Dostarczanie elastycznych czujników do zmieniających się wymagań w dziedzinie automatyzacji

Dostarczanie elastycznych czujników do zmieniających się wymagań w dziedzinie automatyzacji

Projektanci systemów automatyki stale poszukują nowych rozwiązań powiązanych z czujnikami. Bogactwo czujników na rynku odzwierciedla ogromną różnorodność przedmiotów, materiałów i płynów, które muszą zostać wykryte. Oprócz tego konieczne jest dobieranie interfejsów umożliwiających współpracę z innymi systemami oraz analizowanie wpływu środowiska, w którym czujnik ma być używany, na dobór odpowiedniej obudowy.

W wielu sytuacjach jest wymagane jedynie wykrywanie obiektu, na przykład na taśmie transportowej, stole lub na wózku transportowym. Może jednak nie być możliwe zamontowanie odbłyśnika, który współpracowałby z czujnikiem refleksyjnym lub odbiornika w obrębie wiązki emitowanej przez nadajnik czujnika. Jeśli za obiektem, który ma zostać wykryty, znajduje się tło zakłócające, właściwym wyborem może okazać się czujnik rozproszeniowy z funkcją kompensacji tła. Takie czujniki wykorzystują zasadę triangulacji, mierząc natężenie światła odbitego przez żądany cel oraz oddalenie obiektu. Minimalne wymiary obiektu są określane przez wielkość używanej wiązki światła. Odległość do obiektu jest konfigurowana za pomocą śruby ustalającej, chociaż niektóre bardziej zaawansowane rozwiązania mogą wykorzystać metodę adaptacyjną „teach-in” (rysunek 1).

Rysunek 1. Niekiedy zamiast bariery (a) lepsze jest zastosowanie czujnika refleksyjnego z kompensacją wpływu tła (b)

Wyposażenie obejmuje nadajnik światła czerwonego, ponieważ widoczną wiązkę światła można w łatwy sposób korygować i dostosować, nawet w wypadku małych obiektów. Czujniki laserowe są zdolne do wykrywania obiektów o średnicy zaledwie 0,1 mm, a precyzyjne czujniki diodowe mogą kontrolować wiązkę światła o średnicy 2 mm. Dzięki ich budowie wykryty obiekt może mieć różne kolory i być wykonany z różnych materiałów. Nie wpływa to na pracę sensora, a obiekty poruszające się w tle nie powodują niepożądanego zadziałania czujnika.

Podstawowym przykładem niezawodnego rozwiązania klasy IP67 jest seria czujników fotoelektrycznych FHDK 14P5104 firmy Baumer. Są one umieszczone wewnątrz obudowy o wymiarach 14,8 mm×43 mm, dostępne z interfejsem przewodowym, czterostykowym złączem M8 lub M12. Wykrywają obiekty w odległości od 30 do 500 mm. Są one również odporne na wyładowania elektrycznie dzięki zabezpieczeniu przed zwarciem i przed odwrotną polaryzacją oraz wyjściu PNP do zasilania prądem o natężeniu do 100 mA, co umożliwia ich używanie zarówno w miejscach oświetlonych, jak i zaciemnionych. Przednie elementy optyczne są wykonane ze szkła akrylowego, a wbudowana elektronika sygnalizuje problemy z wyrównaniem lub zabrudzeniem soczewki za pomocą migającej, żółtej diody LED (fotografia 2).

Fotografia 2. Czujnik refleksyjny FHDK 14P5104 firmy Baumer używa czerwonego światła LED

Niektóre aplikację wymagają dokładniejszej oceny obiektu. Przykładem może być określenie, czy etykieta została poprawnie naklejona lub, czy produkt nie jest uszkodzony. Przemysłowe systemy wizyjne, oparte na kamerze wyposażonej w interfejs cyfrowy, za którego pomocą jest ona połączona z komputerem przemysłowym realizującym algorytm oceny obrazu, to jedno z możliwych rozwiązań. Jest to jednak rozwiązanie kosztowne i nieco przestarzałe, ponieważ dzięki stałemu wzrostowi wydajności mikrokontrolerów i pojemności pamięci dostępne są teraz wysokowydajne systemy rozpoznawania wizyjnego, zabudowane w standardowej obudowie kamery wideo. Jednym z takich rozwiązań jest system wizyjny ZFV firmy Omron. Składa się on z oświetlacza i bardzo szybkiej kamery CCD umieszczonych w jednej obudowie z procesorem aplikacyjnym. Te miniaturowe czujniki można montować na stałe, gdzieś na taśmie produkcyjnej, lub integrować z ramieniem robota.

W zależności od zastosowania, kamera obserwuje tzw. obszar zainteresowania (ROI) o wymiarach od 5 mm×4,6 mm do 50 mm×46 mm. Oświetlacz jest złożony ośmiu czerwonych diod LED, odpowiednich do realizacji algorytmów oceny położenia, zapewniających światło impulsowe w momencie akwizycji obrazu. Obudowa kamery ma stopień ochrony IP65 (fotografia 3), co pozwala na stosowanie czujnika w trudnych warunkach przemysłowych.

