www.brix.de - Hauptseite,  Elektrotechnik,  SPS-Grundkurs Stand: 2012-04-26

Automatisierungstechnik

Sensoren und Aktoren (auch: Aktuatoren)
Augen/Ohren und Hände einer SPS


Sensoren allgemein

Sensoren sind diejenigen Geräte, die zwischen Prozess und Automatisierungsanlage geschaltet sind. Sie wandeln nicht-elektrische Signale/Ereignisse in elektrische Signale für das Automatisierungssystem um.

Signalarten der Sensoren

1. Digitale Signale

Im Wortsinne bedeutet "digital" abzählbar, also auf einem einen endlichen Zeichenvorrat basierend, allerdings wird im alltäglichen, weniger genauen Sprachgebrauch mit Digitalsignal fast immer ein Binärsignal, also ein Signal mit genau zwei Zuständen gemeint.

       Low / High
       0 V /  24 V DC
       0 V /  48 V UC
       0 V / 120 V AC/UC
       0 V / 230 V AC
       AUS / EIN

2. Analoge Signale

Analoge Signale haben ein kontinuierliches Spektrum des Eingangswertes ("unendlich" feine Stufungen). Man benennt lediglich einen kleinsten und einen größten Wert zum Festlegen des Bereiches.

      0 V  - 10 V
      2 V  - 10 V  (drahtbruchsicher)
    -10 V  - 10 V  (bipolar)
      0 mA - 20 mA
      4 mA - 20 mA (drahtbruchsicher)
    -20 mA - 20 mA (bipolar)

Digitale Sensoren und ihre Funktionsprizipien

Mechanische Sensoren

Endschalter, Taster, Schalter
Diese Sensoren benötigen keinen Strom für den Eigenbedarf.

Induktive Näherungsschalter

Induktive Näherungsschalter erkennen alle Metalle (also alle guten Leiter). Es muss sich in dem zu erkennenden Material ein Strom induzieren lassen ("Metallsuchgerät"). Der Sensor benötigt Strom für den Eigenbedarf.

Induktive Näherungsschalter sind die häufigsten Sensoren überhaupt. Sie sind robust und unempfindlich gegen Verschmutzung (außer Metallstaub/-späne). Da sie nur auf Metalle reagieren, wird in vielen Anwendungen extra ein Metallteil an dem zu erkennenen Objekt befestigt (eine Schraube genügt).

Kapazitive Näherungsschalter

Kapazitive Näherungsschalter erkennen alles außer Luft/Gase, weil eine Kapazität gemessen wird, die durch das EpsilonR (Permittivitätszahl) beeinflusst wird. Der Sensor benötigt Strom für den Eigenbedarf.

Kapazitive Näherungsschalter erkennen z.B. auch Flüssigkeiten in einem Tank. Sie sind aber verschmutzungsempfindlicher, da es bei ihnen nicht auf die Art der Verschmutzung ankommt, die zu einer Fehlauslösung führt.

Optische Sensoren ("Lichtschranken")

Es wird die Unterbrechung oder die Reflektion von Licht gemessen. Alle Lichtschranken benötigen Energie für den Eigenbedarf. Sie sind relativ verschmutzungsempfindlich und reagieren unter Umständen auch auf Fremd- bzw. Streulicht.

Einweg-Lichtschranke

Sender und Empfänger sind getrennt angeordnet, der Lichtstrahl legt einen Weg zurück. Es müssen zwei Orte installiert werden. Registriert wird die Unterbrechung des im Allgemeinen unsichtbaren Lichtstrahls (meistens wir Infrarotlicht verwendet).

Zweiweg-Lichtschranke

Sender und Empfänger sind direkt nebeneinander angeordnet, der Lichtstrahl legt einen Weg zu einem Reflektor und einen von dort wieder zum Empfänger zurück. Es muss nur ein Ort installiert werden. Im Allgemeinen sind Zweiweglichtschranken für sicherheitsgerichtete Anwendungen nicht zulässig. Registriert wird die Unterbrechung des Lichtstrahls.

Lichttaster

Ein Lichttaster ist eine Zweiweg-Lichtschranke, bei der das zu erfassende Objekt "der Reflektor" ist. Das Objekt darf also nicht vollständig lichtschluckend sein. Registriert wird die Reflektion des Lichtstrahls. Im Allgemeinen ist die Entfernung, innerhalb derer die Reflektion stattfinden muss, einstellbar. Je nach Ausführung, kann der Lichtstrahl auch sichtbar sein, um "zielen" zu können und die Einstellung zu erleichtern.

Scanner-Systeme

So genannte Scanner sind Lichttaster, die ganze, mehrere Quadratmeter große Bereiche mit einem unsichtbaren Laserstrahl überwachen. Der Bereich ist im Allgemeinen (mit Zusatzsoftware) dreidimensional einstellbar, und der Lichtstrahl ist nicht zu sehen. Der Scanner liefert aber trotz seiner Komplexität nur ein binäres Signal ("frei"/"belegt").

