Wykorzystanie zaawansowanych urządzeń fotoelektrycznych do uproszczenia wdrażania wykrywania zbliżeniowego

Czujniki fotoelektryczne (PE) są szeroko stosowane do bezkontaktowego wykrywania zbliżeniowego w systemach produkcyjnych, przemysłowych i komercyjnych ze względu na ich skuteczność, wytrzymałość i przejrzystość zasad działania. Ich typowe zastosowania to m.in. wykrywanie butelek lub puszek na szybkobieżnych liniach produkcyjnych, wykrywanie braku lub obecności paczki w kartonie wysyłkowym, sprawdzanie, czy drzwi są otwarte czy zamknięte, a także wykrywanie obecności człowieka.

Zbliżeniowe czujniki fotoelektryczne (PE) mogą być zaprojektowane dla różnych trybów wykrywania optycznego, a typowym jest podstawowa metoda retrorefleksyjna. Pomimo prostej zasady działania, skonfigurowanie czujnika fotoelektrycznego (PE) może wymagać użycia czasochłonnej metody prób i błędów w celu zainicjowania, dostrojenia oraz optymalizacji konfiguracji i algorytmu wykrywania do specyfiki zastosowania lub ponownego dostosowania ich do innego cyklu produkcyjnego. Projektanci systemów potrzebują sprawniejszych rozwiązań, aby uniknąć związanych z tym konfiguracji i opóźnień wdrożeń.

Niniejszy artykuł zawiera krótkie omówienie podstaw czujników fotoelektrycznych. Artykuł przedstawia zbliżeniowe czujniki fotoelektryczne (PE) firmy SICK, Inc. i pokazuje, w jaki sposób można je zastosować przy użyciu wyjątkowo uproszczonego procesu konfiguracji.

Podstawy wykrywania z użyciem czujników fotoelektrycznych (PE)

Zbliżeniowe wykrywanie fotoelektryczne (PE) opiera się na źródle światła z silnie skupioną wiązką skierowaną w stronę wykrywanego obiektu. Ta wiązka światła jest następnie wykorzystywana na jeden z trzech sposobów, w zależności od tego, jak jest wykrywana przez odbiornik (ilustracja 1).

Ilustracja 1: zbliżeniowe wykrywanie fotoelektryczne (PE) polegające na wykorzystaniu wysyłanej wiązki światła oraz odbierającego ją odbiornika fotoczułego w trzech układach fizycznych. (Źródło ilustracji: Proximity Switch)

• W wykrywaniu dyfuzyjno-odbiciowym nadajnik i odbiornik są umieszczone w jednej obudowie, a wykrywanie następuje, gdy wiązka światła z nadajnika odbija się od obiektu zainteresowania.
• W wykrywaniu retrorefleksyjnym nadajnik i odbiornik również znajdują się w tej samej obudowie, ale z reflektorem po drugiej stronie obiektu docelowego.
• W wykrywaniu wiązką przechodzącą fotoczujnik znajduje się po drugiej stronie obiektu, a obiekt sygnalizuje swoją obecność blokując światło z nadajnika do odbiornika.

Zbliżeniowe wykrywanie fotoelektryczne (PE) może być również wykorzystywane do celów zapewnienia bezpieczeństwa, np. w postaci barier lub kurtyn świetlnych, gdzie urządzenia te są montowane w strategicznych miejscach i służą jako bramki bezpieczeństwa (ilustracja 2). Po wykryciu przeszkody bariera świetlna wysyła sygnał do kontrolera lub przewodowego obwodu bezpieczeństwa, który wyłącza maszynę, jeśli obecność przeszkody nie była oczekiwana lub jeśli stwarza ona zagrożenie.

Ilustracja 2: wykrywanie zbliżeniowe może być stosowane w barierach lub kurtynach świetlnych związanych z bezpieczeństwem. (Źródło ilustracji: SICK, Inc.)

Wykrywanie fotoelektryczne (PE) jest atrakcyjne, ponieważ wykorzystuje intuicyjną zasadę działania i układ fizyczny. Rozwiązania odbiciowe są również pożądane, ponieważ wymagają urządzenia przewodowego tylko po jednej stronie, co upraszcza logistykę instalacji.