Fotografia 3. Seria ZFV firmy Omron jest kompletnym systemem wizji, umożliwiającym wykrywanie poprawnej orientacji i położenia obiektów

Kamery są używane w połączeniu z modułem procesorowym, wyposażonym w interfejs użytkownika oraz umożliwiającym wybór realizowanego algorytmu oceny obrazu. Po poprawnym ustawieniu parametrów akwizycji obrazu, moduł może prawidłowo rozpoznawać obiekty w czasie od 4 do 15 ms, w zależności od rodzaju realizowanego algorytmu oceny obrazu (rysunek 4). Moduły mogą być łączone w zespoły. Pozwala to na zastosowanie dwóch lub więcej kamer do analizy wielu parametrów ocenianego obiektu, takich jak orientacja lub prawidłowe położenie etykiet z kodami kreskowymi. Ponieważ ze względu na wymagania odnośnie do chłodzenia podzespołów moduł procesorowy ma stopień ochrony IP20, a więc o wiele mniejszy niż sama kamera, musi być odpowiednio zamontowany. Pomyślna ocena obrazu może wyzwalać aktywowanie wyjścia NPN lub PNP, natomiast obrazy mogą być dodatkowo zapisywane na karcie pamięci.

Rysunek 4. Sensor ZFV w aplikacji oceny położenia obiektów: 1) kamera, 2) blister z produktami, 3) moduł procesorowy

Kolejnych wyzwań technicznych dostarczają aplikacje mierzące poziom cieczy w zbiornikach i rurach. Niektóre płyny pienią się, podczas gdy inne, o mniejszej lepkości mają tendencję do przywierania do powierzchni. Może to powodować problemy z pomiarem ich poziomu lub przepływu.

Fotografia 5. Seria LBFH pojemnościowych czujników poziomu firmy Baumer

Sensory z serii CleverLevel LBFH firmy Baumer (fotografia 5) to kompaktowe sensory poziomu, mające jasne, widoczne z każdej strony diody LED, informujące o statusie czujnika. Dostępne w obudowie IP69K. Mogą być używane w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i chemicznym. Są to czujniki pojemnościowe, działające w oparciu o technikę pomiaru zmiany pojemności włączonej w obwodzie rezonansowym w obecności wykrywanego obiektu. Czujniki mogą być również skonfigurowane w taki sposób, aby operowały z różnymi oknami przełączania w celu wyeliminowania wpływu powierzchni mierzonego płynu (na przykład, w obecności piany pływającej na powierzchni – rysunek 6). Są one także zdolne do wykrywania pustych rur i zbiorników, a także materiałów bezkształtnych, sypkich, takich jak mąka lub granulat z tworzywa sztucznego. W wypadku najbardziej wymagających materiałów pieniących się lub przylegających, firma Baumer dostarcza także przyrząd FlexProgrammer 9701 (fotografia 7). Może on być połączone z komputerem za pośrednictwem interfejsu USB. Oprogramowanie przeznaczone do konfigurowania czujnika wyposażono w interfejs przyjazny użytkownikowi. Funkcjonalne menu pomaga skonfigurować czujnik w taki sposób, aby spełnić wymagania aplikacji. Można też wizualizować wyniki pomiarów, co pozwala na późniejsze dostosowanie parametrów, np. stałe czasowe dla funkcji tłumienia i odwracanie logicznych układów przełączających.

Rysunek 6. Zakres działania czujnika LBFH
Fotografia 7. Przyrząd do konfigurowania czujników – FlexProgrammer 9701
Fotografia 8. Seria czujników UB800 firmy Pepperl+Fuchs

W niektórych środowiskach obiekt nie może być wykryty w sposób wiarygodny z powodu zmiany koloru lub materiału, z którego jest wykonany. Trudności pojawiają się również przy wykrywaniu przezroczystych materiałów, takich jak folie z tworzywa sztucznego i szklane butelki. W takich sytuacjach idealnym rozwiązaniem są czujniki ultradźwiękowe, wykorzystujące bariery lub odbicie od obiektu. Jednym z kandydatów jest seria UB800 firmy Pepperl+Fuchs (fotografia 8). Te czujniki są mogą wykryć obiekt o wielkości od 50 do 800 mm. Natychmiast informują o swoim statusie, używające zielonego wskaźnika do wskazania, że czujnik jest włączony, a żółtego, że obiekt jest w zasięgu czujnika. Funkcja „teach-in” umożliwia łatwą konfigurację górnej i dolnej granicy zakresu oceny. Czujnik ma interfejs prądowy i dostarcza 20 mA, jeśli wykryto obiekt lub 4 mA, jeśli w zasięgu czujnika nie ma obiektu i zmienną wartość w wypadku ruchu obiektu pomiędzy wartościami granicznymi (rysunek 9). Czujnik ma obudowę o stopniu ochrony IP67.

Rysunek 9. Charakterystyka działania czujnika UB800

Podsumowanie

Ponieważ w przemyśle 4.0 i kolejnych modyfikacjach cyfryzacja napędza więcej internetowych, zautomatyzowanych systemów produkcyjnych, to do rozwoju tych platform będzie wymaganych coraz więcej czujników. Ze względu na konieczność wykrywania ogromnej różnorodności materiałów, płynów i obiektów, stanowi to wyzwanie dla precyzyjnego określenia, który czujnik najlepiej spełnia potrzeby konkretnego zastosowania.

Dostawcy oferują szeroką gamę rozwiązań i wiele zintegrowanych funkcji. Czytelne wskaźniki dostarczają wizualnych informacji o zasilaniu czujnika i wykryciu obiektu. Są one również w coraz większym stopniu konfigurowalne, od zaawansowanych, opartych na kamerze systemów wizualnych, aż do stosunkowo prostych czujników dystansowych i wykrywających ciecze. Niezależnie od tego, co należy wykryć, jest wysoce prawdopodobne, że istnieje rozwiązanie, które odpowiada potrzebom danego zadania.

Peteris Sprogis
Regionalny Menedżer
Sprzedaży na obszar
Europy Wschodniej
w firmie Distrelec

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
marzec 2019

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik listopad 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio listopad - grudzień 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje listopad 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna listopad 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich listopad 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów