Датчики и контроллеры компании KLASCHKA — новые горизонты автоматизации
Владимир Коснырев
Источник: Владимир Коснырев. Датчики и контроллеры компании KLASCHKA – новые горизонты автоматизации [Электронный ресурс] / Владимир Коснырев. — Режим доступа к статье: http://kit-e.ru/articles/sensor/2006_7_80.php
В некоторых отраслях российской промышленности эксплуатируется старое оборудование, выпущенное 20–30 и более лет назад. Кроме морального устаревания такое оборудование обычно не соответствует современным требованиям по производительности, качеству, энергопотреблению, безопасности и другим параметрам, что в итоге отрицательно влияет на экономические показатели предприятия. Очевидно, что производству, где используется устаревшее оборудование, требуется модернизация, представления о которой часто связаны с полной заменой старого технопарка. Подобная замена не всегда оправданна, а иногда и невозможна по разным причинам, например если оборудование уникальное. В таких случаях старое оборудование подвергается частичной или полной автоматизации.
Известная немецкая компания KLASCHKA Elektronik + Automation много лет изготавливает компоненты, комплектующие изделия и оборудование для промышленной автоматики и реализует собственные проекты автоматизации на действующих предприятиях Германии, Швейцарии, Украины, Белоруссии, России, США.
Автоматизация любого производства, технологического процесса, отдельного участка или рабочего места обычно начинается с выбора параметров управления, задания точности выполнения управляющих исполнительными механизмами команд. Одновременно с этим рассматривается задача, связанная со сбором в режиме реального времени данных о технологическом процессе и состоянии, в котором находятся автоматизированное оборудование, его подвижные части, механизмы, установки. Данная информация обеспечивает обратную связь между автоматизированным оборудованием и управляющими устройствами, поддерживает заданные параметры технологического процесса. К числу основных компонентов, необходимых для автоматического управления работой оборудования, машин, установок, относятся датчики.
В настоящее время в российской промышленности наблюдается устойчивый рост потребности в различных датчиках, промышленных контроллерах и других комплектующих для автоматизации производства. Это связано с экономическими условиями современной российской промышленности, которые заставляют руководителей предприятий искать пути повышения рентабельности производства, что неизбежно приводит к его модернизации и внедрению автоматики. Сегодня актуальность модернизации производства возрастает и ввиду предстоящего вступления России во Всемирную торговую организацию (ВТО), членство в которой, скорее всего, усложнит экономические условия на внутреннем рынке и, следовательно, будет еще больше стимулировать стремление к внедрению автоматики на производстве.
Известный в мире изготовитель датчиков, контроллеров и других комплектующих изделий и оборудования для производственной автоматики &mdash немецкая компания KLASCHKA Elektronik + Automation имеет многолетний опыт комплексной автоматизации предприятий.
Более чем сорокалетняя история компании началась в тот день, когда стажер кафедры радиотехники Штутгартского университета, а ныне ее президент доктор Вальтер Клашка (Walter Klaschka) изобрел индуктивный датчик приближения. До этого изобретения в автоматизированных механизмах и оборудовании в качестве датчиков положения применялись концевые выключатели и фотореле различных размеров и конструктивного исполнения (надежность, быстродействие и точность установки концевиков и фотореле и сегодня намного ниже, чем у индуктивных датчиков), имевшие серьезные недостатки &mdash низкие надежность, быстродействие и точность установки.
Новый индуктивный датчик приближения пришелся очень кстати, поскольку в западноевропейской промышленности, и в частности в Германии, именно в то время наблюдался подъем экономики, а увеличение производительности труда во всех отраслях промышленности стало целью и средством для достижения экономических успехов, которые в значительной мере определялись широким внедрением автоматики.
Ученый и бизнесмен В. Клашка сумел правильно определить стратегическое направление развития своего предприятия &mdash производство комплектующих для промышленной автоматики. Это направление позволило превратить фирму в динамичную современную компанию, известную интересными оригинальными проектами комплексной автоматизации предприятий разных отраслей промышленности. Среди заказчиков компании KLASCHKA заводы «Даймлер-Крайслер», «Форд», «Фольксваген», водопроводные сети и коммунальные службы немецких и швейцарских городов Тюбингена, Цюриха, авиакосмические, химические, металлургические, угледобывающие, строительные компании, научные институты и другие предприятия.
