Позиционен контрол на пневматични цилиндри

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2011

Видове сензори за позициониране на изпълнителните механизми

    В  множество пневматични задвижващи системи с индустриално приложение възниква необходимост от точно позициониране на изпълнителните механизми и контрол на хода на цилиндрите. С такива системи най-често се изпълняват разнообразни по последователност и прецизност движения, свързани с автоматизацията на отделни процеси в хранително-вкусовата, леярската промишленост, химични и биотехнологични линии и други. Фирмите производители на пневматични елементи предлагат различни решения за постигане на точно позициониране, като най-често това са определен вид сензори. Освен тях се използват крайни пътни изключватели и по-рядко релета за налягане в отвеждащата линия към пневмоцилиндрите.
Тяхната задача е генерирането на сигнал, в момента в който буталото на цилиндъра достигне определена позиция по дължината на хода. След получаването на сигнала, управляващата система дава ход на следващата операция.

Съществуват няколко начина за реализация на посоченото изискване. Традиционно и все още широко използвано решение е буталният прът да задейства микропревключватели или пневматични клапани. Те са сравнително евтини и типичните за тях бързодействие, хистерезис и повторяемост са адекватни на изискванията, поставяни към повечето приложения. Недостатъците им са експлоатационни: изискват механичен контакт с подвижна част, работата им е свързана със значително износване, необходима е периодична пренастройка, експлоатационният им живот е сравнително кратък.

По-рядко в практиката намират приложение релетата за налягане. Сензорите за налягане са свързани директно към присъединителните отвори на цилиндъра и следят противоналягането в изпускателната му линия. При спиране на буталото противоналягането пада рязко и устройството формира съответен изходен сигнал - пневматичен, електрически или електронен. Тези сензори реагират по-скоро на скоростта на движение, отколкото на действителната позиция на буталото. Затова са подходящи само за регистриране на крайните положения. Техен недостатък е обстоятелството, че работят ненадеждно при малки скорости на движение на буталото.

Магнитни сензори
През последните години все повече се използват т. нар. магнитни сензори. Повечето производители вграждат в буталото във вид на стандартно изпълнение постоянен магнит, най-често под формата на пръстен. Пръстеновидният магнит, монтиран на буталото, се открива през стената на корпуса, изработена от немагнитен материал (напр. алуминий, месинг или неръждаема стомана). Създаденото магнитно поле преминава през немагнитната цилиндрова тръба, движи се заедно с буталото и се улавя от сензорите, монтирани външно върху корпуса на пневмоцилиндъра на желаното място от хода. Приложение са намерили основно два типа магнитни сензори. Първият тип обхваща т. нар. рид контакти, които са малко остаряла, но все още валидна технология за управление. В херметичен, немагнитен корпус (най-често стъклена ампула) се намира контакт, който е нормално отворен или нормално затворен. При доближаване на магнитно поле контактът се затваря или отваря механично и задейства съответна електрическа верига. Повечето позиционни сензори разполагат с вграден в тялото LED индикатор или друга светлинна сигнализация. Този тип устройства работят еднакво добре и с постоянен, и с променлив ток. Рид контактите представляват механични устройства, които при подходящо използване се отличават с дълъг експлоатационен живот. Сред предимствата им са висока чувствителност, способност да превключват при високи напрежения, ниска цена и добра повторяемост. Като техни недостатъци се посочват малкото бързодействие и относително големият хистерезис.
Съществуват и пневматични рид контакти, характерно за които е, че магнитът в буталото не включва електрическа верига, а отваря миниатюрен пневматичен клапан.
Вторият тип сензори са изцяло електронни безконтактни устройства, в конструкцията на които отсъстват подвижни елементи. По-старото техническо решение включва т. нар. магнитно-индукционни сензори, които имат много добри характеристики, но се отличават със сравнително висока цена. Най-широко приложение в момента намират сензорите, основаващи се на ефекта на Хол - познати като сензори или датчици на Хол. За обяснение за ефекта на Хол може да се използва следната схема - използва се полупроводникова пластинка, през която протича постоянен електрически ток, в резултат на това възниква разлика в потенциалите на страните на пластинката, към които не е подадено напрежение. Тази потенциална разлика се отчита и се усилва. Тя е правопропорционална на напрегнатостта на външното магнитно поле.
Основни предимства на датчиците на Хол спрямо индуктивните сензори са тяхното бързодействие и висока надеждност. Tехен недостатък е зависимостта между характеристиките им и температурата. Затова редица сензори разполагат с вградена температурна компенсация.

Линейните датчици са сред най-широко използваните сензори на Хол. Те измерват непрекъснато текущото положение, например на буталото. Изходният сигнал е правопропорционален на интензитета на магнитното поле. Друг вид датчици на Хол - т. нар. сензори-превключватели, представляват линейни сензори с променена електроника. Те генерират изходен сигнал, само когато магнитното поле надвиши определен праг. Това е и причината да се използват за крайни изключватели.
В последните години все по-широко се използват магнитно-резистивни сензори, които реагират на движението на феромагнитни материали, като регистрират промяната в магнитния поток. Те се отличават със сериозни предимства, включително много малки размери, невисока цена, голямо бързодействие, отлична повторяемост и много малък хистерезис. Пазарният дял на този вид сензори се увеличава бързо и това ще бъде основна тенденция в областта.

Сензори за преместване
Друг вид сензори са преобразувателите за преместване, които непрекъснато измерват хода на буталото и го преобразуват в електрически сигнал, който се подава към системата за управление. Те могат да се разделят в две групи - абсолютни и инкрементални сензори. Аналоговите (абсолютен тип) генерират непрекъснат изходен сигнал. Групата им е много обширна. В нея попадат потенциометрични сензори, индуктивни преобразуватели, магнитостриктивни устройства и капацитивни сензори. Характерен за цифровите сензори (инкрементален тип) е дискретният изходен сигнал. Този тип устройства обхваща енкодер и магнитостриктивен сензор. Важна разлика е, че инкременталните сензори обикновено изискват повторна инициализация след отпадане на захранването чрез връщане на изпълнителния механизъм в изходна позиция. А в редица приложения това не е приемливо.

Основни характеристики, определящи избора на вид сензор за преместване, са: допустима скорост на движение, обхват на измерване, надеждност и цена.
Потенциометричните сензори са най-елементарните устройства за измерване на премествания. Принципът им на действие е добре известен. Произвеждат се в два варианта - за вътрешен и външен монтаж. Тези устройства са широко използвани поради малките си размери, ниската цена, лесната интеграция към различни конструкции цилиндри и др. Основните им недостатъци са характерни на всички контактни сензори - износване, допълнително триене и др.

Монтаж на сензорите към цилиндъра
Сензорите се монтират към пневмоцилиндъра по различни начини в зависимост от конструкцията му. Някои от съвременните модели пневматични цилиндри се проектират с вградени в тялото канали, които позволяват монтажът на датчици да се извърши по всяка една от четирите повърхности без допълнителни скоби. Интегрираните канали в корпуса на новите цилиндри избягват възможни проблеми с кабелите и осигуряват пълна защита срещу евентуална външна механична повреда. В същото време гарантират допълнителни преимущества по време на инсталацията и експлоатацията.
Сензорите се предлагат с широк набор от аксесоари и адаптери, и обикновено могат да се монтират безпроблемно върху пневмоцилиндрите на всички водещи производители.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top