Oczy i uszy systemów automatyki. Rosnące znaczenie czujników

To samo odnosi się do sterowania procesami przemysłowymi. Dzięki czujnikom można obecnie wykonać każdy rodzaj pomiaru, a następnie użyć go jako dane wejściowe systemu. W tym przypadku istotne są zarówno same czujniki, jak też system kondycjonowania i transmisji sygnałów.

Rosnący trend obserwuje się szczególnie w zakresie wykorzystania jako elementów wejściowych czujników wizyjnych. Według szacunkowych danych firmy IMS Research rynek z nimi związany zwiększał się w ostatnich latach nawet w tempie dwucyfrowym, przekraczając na początku 2012 wartość 3 mld dolarów. Zdaniem przedstawicieli firmy, pomimo utrzymującej się trudnej sytuacji w sferze makroekonomicznej, wzrosty powinny utrzymywać się również w kolejnych latach, choć nie będą osiągały wartości dwucyfrowych.

Obecnie ponad 80% przychodów w sektorze przemysłowych systemów wizyjnych stanowią te związane z ich dostarczaniem do zakładów produkcyjnych. Według danych IMS zaznacza się również wyraźnie trend coraz szerszego wykorzystania technologii w obszarach, do których należą monitorowanie ruchu, bezpieczeństwo i nadzór, sterowanie oraz aplikacje medyczne.

KONTROLA WIZYJNA

Fot. 1. Czujniki wizyjne ZFV firmy Omron

Produkty takie jak inteligentne czujniki wizyjne z serii ZFV firmy Omron umożliwiają stosowanie kontroli wizyjnej w aplikacjach, gdzie dawniej z pewnością nie stosowano by systemów wizyjnych. Urządzenia łączą w sobie głowicę czujnika wyposażoną w szybką kamerę CCD oraz moduł regulowanego źródła światła LED, które komunikuje się cyfrowo z modułem wzmacniacza/sterownika. Głowice czujników są dostępne w szerokim zakresie specyfikacji pola widzenia - od 5 do 50 mm, podczas gdy wzmacniacze mogą być urządzeniami jednofunkcyjnymi lub programowalnymi/wielofunkcyjnymi w zależności od danego zastosowania i potrzeb klienta.

Moduł wzmacniacza jest wyposażony w ekran LCD i oprogramowanie "uczące się", które umożliwia użytkownikom zdefiniowanie danej aplikacji systemu wykrywania za naciśnięciem kilku klawiszy. Zaprogramowane wstępnie podstawowe algorytmy obejmują obszar, jasność, szerokość, pozycję, znak, liczbę i wzór. Wyświetlacz jest używany także podczas samego procesu inspekcji do wyświetlania informacji pass/fail oraz obrazu samego produktu poddawanego inspekcji.

Dostępne w wersjach kolorowych i monochromatycznych czujniki z serii ZFV mogą zostać zaprogramowane do przeprowadzania inspekcji w czasie 12, 6 lub 4 ms (co oznacza maksymalnie 250 inspekcji na sekundę). Do pojedynczej magistrali sterownika można podłączyć nawet pięć czujników, co pozwala na przeprowadzenie pięciu inspekcji w jednym przejściu, co znacznie podnosi wydajność systemu. W każdym systemie można zapisać maksymalnie osiem różnych celów inspekcji.

CZUJNIKI RUCHU I POZYCJI

Fot. 2. Linia czujników DFS60 firmy SICK Stegmann to przykład enkoderów przyrostowych nowej generacji

Systemy wizyjne to grupa produktów, w przypadku których w ostatnich latach nastąpił największy postęp, jednak w sferze tradycyjnych czujników również miał miejsce szybki rozwój. Do najważniejszych funkcji czujników należy wykrywanie pozycji i ruchu. Obecnie dostępna jest szeroka gama liniowych i obrotowych enkoderów służących do określania położenia. Występują one w wersjach absolutnych (tj. po włączeniu zasilania podają bieżącą pozycję) oraz jako enkodery inkrementalne.

Przykładem najnowszej generacji takich elementów jest linia produktów DFS60 firmy SICK Stegmann. Urządzenia te oferują wysoką rozdzielczość - do 65536 impulsów na obrót (PPR), lecz jednocześnie bazują na platformie umożliwiającej swobodne programowanie, co pozwala określić napięcie wyjściowe, pozycję zerową oraz wartość PPR za pośrednictwem interfejsu.