Основной вид деятельности KLASCHKA &mdash комплексная автоматизация производства. Специалисты компании осуществляют проекты автоматизации любой сложности «под ключ», действуя при этом в рамках фирменной концепции «все из одних рук». Суть концепции понятна из ее названия: компания берет на себя все хлопоты по обеспечению проекта от начала проектирования до сдачи заказчику, при этом оборудование и комплектующие изделия производится на предприятиях компании, что значительно снижает затраты и сроки исполнения проекта и одновременно повышает ответственность исполнителя. В рамках данной концепции компания KLASCHKA проводит обучение обслуживающего персонала и обеспечивает поставку запасных частей. Стоит ли говорить, что такой подход очень привлекателен для заказчиков.
На протяжении всей истории компании ее специалисты используют в производстве самые последние достижения в области электронных технологий. Так, еще в 1970-е годы впервые в конструкции всех датчиков KLASCHKA стали применяться гибридные технологии и поверхностный монтаж с использованием новейших в то время SMD-компонентов, что позволило разместить в корпусе датчика размером с половину карандаша чувствительный элемент и всю его электронику. До этого электронные схемы датчиков монтировались отдельно от чувствительных элементов, ограничивая их применение и создавая неудобства при монтаже и обслуживании.
На основе индуктивного датчика разработан ряд различных датчиков, имеющих разные технические характеристики, конструктивное исполнение и размеры. Внедрение в промышленные системы автоматики индуктивных датчиков приближения резко улучшили технические и экономические характеристики автоматизированных машин и оборудования, технологических процессов. Кроме повышения надежности и точности новые датчики позволили заметно упростить наладку и техническое обслуживание автоматов, повысить безопасность, улучшить экологические и другие параметры. С появлением этих датчиков упростились разработка и конструирование промышленных автоматов и систем автоматизации.
Со временем специалисты KLASCHKA создали и запустили в серийное производство множество новых датчиков, обладающих разные принципы действия и функциональное назначение. Некоторые типы датчиков имеют несколько расширений (вариантов исполнения) по конструкции, размерам и техническим данным, определяющим сферу их применения. В компании также разрабатывают и производят датчики и сопутствующие устройства на заказ, по техническим условиям клиентов. Сегодня компания выпускает датчики, использующие ультразвук, магнитную индукцию, эффект Холла, фотоэффект и другие физические эффекты и свойства материи.
В рамках данной статьи можно только кратко описать лишь отдельные типы датчиков. Впрочем, иногда этого бывает достаточно, чтобы специалист по автоматике составил полное представление обо всей номенклатуре. Кстати, необходимые технические подробности, характеристики и чертежи можно в любой момент получить по первому требованию.
Одну из самых многочисленных групп в номенклатуре продукции компании KLASCHKA составляют индуктивные датчики приближения. Как и все датчики, выпускаемые компанией, индуктивные датчики приближения являются бесконтактными, их рабочие поверхности не контактируют с оборудованием, не влияют на его работу и не подвержены износу. Они нечувствительны к загрязнениям и работают в широком диапазоне температур. В качестве бесконтактных выключателей с малым временем срабатывания они используются для определения конечных и промежуточных положений частей машин и механизмов, совершающих линейные, угловые и другие сложные виды движения.
Чувствительный элемент индуктивного датчика приближения &mdash индуктивность &mdash является колебательным контуром генератора (у емкостного датчика вместо индуктивности &mdash конденсатор), к выходу которого подключен дискриминатор и усилитель (рис. 1). Катушка колебательного контура определяет размер и форму активной поверхности индуктивного датчика приближения. Генератор вырабатывает высокочастотные колебания, переменное магнитное поле которых излучается катушкой с открытой стороны ферритового сердечника. При приближении металлического предмета на определенное расстояние к индуктивности из колебательного контура поглощается энергия на вихревые токи и перемагничивание в данном металлическом объекте. При достаточном приближении металла амплитуда колебаний генератора уменьшается, и по достижении нижнего предельного уровня дискриминатора получаемый на его выходе переключаемый сигнал изменяет текущее логическое состояние на противоположное. Величина переменного магнитного поля, излучаемого датчиком, зависит от его размеров, в первую очередь от диаметра, и является фактором, определяющим расстояние срабатывания.
