Датчики положения в современных системах автоматизации в примерах и иллюстрациях

Павел Базанов, Игорь Вербов
В статье рассказывается об актуальных современных технологиях промышленных датчиков линейного и углового положения, перемещения или расстояния, а также инклинометров — на примерах технологических решений, реализованных различными мировыми лидерами в производстве датчиков для промышленных АСУ.
При решении задач, связанных с автоматизацией технологических процессов и реализацией систем управления самого широкого назначения, неизменно находят применение датчики перемещения, в первую очередь датчики углового положения (энкодеры), датчики линейного перемещения и датчики угла наклона (инклинометры). Диапазон решаемых с помощью таких элементов функциональных задач широк, начиная с автоматизации производственных циклов (манипуляторы различного назначения, сварочные, покрасочные автоматы) и заканчивая автоматическими линиями линейного и одноплоскостного перемещения (конвейеры, лифтовые системы и многое другое). С уверенностью можно утверждать, что датчики положения являются непременным и зачастую ключевым атрибутом практически любой современной комплексной АСУ.
Энкодеры (датчики углового положения) (рис. 1)подразделяются на две основные категории: инкрементальные и аболютные.

Рис. 1. Энкодер фир Wachendorff
Инкрементальные, или пошаговые энкодеры предоставляют информацию о перемещении (направлении и скорости) вращающегося (движущегося) механизма путем передачи соответствующего количества импульсов, отображающего меру перемещения вала, счетному устройству. Оптический инкрементальный энкодер состоит из источника света, специального диска с нанесенными на него метками, фототранзисторной сборки и схемы обработки сигнала. Количество меток на диске такого энкодера четко связано с количеством импульсов за один оборот вала. Инкрементальный энкодер может иметь только один канал выхода (позволяет определять количество и частоту импульсов) или два выхода (каналы А и В), с помощью которых можно определять также направление движения вала (по или против часовой стрелки), или три выходных канала — с нулевой или индексной отметкой.
Каналы А и В генерируют импульсы с фазами, смещенными относительно друг друга на 90° (рис. 2). При наличии выхода N дополнительно выдается импульс нулевой отметки для начала нового отсчета в пределах каждого полного оборота. Датчики выпускаются с цельным и полым валом. К числу ведущих производителей инкрементальных энкодеров относятся немецкие фирмы Wachendorff и Pepperl + Fuchs. Недостатком инкрементальных энкодеров является отсутствие информации о положении вала при сбоях питания.

Рис. 2. Диаграмма выходов инкрементального энкодера
Абсолютные энкодеры — это датчики углового положения, обычно оптоэлектронные, основными преимуществами которых по сравнению с инкрементальными энкодерами является возможность предоставления информации о положении вала сразу после подключения энкодера к источнику питания, а также возможность контроля числа оборотов вала с помощью встроенного опто-механического редуктора. Абсолютные энкодеры подразделяются на однооборотные (Single Turn), которые предоставляют информацию о положении вала в пределах одного оборота, и многооборотные (Multi Turn), которые учитывают не только конкретную угловую позицию, но и весь «пройденный путь», то есть общее количество произведенных валом оборотов.
Как и инкрементальный энкодер, абсолютный состоит из поворотной оси, смонтированной на двух высокопрецизионных подшипниках, кодового диска (рис. 3), установленного на ось, а также считывающей матрицы и схемы обработки сигнала. В качестве источника света служит светодиод, луч которого просвечивает кодовый диск и попадает на фототранзисторную матрицу.
Рис. 3. Кодовый диск абсолютного энкодера
Кодовый диск либо позволяет свету попасть на определенные участки матрицы, либо предотвращает его попадание. Таким образом, темные и светлые участки, отображаемые на матрице, преобразуются в электрические сигналы на выходе энкодера в виде n-бит бинарного сигнала. Контроль количества оборотов вала (функция Multi Turn) возможен за счет применения нескольких оптических кодовых дисков, соединенных между собой специальным передаточным механизмом — редуктором (рис. 4).
Рис. 4. Устройство многооборотного энкодера
Первым в мире разработчиком абсолютного датчика углового положения стала компания FRABA POSITAL из Кельна, занимающаяся их производством с 1970 года. В настоящий момент компания выпускает абсолютные энкодеры с разрешением до 30 бит (65 536 меток в обороте, 16 384 оборотов — это лучший мировой показатель) с различными видами интерфейсов, такими как параллельный, последовательный (SSI), Device Net и очень распространенный CAN (Control Area Network), он был разработан для применения в автомобильной электронике и является мультимастерной системой, в которой каждое устройство может в любой момент времени подключаться к шине, если она в этот момент времени свободна. Компания FRABA первой в мире начала интегрировать в свои энкодеры миниатюрные веб-серверы, позволяющие подключаться к компьютерной сети и со скоростью 10/100 Mбит/с через TCP/IP (Ethernet-интерфейс) или HTTP-протокол коммуницировать с компьютером. Посредством текстовых команд такой датчик может управляться из любой точки мира (рис. 5).