Wał silnika i enkoder są izolowane elektrycznie, co zwiększa ich odporność na zakłócenia i pozwala na stosowanie urządzeń w warunkach występowania zaburzeń elektrycznych. Ową odporność elektryczną uzupełnia fi- zyczna konstrukcja urządzeń obejmująca innowacyjny projekt łożysk i niklowy dysk kodujący, co pozwala na ich pracę w zakresie temperatur od -20°C do +100°C.

Dzięki możliwości montażu osiowego i promieniowego oraz interfejsowi wyjściowemu TTL/RS-422 i HTL/push-pull, seria DFS60 sprawdza się w szerokiej gamie zastosowań, między innymi w branży drukarskiej, tekstylnej i urządzeniach do pakowania. Typ enkodera trzeba dobrać odpowiednio do środowiska, zastosowania oraz stosowanego urządzenia przetwarzającego sygnał.

Producenci tacy jak Baumer oferują szeroką gamę urządzeń zaprojektowanych z myślą o różnorodnych wymaganiach. Uzupełniające moduły kondycjonujące mogą przydać się w sytuacjach, w których kable są prowadzone na długich odcinkach, przez co możliwy jest wpływ na nie zaburzeń EDS. Wyjścia push-pull z ochroną przeciwzwarciową są bardziej przydatne w przypadku krótszych kabli, podczas gdy wyjścia sinusoidalne mogą być konieczne, jeśli sygnał jest narażony na zniekształcenia.

CZUJNIKI BEZKONTAKTOWE

Fot. 3. Czujniki indukcyjne OsiSense XS można stosować nie tylko do określania położenia, ale też rozróżniania materiałów metalowych i niemetalowych

Bezkontaktowe czujniki zbliżeniowe stosowane są już od dawna wszędzie tam, gdzie wymagane jest określenie położenia, czyli przykładowo w urządzeniach dźwigowych, w zakładach produkcyjnych, systemach podnoszenia, automatycznych systemach karmienia zwierząt hodowlanych czy zautomatyzowanych urządzeniach w branży spożywczej. Elementy te są stale poprawiane, jeżeli chodzi o szybkość ich działania, trwałość oraz zmniejszanie rozmiarów. Osiągnięto także postępy w kwestii obniżenia kosztów i zwiększonej elastyczności aplikacyjnej.

Przykładem jest rodzina produktów OsiSense firmy Schneider Electric, która obejmuje zarówno czujniki ogólnego przeznaczenia, jak i produkty do określonych zastosowań, takie jak czujniki o stopniu ochrony IP69K stosowane w miejscach, w których występuje zmywanie strumieniem wody pod wysokim ciśnieniem lub czyszczenie parowe - np. w zakładach produkcyjnych z branży spożywczej czy myjniach samochodowych.

W rodzinie czujników OsiSense zastosowano technologię indukcyjną XS, umożliwiającą wykrywanie obiektów metalowych z odległości do 60 mm oraz technologię pojemnościową XT, dzięki której można wykryć dowolny materiał z odległości do 20 mm.

WERSJE ŚWIATŁOWODOWE

Fot. 4. Wzmacniacz E3X-HD firmy Omron zapewnia szybkie i proste wprowadzanie ustawień oraz ma podwójny wyświetlacz cyfrowy

W zastosowaniach wymagających wykrywania położenia i obecności na znacznie mniejszą skalę coraz większą popularnością cieszą się czujniki światłowodowe. Poza niewielkimi rozmiarami i możliwością wykrywania małych obiektów oraz elementów w ruchu czujniki te zapewniają także szereg innych korzyści, takich jak odporność na zaburzenia elektryczne, co stanowi zaletę w wielu środowiskach. Same czujniki można z łatwością stosować również w strefach zagrożonych wybuchem. Ponadto dzięki zastosowaniu elementów wykonanych ze szkła, a nie tworzywa sztucznego, mogą one być stosowane w wysokich temperaturach.

Zasada działania tego typu czujników bardzo przypomina zasadę funkcjonowania innych przyrządów bazujących na wykrywaniu światła. To ostatnie pochodzi z diody LED i przechodzi do światłowodu, który przekazuje je w miejsce wymagające zastosowania czujnika. Światło jest rozpraszane w głowicy czujnika, a obiekty powodują odbicie części strumienia z powrotem wzdłuż światłowodu.