Рисунок 1 — Принцип действия индуктивного датчика
Важнейший из технических параметров индуктивных датчиков приближения — частота срабатывания, или, как ее еще называют, частота коммутаций. Под этим термином понимают максимальное число включений (перехода в одно из логических состояний, например, ON) датчика в секунду. Ограничение верхнего предела частоты коммутации датчика объясняется временем, необходимым для восстановления колебаний генератора.
Индуктивные датчики (рис. 2) находят самое широкое применение в автоматике. Их используют в условиях неблагоприятной внешней среды, при высокой запыленности, влажности и даже под водой. Их также применяют там, где требуется высокая скорость срабатывания, например в качестве импульсных датчиков числа оборотов или для измерения частоты вращения.
Рисунок 2 — Индуктивные и емкостные датчики приближения
Компания KLASCHKA выпускает несколько типов индуктивных датчиков приближения, отличающихся по назначению, электрическим параметрам, конструкции, размерам, степеням защиты и другим характеристикам.
Индуктивные датчики приближения, предназначенные для использования с программируемыми контроллерами, могут подключаться напрямую к контроллеру, имеют выходы с защитой от короткого замыкания и перемены полярности включения и светодиодный индикатор. Напряжение питания от 8 до 30 В постоянного тока. Выпускаются в 2-, 3- и 4-полюсном исполнении с рабочими токами от 40 до 200 мА и частотой срабатывания 10 кГц.
Похожие датчики со специальными реле защиты рассчитаны на ток от 10 до 240 мА, рабочее напряжение от 18 до 230 В и частоту срабатывания до 10 кГц. Обе разновидности датчиков производятся в корпусах диаметром от 18 мм и длиной от 34 мм.
Для эксплуатации в особых условиях выпускаются датчики в защищенных корпусах, изготовленных из нержавеющей стали, с напряжением питания от 7,7 до 30 В и частотой срабатывания 5 кГц. Эти датчики соответствуют европейскому стандарту DIN 19 234 и спецификации NAMUR.
Среди индуктивных датчиков приближения выделяется группа датчиков под общим названием Allmetal (для всех металлов), имеющих универсальное применение в промышленной автоматике. Они, как видно из названия, срабатывают от приближения к ним любых металлов — и цветных (меди, алюминия, цинка и других и их сплавов), и черных (чугуна, стали и т. п.). Выпускаются также датчики для распознавания только цветных или только черных металлов. Для распознавания «парных» событий в работе автомата выпускаются сдвоенные датчики, позволяющие распознавать одновременное или разделенное во времени приближение в двух разных местах.
В некоторых отраслях современной промышленности широко применяется автоматическая сварка. В автомобильной промышленности сварочные роботы используются для сборки кузовов автомобилей, на заводах железобетонных конструкций и домостроительных комбинатах сварочные автоматы работают в арматурных цехах, а на предприятиях технологического машиностроения химической, атомной и других видов промышленности с помощью автоматических сварочных установок собирают емкости, реакторы, трубопроводы и другие элементы технологического оборудования. Во время сварки в проводах сварочного автомата протекают большие токи, возбуждающие сильные магнитные поля. Если не принять специальных мер, то эти поля могут стать причиной сбоя в работе индуктивных датчиков. Вот почему для оснащения сварочных автоматов компания KLASCHKA выпускает специальные индуктивные датчики, устойчивые к воздействию внешних магнитных полей.
Для работы в условиях высокого давления предназначены датчики, рассчитанные на давление 300 кгс/см2, а для агрессивных сред и тяжелых условий эксплуатации — с защитной изоляцией и пассивным выходом. Изготавливаются также датчики положения с расстоянием срабатывания от 50 до 100 мм. Диапазоны рабочих напряжений последних групп датчиков от 8 до 65 В переменного и от 20 до 320 В постоянного тока.
