CC BY
109Датчики и контроллеры компании KLASCHKA:
новые горизонты автоматизации
Владимир КОСНЫРЕВ
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 производ-
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.
ства 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 — 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 — низкие надежность, быстродействие и точность установки.
Новый индуктивный датчик приближения пришелся очень кстати, поскольку в западно-
европейской 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 — 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 КЬА8СИКА 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 КЬА8СИКА — 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 КЬЛ8СНКЛ 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 КЬЛвСНКЛ стали применяться гибридные технологии и поверхностный монтаж с использованием новейших в то время вМБ-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 КЬЛ8СНКЛ 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 КЬЛвСНКЛ 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 — индуктивность — является колебательным контуром генератора (у емкостного датчика вместо индуктивности — 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 ферри-тового 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.
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, ОЫ) 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.
Объект
/Х^\\ //^\\
Переменное магнитное поле
Генератор
Дискриминатор
Усилитель
Рис. 1. Принцип действия индуктивного датчика
Компания КЬЛБСНКЛ 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.
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).
Акустические датчики компании КЬЛ8СНКЛ 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, зави-
сит 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 ^гашсетег-передатчик, ге8ро^ег-ответ-чик) и сравнивается с заданным значением. При совпадении или несовпадении кодов вырабатывается соответствующий сигнал.
Бесконтактные датчики безопасности и ограничения доступа вГОЕЭТ 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 рольстав-ней. Датчики сертифицированы по 3-й и 4-й категории защиты европейского стандарта безопасности ЕЫ 954-1. Компания поставляет датчики этого типа как отдельно, так и в составе систем безопасности ЗГОЕЫТС, которые конфигурируются по желанию заказчика.
В линейке датчиков компании КЬЛ8СНКЛ особое место занимают специальные датчики, обладающие особыми характеристиками и разработанные по специальным заказам. Это могут быть, например, датчики измерения толщины, распознавания тонкослойных
Рис. 4. Датчик угла поворота
Таблица 1. Характеристики XMZ 12k
Скорость 0,4 мкс за шаг для основных команд 0,6 мкс для комплексных команд
Память данных 32 к слов, встроенная с расширением до 1024к слов
Прогр. память 12 к за шаг
Команды 89 основных команд 212 комплексных команд
Количество входов/выходов 384 точки входов/выходов
Расширение Дополнительные модули 90x60x30 мм: для параллельной шины 4 блока для последовательной шины 3 блока
Количество шин 3хРБ232 или 1хРБ232 и ШБ485
Входы 16 входов 24 В, 3-8 мА, гальванически развязаны, термисторные, расширяются дополнительными модулями.
Выходы 8 выходов 24 В, 0,3 А с защитой от КЗ 4 выхода 24 В, 0,3 А без защиты от КЗ гальванически развязаны, расширяются дополнительными модулями
Быстрый счетчик 1 канал 50 кГц или 4 канала 20 кГц
Аналоговые входы и выходы до 48 с доп. модулями, 0-10 В, 20 мА термоэлементы.
ШИМ-выходы 2 канала от 1,5 Гц до 41 кГц или 1 канал PWM, 1 канал до 100 кГц.
Таблица 2. Параметры контроллера для функции позиционирования
Интерполяция линейная, круговая, смешанная
Регулирование плавный разбег и торможение.
Режимы управления ручной и автоматический. ручная настройка с помощью контактных клавиш
Выходы с широтно-импульсной модуляцией
Другие функции пароль, операции с плавающей точкой, интегрированные самооптимизирующиеся PID-регуляторы, функции позиционирования, дистанционное программирование через модем
Дополнительные модули • аналогового подключения; • ISDN-модема; • WEB-сервера с шиной Ethernet; • сетевого модуля Profibus; • модуля CAN Open-Master/Slave; • расширения памяти данных; • специальные дополнительные модули по заказу клиента; • панели индикации и управления.
материалов, обнаружения искр, датчики числа оборотов и т. д.
Кроме датчиков на предприятиях компании КЬЛ8СНКЛ производится полный набор других компонентов и оборудования, необходимых для осуществления проекта автоматизации любой сложности — от отдельного рабочего места до технологического комплекса. Среди них контроллеры, модули управления, специальные ЭВМ, шкафы, пульты и многое другое. Номенклатура продукции, выпускаемой компанией, постоянно расширяется и обновляется. В первую очередь это касается высокотехнологичных компонентов и блоков — датчиков, контроллеров, управляющих ЭВМ, — в прямой зависимости от которых находятся производительность, надежность, гибкость настройки и другие параметры системы автоматизации.
В качестве характерного примера можно привести постоянно обновляемую линейку популярных промышленных контроллеров 8ЕСОШХ, выпускаемых компанией.
Компактный контроллер вЕСОШХ-ХМ — новый представитель этой серии контроллеров (рис. 5). Он отличается повышенной производительностью, малыми размерами и совместим со всем модельным рядом контроллеров КЬЛ8СНКЛ, (например, вЕСОЫ-М,
Инкрементные
датчики
Память данных 12—32 к слов
2,7—12 к прогр. память за шаг
0,4—0,9 мкс Время исполнения основных команд
Последовательный порт
Широтно-модулированные
сигналы
Датчики положения Исполнительные устройства
Рис. S. Схема использования контроллеров серии SECONIX
БЕСОМХ-С и -Б, вЕСОЫОМУ и другими), а также со всеми средствами обмена информацией.