Рис. 5. Окно управления абсолютным энкодером с Ethernet-интерфейсом
Базисом построения системы кодировки абсолютного энкодера может служить двоичный код, который является многошаговым. Однако для повышения точности работы датчика целесообразным является пошаговое изменение лишь одного из разрядов кодовой комбинации. В связи с этим наибольшее распространение получили энкодеры с применением в качестве кодовой системы кода Грея, который является одношаговым кодом, то есть при переходе от одного числа к другому всегда меняется лишь один бит информации, благодаря чему погрешность вследствие неодновременного считывания информации о текущем положении внешними устройствами снижается.
Для механического соединения вала с внешним механизмом используется специальная эластичная муфта, предназначенная для компенсации возможного биения вала, что позволяет избежать преждевременного износа механизма энкодера.
Благодаря своему опыту разработок и производства таких датчиков, их высокой надежности и использованию современных технологий компания FRABA POSITAL стала признанным мировым лидером в производстве абсолютных энкодеров.
Имея огромный опыт работы в области детектирования перемещений, фирма INTACTON (одно из подразделений FRABA) недавно освоила выпуск сенсорных систем дистанционного измерения и контроля перемещения объектов. Данные системы, именуемые COVIDIS и OPTIPACT, комбинируют в себе преимущества известных оптических систем измерения скорости и длины. Модульная конструкция устройства включает в себя светодиодную подсветку, высокоскоростную CCD-камеру и приемопередающую оптику, а также электронику автоматической фокусировки на контролируемый объект (рис. 6). Коммуникация с внешними устройствами осуществляется с помощью простых и известных интерфейсов — например, сигнал на выходе может имитировать сигнал инкрементального энкодера. Системы фирмы FRABA INTACTON нашли применение в тяжелых условиях сталелитейной промышленности. Кроме того, в бумажной и металлообрабатывающей промышленности данные системы используются для контроля скорости перемещения и длины производимого листа, а также в строительной индустрии, в частности при производстве керамических изделий для контроля скорости движения сырой глиняной массы.
Рис. 6. Система дистанционного контроля перемещения
Следующую группу составляют датчики линейного положения. К наиболее перспективным с точки зрения универсальности применения, надежности и точности можно отнести датчики линейного перемещения для измерения пути и длины, базирующиеся на бесконтактном методе измерения. Эти датчики серии Temposonics были разработаны и производятся на протяжении более 30 лет компанией MTS-Sensor. В основу датчиков положен магнитострикционный метод измерения, полностью исключающий механический износ измерительной системы. К особенностям датчиков MTS относятся также низкий коэффициент нелинейности (менее 0,02%), точность повторяемости измерений до 0,001% и разрешение до 1 мкм (например, датчики серии R).
Рис. 7. Датчики серии Temposonics компании MTS-Sensor
Один из признанных лидеров в производстве средств автоматизации, немецкая компания Pepperl + Fuchs представляет комплексное решение для автоматизации линейных управляемых механизмов — системы кодировки пути серии WCS (WCS2 и WCS3). Схема действия системы представлена на рис. 8.
Рис. 8. Система кодировки пути WCS
Кодовая шина выполняется из высокопрочного гибкого материала (пластика, алюминия или нержавеющей стали) и дублирует путь перемещаемого объекта. Кодовая шина является носителем абсолютного кода и передает информацию U-образной считывающей головке.
Свое применение системы кодировки пути находят в задачах автоматизации складов (автоматические тележки, подъемные устройства как при оснащении новых, полностью автоматизированных стеллажно-складских систем, так и при дополнительном оснащении уже существующих складов), для управления кран-балками, в лифтовом и подъемном оборудовании.
Инклинометры — датчики угла наклона — применяются в различных системах управления, в которых движущийся объект изменяет свое угловое положение относительно линии горизонта (стрелы машин и механизмов, манипуляторы и пр.). Компания HL-Planartechnik предлагает двухосные электролитические жидкостные инклинометры, работающие по принципу электронного ватерпаса и обеспечивающие угловое разрешение 0,01° в температурном диапазоне от –40 до +105 °C (рис. 9).
Рис. 9. Инклинометр HL-Planartechnik
В нижней части резервуара, частично наполненного электропроводящей жидкостью, размещены электроды, располагаемые параллельно к оси наклона датчика. При подаче переменного напряжения на оба электрода генерируется распределенное электромагнитное поле. Снижение уровня жидкости, возникающее при наклоне датчика, вызывает «стягивание» (редуцирование) такого поля. Это, в свою очередь, вызывает пропорциональное уровню жидкости изменение электрического сопротивления электролита с постоянной электропроводностью. Благодаря дифференциальному принципу измерений с двумя парами электродов на выходе датчика обеспечивается знакозависимый сигнал, пропорциональный углу наклона (рис. 10).
Рис. 10. Принцип действия инклинометра HL-Planartechnik
HL-Planartechnik предлагает три варианта исполнения инклинометров:
-инклинометры с измерительными элементами в керамических корпусах,
-инклинометры в виде модулей (на миниатюрной печатной плате), готовые к интеграции в системный корпус заказчика,
-откалиброванные и готовые к подключению датчики в корпусе класса защиты IP65.
Известным производителем инклинометров является также компания SEIKA Mikrosystemtechnik, которая предлагает высокостабильные прецизионные датчики угла наклона, расчитанные на работу в жестких условиях эксплуатации в составе промышленной, автомобильной и различной строительной техники и даже для работы под водой (с классами защиты IP67–IP69). Инклинометры SEIKA поставляются в виде модулей измерительных элементов или в корпусах с различными механическими исполнениями. Это могут быть как одно- или двухкоординатные инклинометры с цифровым интерфейсом RS485, так и с аналоговым (ток и/или напряжение) выходом, с дополнительными функциями реле наклона, с возможностью предустановки заказчиком необходимых границ срабатывания при достижении определенных углов наклона.
Представленные датчики являются лишь частью широкого диапазона датчиков перемещения, выпускаемых ведущими мировыми производителями. В последнее время большинством фирм ведутся разработки и комплексных сенсорных систем на основе базовых модулей, аналогичных рассмотренным в статье, для самых разных применений, с учетом непрерывно повышающихся требований к функциональности (универсальности), надежности и точности таких важных компонентов автоматизации, как датчики.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.