При необходимости выпускаются датчики для специального применения, имеющие сочетания перечисленных свойств или со свойствами, определяемыми заказчиком.
Рисунок 3 — Датчики вращения
Еще одну группу составляют импульсные датчики KLASCHKA, также применяющиеся для бесконтактного распознавания основных параметров движения — скорости и ускорения. Чувствительными элементами импульсных датчиков могут быть индуктивность, элемент Холла, или магниторезистор. Компанией выпускаются быстродействующие датчики с частотой коммутаций 20 кГц, в то время как частота коммутаций датчиков, представленных сегодня на рынке, как правило, не превышает 5-6 кГц. Высокая скорость работы датчика достигается особой конструкцией и схемотехникой, позволяющей сократить время, необходимое для восстановления колебаний генератора. В эту же группу входят импульсные датчики частоты вращения (рис. 3) и датчики угла поворота, которые преобразуют угловое положение объекта при вращательном движении в электрические импульсы (рис. 4).
Рисунок 4 — Датчик угла поворота
Акустические датчики компании KLASCHKA применяют для измерения больших расстояний (до нескольких метров). Пьезокерамический звуковой преобразователь такого датчика излучает пакеты импульсов в ультразвуковом диапазоне и принимает отраженные пакеты. Расстояние до объекта вычисляется по разности времени пробега звуковых волн. Преимуществом этих датчиков является малое угловое расхождение ультразвукового пучка, что обеспечивает высокую точность измерения и позволяет использовать несколько таких датчиков вблизи друг от друга. На выходе датчиков получают аналоговый выходной сигнал (ток или напряжение, зависит от исполнения), пропорциональный расстоянию до объекта.
Оптические датчики также могут использоваться на больших расстояниях. Направленный передающим устройством световой поток прерывается объектом и вызывает команду коммутации. Расстояние до объекта вычисляется по разности времени пробега световых волн. Излучатель и приемник светового потока этого датчика размещаются в одном корпусе.
Емкостные датчики имеют принцип действия, похожий на принцип действия индуктивных датчиков приближения. Но чувствительным элементом емкостного датчика служит не индуктивность, а конденсатор. Емкостные датчики используются для распознавания различных видов материалов: бумаги, картона, дерева, стекла, пластмасс, металла, проводящих жидкостей. Их применяют в автоматах, работающих с перечисленными материалами, а также для контроля уровня жидкости.
Считыватели кодов используются для однозначной идентификации определенного предмета. Запрограммированный код считывается с пассивного элемента управления транспондера (transceiver-передатчик, responder-ответчик) и сравнивается с заданным значением. При совпадении или несовпадении кодов вырабатывается соответствующий сигнал.
Бесконтактные датчики безопасности и ограничения доступа SIDENT работают по такому же принципу и используются совместно с транспондером. Элемент управления транспондер — передает данные, записанные в его памяти, приближающемуся чувствительному элементу. При совпадении кодов датчик дает сигнал разрешения (доступа) одновременно по двум каналам, что гарантирует защиту от подделки или ложное срабатывание. Каждый датчик имеет индивидуальный номер, нанесенный на специальную этикетку на его корпусе и прошитый в его памяти. При попытке переклеить этикетку или скопировать содержимое прошивки, датчик перестает работать и выдает сигнал ошибки. Такие датчики устанавливают там, где существуют повышенные требования к ограничению доступа персонала в опасных или запретных зонах, в системах охраны, в травмоопасных зонах действия автоматического оборудования и т. п. Датчики в различных конструктивных исполнениях: для защитных заграждений, дверных задвижек, окон и рольставней. Датчики сертифицированы по 3-й и 4-й категории защиты европейского стандарта безопасности EN 954-1. Компания поставляет датчики этого типа как отдельно, так и в составе систем безопасности SIDENT/S, которые конфигурируются по желанию заказчика.
В линейке датчиков компании KLASCHKA особое место занимают специальные датчики, обладающие особыми характеристиками и разработанные по специальным заказам. Это могут быть, например, датчики измерения толщины, распознавания тонкослойных материалов, обнаружения искр, датчики числа оборотов и т. д.