Akustische Sensoren

Ultraschall-Bewegungsmelder reagieren auf den reflektierten Schall, der von ihnen ausgesendet wird ("Fledermausprinzip" oder "Echolot"). Sie sind oft in der Entfernung und Empfindlichkeit einstellbar und werden unter Umständen durch hochfrequenten Lärm gestört. Ultraschallsensoren sind aber häufiger als Analogwertgeber (Entfernungsmessung) anzutreffen.

Auch Mikrofone können digitale Sensoren sein, wenn Frequenz oder Lautstärke von einer Elektronik bewertet werden (z.B. Klopfsensor oder der akustische Teil eines Präsenzmelders)

Magnetische Sensoren

"Reed-Kontakte". - Tatsächlich werden heutzutage meist Halbleitersensoren (Feldplatten oder Hall-Sensoren) benutzt, aber dennoch "Reed-Kontakt" genannt. Sie reagieren auf Magnetfelder von Dauermagneten. Hauptanwendung: Endlagekontrolle von Pneumatikzylindern.

Echosensoren für Elektromagnetische Strahlung ("Radar")

Das Funktionsprinzip gleicht dem der Ultraschallsensoren, nur dass Elektromagnetische Strahlung im Bereich einiger GHz ("Mikrowelle") verwendet wird. Ebenfalls häufig in der Analogausführung, auch als Doppler-Radar (erkennt nur Bewegungen) anzutreffen (Geschwindigkeitsmessung).

Passive Infrarot-Sensoren (PIR-Sensoren)

Passive Infrarot-Sensoren erkennen Änderungen in der Wärmestrahlung ihres Beobachtungsraumes. Wird eine Schwelle überschritten, melden sie eine Bewegung. Sie werden auch mit Mikrofonen zu Präsenzmeldern kombiniert.


Analoge Sensoren

Analoge Messwerterfassung erfolgt klassischer Weise in mehreren Schritten in einer Messkette

1. Messaufnehmer

Der Messaufnehmer macht aus einer nicht-elektrischer Größe eine elektrische Größe.

Temperatur, Kraft, Helligkeit, Länge
U, I, R

Beispiele:
Pt-100 (Platin, 0°C --> 100 Ohm), Temperatur --> R
Thermoelement, Temperatur --> U
Dehnungsmessstreifen, Kraft --> R
LDR, Helligkeit --> R

2. Messumformer

Der Messumformer macht aus einer (nahezu beliebigen) elektrischen Größe eine normierte elektrische Größe.

      0 V  - 10 V
      2 V  - 10 V (drahtbruchsicher)
    -10 V  - 10 V (bipolar)
      0 mA - 20 mA
      4 mA - 20 mA (drahtbruchsicher)
    -20 mA - 20 mA (bipolar)

Stromerfassung ist der Spannungserfassung überlegen, weil Leitungswiderstände die Messung nicht beeinflussen (Strom ist im unverzweigten Stromkreis überall gleich) und die niederohmige Strommessung weniger anfällig gegen elektrische Störungen (induktive/kapazitive Einkopplungen von parallelen Leitungen) ist.

3. Analog-Digital-Umsetzung

Die kontinuierlichen Eingangssignale werden vom "ADU" in ein quantisiertes, digitales Signal der SPS umgesetzt.

Die Auflösung dieses Signals wird in der Anzahl der Bits angegeben. Üblich sind Auflösungen von 8 bis 16 Bit (256 - 65536 Stufen).

Nach der Digital-Umsetzung muss das Signal aber in der SPS noch skaliert werden, um eine sinnvolle Weiterverarbeitung zu ermöglichen.

Üblicherweise befinden sich Messaufnehmer (geht prinzipbedingt kaum anders) und Messumformer in der Nähe der Messstelle. Der ADU dagegen ist eine Baugruppe der SPS. Allerdings gibt es für einige häufig genutzte Messaufnehmer (z.B. Pt-100 oder Thermoelemente) Analogbaugruppen in der SPS, die den Messumformer gleich mit enthalten.


Komplexe Sensoren

Komplexe Sensoren liefern ganze Datensätze an die SPS, bzw. können auch Datensätze aus der SPS speichern. Da bei diesen Vorgängen (für eine SPS) größere Datenmengen übertragen werden, haben komplexe Sensoren entsprechende Datenschnittstellen, also z.B. Netzwerk/Bus-System, USB, RS-232/422.

Während einige Scanner echte einfache Sensoren sind, verschwimmen die Grenzen zum Aktor, wenn auch geschrieben werden kann.

Absolut kodierte Lšngen- oder Drehwinkelgeber

Warum eigentlich Gray-Code?

Tabelle zur Umwandlung von Binär- in Gray-Code und umgekehrt sowie Darstellung des Vorteils von Gray-Code


Aktoren

Digitale Aktoren

Komplexe Aktoren

Motorcontroller (FUs) mit Datenschnittstellen

Sonderfall HMI (Human-Machine-Interface = Bediengeräte)

Touchpanels sind sozusagen per se kombinierte komplexe Sensoren/Aktoren.


Stefan Brix
sx@brix.de

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