Nowa konstrukcja i nowy interfejs użytkownika pozwalają pokonać wiele wyzwań

Pomimo prostoty koncepcji, zbliżeniowe wykrywanie fotoelektryczne wymaga starannego montażu, instalacji i wyrównania. Środowiska z zakłóceniami wizualnymi mogą być trudne i frustrujące dla techników, a parametry działania i powtarzalność będą zależeć od odległości i typu obiektu.

Wykrywanie fotoelektryczne jest często używane w połączeniu z programowanym sterownikiem logicznym (PLC). Często instalator musi skonfigurować, przetestować, wyregulować i ponownie przetestować programowany sterownik logiczny (PLC), który może znajdować się w pewnej odległości od urządzenia fotoelektrycznego (PE). Ponadto na parametry działania i dokładność mogą wpływać różnice w oświetleniu, niepożądane i zmienne odbicia oraz inne rzeczywiste zniekształcenia.

Problemy pojawiające się podczas cykli produkcyjnych są szczególnie uciążliwe i często nasilają się, gdy istnieje pilna potrzeba szybkiego ich rozwiązania.

Aby je rozwiązać, firma SICK opracowała grupę czujników zbliżeniowych W10 (ilustracja 3).

Ilustracja 3: seria W10 zawiera kompletne, zaawansowane zbliżeniowe czujniki fotoelektryczne (PE) w kompaktowej, wytrzymałej obudowie. (Źródło ilustracji: SICK, Inc.)

Urządzenia te są szczególnie godne uwagi, ponieważ są pierwszymi tego typu urządzeniami z ekranem dotykowym (ilustracja 4).

Ilustracja 4: unikalny zintegrowany ekran dotykowy urządzeń W10 znacznie poprawia środowisko użytkownika. (Źródło ilustracji: SICK, Inc.)

Przedstawiony interfejs wyświetlacza zapewnia łatwość użycia, szybką instalację i przyspiesza adaptację do każdego zastosowania. Łatwość nawigacji skraca czas potrzebny na uruchomienie urządzenia i ułatwia regulację w przypadku różnych obiektów docelowych, prędkości lub nieoczekiwanych problemów. Eliminuje również potrzebę stosowania fizycznych przełączników, pokręteł i regulacji na urządzeniu, zwiększając w ten sposób niezawodność, integralność obudowy i bezpieczeństwo.

Laserowe źródła światła klasy 1 urządzeń z serii W10 zapewniają dokładne wyniki wykrywania z wysoką powtarzalnością. Skupiona czerwona wiązka lasera wytwarza niewielką plamkę świetlną na obiekcie i współdziała z szybkim i precyzyjnym systemem triangulacji lasera odbiornika oraz skanowania linii ewaluacyjnej.

Jest to podstawa uzyskania wysokiej powtarzalności wyników i szybkości decyzji. W trybie szybkim czas reakcji wynosi zaledwie 1,8ms, co gwarantuje niezawodne przełączanie nawet przy wysokich prędkościach maszyn. Dwukolorowe diody LED zapewniają natychmiastową wizualną informację zwrotną o statusie wykrywania. Ponadto omawiane urządzenia oferują solidne i niezawodne wykrywanie obiektów o różnych właściwościach powierzchni, takich jak połysk, kolor lub struktura.

Zbliżeniowe czujniki fotoelektryczne (PE) oferują indywidualne opcje „uczenia” na potrzeby określonych adaptacji. Oprócz zwykłego trybu uczenia jednopunktowego, w którym wykrywane są obiekty w określonej odległości, dostępny jest tryb uczenia dwupunktowego, który umożliwia wykrywanie obiektów o różnych wysokościach. Tryb ręczny poszerza opcje uczenia i oferuje jeszcze większą elastyczność. Za pomocą wyświetlacza można aktywować trzy zoptymalizowane pod kątem zastosowania tryby pracy umożliwiające włączenie tłumienia pierwszego planu lub tła, jeżeli zachodzi taka potrzeba.

Na zintegrowanym ekranie dotykowym operator może intuicyjnie wybierać, regulować i zapisywać ustawienia prędkości, standardowych lub precyzyjnych trybów pracy, tłumienia warunków otoczenia, indywidualne ustawienia uczenia, wstępnie skonfigurowane parametry i wartości graniczne. Unikalna funkcja blokady ekranu w urządzeniu W10 chroni ustawienia przed dostępem osób trzecich.

