falowników ze względu na rodzaj zasilania zadaje się często studentom i uczniom. Zastanawiam się czemu tak jest, gdyż przytłaczająca większość falowników które spotykamy w przemyśle to falowniki napięcia. Falowniki prądu są rzadkością. Informacja o stosowaniu dławika tylko w przemienniku prądu nie jest do końca precyzyjna, ponieważ producenci polecają wręcz dławiki na wejściu falowników napięcia.

– ze względu na rodzaj sterowania

Sterowanie skalarne

Przykładowe oznaczenie: IFD – Inverter Frequency Drive, czyli charakterystyka U/f. Jest to najczęściej używany algorytm. Wraz ze wzrostem częstotliwości wzrasta również proporcjonalnie napięcie. Co raz trudniej jest znaleźć falownik tylko ze sterowaniem skalarnym. Przeważnie klienci szukają „falowników wektorowych”, bo przyjęło się że takie są lepsze.  Z reguły nie wiedzą, że domyślnie ustawiony jest algorytm U/f, czyli wspomniane sterowanie skalarne i przeważnie na takim pracują. Warto takie rzeczy sprawdzać, bo można dzięki temu zaoszczędzić trochę pieniędzy. Falowniki skalarne, jeśli już takie znajdziemy, są z reguły tańsze od wektorowych. Przykładowe aplikacje: pompy, wentylatory, taśmociągi itp.

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe

Przykładowe oznaczenie: VTC – Vector Toque Control – jest to sterowanie, gdzie do określenia prędkości obrotowej nie używa się zewnętrznego czujnika, np. enkodera lub tachoprądnicy. W tego typu sterowaniu najważniejsze jest utrzymanie stałej prędkości obrotowej, niezależnie od obciążenia na wale silnika (sterujemy obrotami silnika). Zaobserwować to można np. gdy do dyspozycji mamy falownik małej mocy, np. 0,4kW, który ma zarówno sterowanie skalarne, jak i bezczujnikowe wektorowe. Gdy falownik pracuje na skalarnym i częstotliwość wyjściową ustawimy na poziomie 1-2Hz, to wał silnika będziemy mogli zatrzymać ręką. Gdy przełączymy na wektorowe, zobaczymy że jest to niemal niemożliwe. Przykładowe aplikacje: kruszarki, młyny, prasy itp.

Sterowanie wektorowe z czujnikiem

Przykładowe oznaczenie: FOC – Field Oriented Control – rodzaj sterowania wektorowego, gdzie do pomiaru prędkości obrotowej (nie kontrolujemy położenia – pozycji wału silnika tylko prędkość!) używa się zewnętrznego czujnika w postaci enkodera lub tachoprądnicy. Jest to bardzo precyzyjne sterowanie obrotami silnika. Np. możemy ustawić prędkość obrotową na poziomie 0,01 obr./min. Aplikacje, w których używa się tego typu falowniki to: wciągarki, windy, wytłaczarki i wszędzie tam, gdzie precyzyjnie musimy kontrolować prędkość obrotową.

Sterowanie momentem

Przykładowe oznaczenie DTC – Direct Torque Control – jest to rodzaj sterowania, gdzie nie liczy się prędkość obrotowa, tylko moment (prąd) z jakim ma pracować silnik. Tego typu sterowanie wykorzystywane jest w aplikacjach, gdzie musimy coś zwijać lub rozwijać z określoną siła np. w maszynach drukarskich – sterowanie rolką na którą nawijany jest papier. Żeby go nie zerwać musimy ustawić odpowiedni moment. Podobne aplikacje to: zwijanie sznurka, nici, drutu lub gdy musimy coś zakręcić, dopchnąć z określoną siłą.