System światłowodowy składa się dwóch głównych elementów: wzmacniacza odpowiedzialnego za generację światła i rejestrowanie odbić oraz samego światłowodu. Wzmacniacze są dostępne w wersjach cyfrowych i analogowych. Te cyfrowe umożliwiają wyświetlanie intensywności świecenia w formie numerycznej z punktem przełączania zdefiniowanym cyfrowo.

Wersja analogowa oferuje wyniki w formie wykresu słupkowego oraz możliwość zdefiniowania punktu przełączania przy użyciu potencjometru. Jeżeli zaś chodzi o światłowody, to możliwe jest zastosowanie różnych ich typów. Najczęściej stosowany jest pojedynczy (jednożyłowy) światłowód z tworzywa sztucznego. W celu zwiększenia dokładności pomiarów użytkownicy mogą zdecydować się na konfigurację koncentryczną, w której światłowód centralny jest używany do przesyłania światła wychodzącego, a otaczające go mniejsze światłowody przesyłają to odbite z powrotem do czujnika.

Ten typ może charakteryzować się wyższą wydajnością przy wykrywaniu obiektów, które mogą pojawić się w danym obszarze z dowolnego kierunku. Trzeci typ światłowodu, wielordzeniowy, składa się z dużej wiązki małych światłowodów. Światłowód wielordzeniowy jest niezwykle elastyczny, w związku z czym nadaje się do zastosowań w robotyce wymagających przemieszczenia głowicy czujnika na znaczną odległość.

Dobrym przykładem dostępnych możliwości w tym zakresie są programowalne wzmacniacze światłowodowe serii E3X oraz głowice czujników E32 firmy Omron. Standardowe cylindryczne głowice czujników E32 zapewniają niezawodne wykrywanie obiektów, łatwą instalację oraz długi okres eksploatacji czujników we wszystkich typowych zastosowaniach. Seria obejmuje także modele z sześciokątną częścią tylną ułatwiającą montaż.

W celu zapewnienia szybkiej i łatwej instalacji na płaskich powierzchniach, rodzina E32 ma także głowice kwadratowe o grubości 3 lub 4 mm z możliwością pracy czujnika w osi X, Y lub Z. Dostępna jest gama miniaturowych głowic przeznaczonych dla obiektów o rozmiarach od 500 μm do 3 mm i wykrywania w ograniczonych przestrzeniach. Koncentryczny czujnik rozproszenia i dodatkowa soczewka pozwalają znacząco zwiększyć zasięg czujnika. Dostępne są także głowice przeznaczone do pracy na większych odległościach z wbudowaną soczewką umożliwiającą wykrywanie obiektów z odległości do 20 m.

Seria wzmacniaczy E3X obejmuje model E3X-HD, łączący podwójny wyświetlacz cyfrowy i umożliwiający wyraźny odczyt wyników i określanie nastawy, z szybką i prostą, jednoprzyciskową metodą dynamicznego sterowania zasilaniem oraz jednostkami komunikacyjnymi m.in. dla standardu EtherCAT. Projektanci mogą także zdecydować się na modele E3X o zwiększonej wodoodporności, skróconym do 20 μs czasie reakcji zapewniającym szybkie wykrywanie oraz na wersję podwójną, umożliwiającą równoczesne wykrywanie dwóch obiektów.

TO DOPIERO POCZĄTEK

W artykule przedstawiono jedynie bardzo ogólny obraz możliwości nowoczesnych czujników. Poza czujnikami wizyjnymi, zbliżeniowymi i światłowodowymi obecnie stosowane systemy automatyki mogą obejmować szeroką gamę czytników kodów kreskowych, jak też czujników natężenia światła, kolorów i kontrastu. W branży tworzyw sztucznych oraz w wielu typach obrabiarek bardzo ważną rolę pełni monitorowanie poziomu i ciśnienia płynów, temperatury oraz przepływu. Często nie docenia się znaczenia tych licznych i zróżnicowanych urządzeń, jednakże warto pamiętać, że żaden system automatyki nie może działać bez "oczu i uszu".

Heiko Luckhaupt
RS Components
www.rs-components.com