Elastyczność interfejsu użytkownika nie ogranicza się do ekranu dotykowego - te same funkcje są dostępne za pośrednictwem funkcji IO-Link W10. Daje to możliwość zdalnej konfiguracji i efektywnej integracji zarejestrowanych danych z czujników z istniejącą siecią automatyki.

Opcje elektryczne i obudowy urządzeń W10

Ważnym czynnikiem projektowym jest wyjście cyfrowe czujników W10. Omawiane urządzenia posiadają nastawną strukturę komplementarną PNP/NPN. Jeśli wyjście jest ustawione na PNP, sygnał wyjściowy jest dodatni, a wyjście czujnika może dostarczać prąd dla karty wejścia odbierającego prąd; jeśli czujnik jest ustawiony na NPN, sygnał wyjściowy jest ujemny, a wyjście może odbierać prąd w celu podłączenia do wejściowej karty stanowiącego źródło prądu (ilustracja 5). Obie opcje zapewniają podstawową kompatybilność poziomów sygnału z programowanym sterownikiem logicznym (PLC) i innymi kontrolerami systemowymi.

Ilustracja 5: stopień wyjściowy urządzeń W10 może działać zarówno w trybie odbioru prądowego (u góry), jak i w trybie źródła prądowego (u dołu), aby zagwarantować kompatybilność z powiązanym programowanym sterownikiem logicznym (PLC). (Źródło ilustracji: www.realpars.com)

Wyjście można skonfigurować do pracy w trybie jasnym lub ciemnym (aktywacja na światło lub aktywacja na brak światłą). W trybie jasnym wyjście czujnika jest włączone gdy światło dociera do odbiornika i wyłączone gdy jest zablokowane. Natomiast w trybie ciemnym wyjście czujnika jest włączone gdy światło jest zablokowane i wyłączone, gdy światło dociera do odbiornika.

Obudowa fizyczna jest ważna, ponieważ urządzenia te są zwykle używane w warunkach przemysłowych. Urządzenia W10 posiadają solidną konstrukcję obudowy ze stali nierdzewnej 316L o stopniu ochrony IP67 oraz IP69k. Są one oferowane w obudowach o wymiarach 18 × 57 × 42,2mm i przeznaczone do pracy w zakresie temperatur otoczenia od -10°C do +55°C.

Jednym z wyzwań związanych z czujnikami przemysłowymi jest potrzeba obsługi różnych urządzeń w terenie lub w fabryce. Ta kwestia komplikuje zarządzanie własnymi zapasami oraz obsługę techniczną. Jednak serię W10 cechuje wysoka elastyczność, gdyż urządzenia z tej grupy występują tylko w dwóch stylach korpusów (ilustracja 6). Każdy z nich ma dwa zakresy wykrywania, co daje w sumie zaledwie cztery różne modele, a to upraszcza proces doboru.

Ilustracja 6: funkcjonalnie podobne urządzenia z grupy W10 są dostępne w dwóch stylach obudów, a każde z nich posiada dwa zakresy wykrywania. (Źródło ilustracji: (SICK, Inc.)

Model 1133545 z serii W10 jest dostępny w obudowie prostokątnej ze standardowym otworem montażowym 1” i działa w zakresie odległości od obiektu w od 25mm do 400mm, podczas gdy podobny model 1133547 pracuje w zakresie odległości od obiektu od 25mm do 700mm. W instalacjach hybrydowych sprawdzą się model 1133544, posiadający przedni lub boczny gwintowany otwór montażowy M18 o średnicy 1 cala, który obsługuje zakres odległości od obiektu od 25mm do 400mm, oraz odpowiadający mu model W10 1133546 o takiej samej obudowie, ale z obsługą zakresu odległości od obiektu od 25mm do 700mm.

Podsumowanie

Czujniki fotoelektryczne (PE) W10 stanowią uniwersalne, wytrzymałe rozwiązania z reflektorami dyfuzyjnymi do zastosowań przemysłowych. Ich zaawansowane funkcje to m.in. pierwszy w branży zintegrowany interfejs użytkownika z ekranem dotykowym, który upraszcza instalację, konfigurację i regulację oraz wyrafinowane algorytmy zapewniające większe możliwości i dokładność.