Программирование компактного контроллера вЕСО№Х-ХМ осуществляется с помощью пакета управляющих программ РИО1ЕС1131, содержащего конфигурационное и тестовое обеспечение в соответствии с международным стандартом ІЕС 61131-3. Удобные редакторы и библиотеки программных блоков позволяют проектировать программы как на классическом языке КОР, так и с помощью инструкций AWL, списка функций БВв, языка последовательностей операций Ав структурированного текста вТ.
Другими их особенностями являются большая программная память команд 2,7 к, 5 к или 12 к слов по выбору, встроенная 32 к и расширяемая до 1024 к слов память данных и высокая скорость обработки информации, не более 0,4 мкс на одну основную команду. Для связи с другими контроллерами, системами управления и визуализации имеется до трех последовательных шин К8232/И8485. Контроллеры ХМ и их дополнительные устройства (модули расширения) размещаются в одинаковых корпусах-модулях размером 90x60x30 мм, устанавливаемых на стандартную профильную рейку, что обеспечивает высокую степень интеграции и делает сборку и обслуживание максимально удобными.
Компактный контроллер XMZD, принадлежащий к модельному ряду вЕСО№Х, в отличие от ХМ предназначен для щитовой установки, например на управляющую панель или дверь шкафа управления. На передней панели его корпуса размером 48x45x70 мм имеется двухстрочный дисплей и 10 кнопок для ввода информации. Корпус снабжен приспособлением для крепления на месте. Остальные характеристики XMZD могут варьироваться так же, как и у всего ряда этих контроллеров.
Благодаря высокой производительности и гибкости вЕСОШХ-ХМ является идеальным решением для компактных или распределенных систем автоматизации в производстве, системах энергоснабжения и экологии, на предприятиях по добыче полезных иско-
паемых и т. п. В таблицах 1 и 2 приведены некоторые характеристики контроллеров.
Для контроллеров SECONIX-XM компания KLASCHKA выпускает множество модулей и блоков расширения, обеспечивающих практически неограниченные возможности по созданию распределенных систем автоматизации. Помимо функции расширения ресурсов контроллера (например, памяти или каналов обмена информацией) модули расширения служат для осуществления обмена аналоговыми и цифровыми данными между контроллером и различными внешними устройствами, в том числе датчиками, панелями управления, другими контроллерами и компьютерами, устройствами визуализации, модемами, шинами данных любых типов, а также блоками расширения.
Блоки расширения работают под управлением контроллеров и обеспечивают управление исполнительными устройствами, электроприводами всех типов, сварочными трансформаторами, регуляторами мощности, осветительными установками, соленоидами, приборами пневмо- и гидроавтоматики. С их помощью можно контролировать расход электроэнергии, вести учет реактивной мощности в электросети, измерять расход воды, тепла и других ресурсов и материалов. Управление всеми блоками расширения может быть дистанционным, поэтому они успешно используются как в локальных, так и в распределенных системах автоматизации. Следует еще раз напомнить, что все системы автоматизации, выпускаемые компанией KLASCHKA, независимо от их назначения и сложности приспособлены для дистанционного управления через локальную вычислительную сеть, Интернет, или последовательную шину.
Блоки автоматики PACON (от Parallel Control) предназначены для автоматизации средних и крупных промышленных установок и оборудования (рис. 6). В качестве управляющего устройства в этих блоках могут использоваться один или несколько контроллеров серии SECONIX с модулями расширения, или промышленная ЭВМ с процессором
1 ■ ]
- , 1 Н : Я і
1
1 П Ч р ■ ІЇІ151 Р1
! і
L L 1 * ї'^іи
1 ■ 1
ШшШш М Гії ГГ; !"1
1 ■ і
J =□
f р>'лл,g Ч?
Рис. 6. Вариант исполнения блока автоматики PACON
РеПшш-4 1,6 ГГц. Блоки автоматики могут быть снабжены устройствами визуализации в виде светодиодных индикаторов, 2- или 4-строчных дисплеев, или жидкокристалли-
Рис. У. Консоль управления с ЭВМ типа SERAB
ческих экранов размером до 17 дюймов. Для ввода информации могут быть использованы кнопочные панели до 32 кнопок или клавиатуры, в том числе стандартные
на 102 клавиши. Для управления сложными распределенными системами автоматизации компания поставляет также ЭВМ типа SERAB (рис. 7), специально конфигурируемые под конкретный проект.
Краткий обзор продукции компании KLASCHKA, разумеется, не может дать достаточно полного представления о ней и ее работе. Для этого необходимо рассказать хотя бы о нескольких проектах, осуществленных компанией в различных отраслях промышленности и хозяйства. В ближайшее время предполагается рассказать об этой главной и интересной стороне деятельности компании KLASCHKA.
В заключение необходимо заметить, что в 2006 году московская компания «Золотой Шар» стала официальным дистрибьютором немецкой компании KLASCHKA Elektronik + Automation. Таким образом, услуги и продукция компании, отвечающие самым взыскательным требованиям промышленников и специалистов по автоматике, стали доступны на российском рынке в полном объеме. ■
