Korszerű fotocellás eszközök használata az egyszerűbben megvalósítható közelségérzékelés érdekében

A fotocellás (PE, photoelectric) érzékelőket jó hatásfokuk, nagy tűrőképességük és működési elvük egyértelműsége miatt széles körben használják érintésmentes közelségérzékelésre a gyártási, ipari és kereskedelmi rendszerekben. Jellegzetes felhasználási területei közé tartozik a palackok vagy dobozok érzékelése a nagy sebességű gyártósorokon, a csomag hiányának vagy meglétének keresése a szállítódobozokban, ajtók nyitott vagy zárt helyzetének ellenőrzése, illetve az emberi jelenlét érzékelése.

Fotocellás közelségérzékelőket különböző optikai érzékelési módokhoz lehet tervezni, és egy jellegzetes használati mód az alapszintű fényvisszaverős felhasználás. A fotocellás érzékelők beállítása az egyszerű működési elv ellenére időigényes, többszöri próbálkozást igénylő feladat lehet az érzékelőalgoritmus inicializálása, finomhangolása és paramétereinek a felhasználási terület sajátosságaihoz való optimalizálása miatt, illetve egy másik gyártási folyamathoz való átállítás esetén. A rendszertervezőknek észszerűbb megoldásokra van szükségük, hogy elkerüljék az ilyen feladatokkal járó beállításokat és a késedelmes telepítéseket.

Ez a cikk röviden áttekinti a fotocellákkal kapcsolatos alapismereteket. Ezután bemutatja a SICK, Inc. néhány fotocellás közelségérzékelőjét, és ismerteti, hogyan használhatók azok egy egyedülállóan leegyszerűsített beállítási folyamattal.

A fotocellás érzékelés alapjai

A fotocellás közelségérzékelés alapeleme egy fényforrás, amelynek fénysugara szorosan fókuszáltan az érzékelendő tárgy felé irányul. Ezt a fénysugarat ezután háromféleképpen használják fel, attól függően, hogy a vevő hogyan érzékeli (1. ábra).

1. ábra: A fotocellás közelségérzékelés háromféle fizikai elrendezésben használhat egy fényforrásból kibocsátott fénysugarat és egy annak megfelelő fényérzékeny vevőt (ábra: Proximity Switch)

• A szórt fényvisszaveréses érzékelésnél az adó és a vevő egy házban van elhelyezve, és akkor jön létre az érzékelés, ha az adó fénysugara visszaverődik a vevőbe az érdeklődésre számot tartó tárgyról.
• A fényvisszavetős érzékelésnél az adó és a vevő szintén ugyanabban a házban van elhelyezve, de a fényvisszaverő elem (fényvisszavető) a céltárgy túloldalán helyezkedik el.
• Az áthaladó fénysugaras érzékelésnél a fényforrás (adó) és a fényérzékelő (vevő) a tárgy ellentétes oldalán helyezkedik el, és a tárgy úgy jelzi jelenlétét, hogy elzárja az adóból a vevőbe érkező fényt.

A fotocellás közelségérzékelés biztonsági célokra is használható, például a fényfüggönyök esetében, ahol ezeket az eszközöket stratégiailag fontos pontokra szerelik fel, és biztonsági kapuként szolgálnak (2. ábra). Akadály észlelésekor a fényfüggöny jelet küld egy vezérlőegységnek vagy egy vezetékes biztonsági áramkörnek, amely leállítja a gépet, ha nem várt vagy veszélyes objektum kerül be a védett területre.

2. ábra: A fotocellás közelségérzékelés többek között biztonsági fényfüggönyökben is használható (kép: SICK Inc.)

A fotocellás érzékelés vonzó, mivel logikus a működési elve és a fizikai elrendezése. A fényvisszaverős megoldások azért is kívánatosak, mert csak az egyik oldalon van szükség vezetékes eszközre, ami egyszerűsíti a telepítési logisztikát.

Egy új elrendezés és felhasználói felület számos nehézséget megoldott

Elvi egyszerűsége ellenére a fotocellás közelségérzékelés gondos helyszíni szerelést, telepítést és beállítást igényel. A fényzajos környezet nehézségeket jelenthet és lehangoló lehet a technikusok számára, a hatótávolság és a pontos célzás pedig befolyásolja a teljesítményt és a következetességet.

A fotocellás érzékelést gyakran PLC-vel (programmable logic controller, programozható logikai vezérlőegység) együtt használják. Gyakran előfordul, hogy a telepítőnek a fotocellás egységtől sokszor bizonyos távolságra lévő PLC-n kell elvégeznie a beállítást, tesztelnie, finomítania a beállítást, majd újra tesztelnie. Emellett a megvilágítás változásai, a nem kívánt és változó visszaverődések és a való életben előforduló egyéb torzító hatások is befolyásolhatják a teljesítményt és a pontosságot.

Az élesben futó folyamatok során felmerülő problémák különösen bosszantóak, és gyakran súlyosbítja őket a gyors javítás szükségessége jelentette nyomás.

Ezeknek a problémáknak a megoldására fejlesztette ki a SICK a W10 közelségérzékelők alkotta termékcsaládot (3. ábra).

3. ábra: A W10 sorozat azonnal használható, kifinomult fotocellás közelségérzékelőket kínál kis méretű, strapabíró házban (kép: SICK Inc.)

Ezek a készülékek azért is különösen figyelemre méltóak, mivel ezek az első ilyen, érintőképernyős kijelzővel ellátott fotocellás közelségérzék (4. ábra).

4. ábra: A W10 készülékek egyedülálló beépített érintőképernyője jelentősen megkönnyíti a velük végzett munkát (kép: SICK Inc.)

Ez a kijelzőfelület egyszerű használatot tesz lehetővé, segíti a gyors telepítést, és felgyorsítja az egyes felhasználási területekhez való hozzáillesztést. A kijelző elemei közti egyszerű mozgás csökkenti a készülék üzembe helyezéséhez szükséges időt, és megkönnyíti a használat közben a különböző célpontokhoz, sebességekhez és váratlan problémák esetén szükséges beállításokat. Emellett szükségtelenné teszi a fizikai kapcsolókat, gombokat és beállításokat a készüléken, így növelve a megbízhatóságot és a biztonságot, és javítva a burkolat sértetlenségét.

A W10 sorozat 1. osztályú lézerfényforrása pontos mérési eredményeket tesz lehetővé nagy ismétlési pontossággal. A fókuszált piros lézersugár egy kis fénypontot hoz létre a tárgyon, míg a gyors és pontos vevő lézeres háromszögelési rendszerrel és a vonalkódolvasáshoz hasonló kiértékelővonal-olvasással van kombinálva.

Ez a nagy ismétlési pontosságú mérési eredmények és a gyors döntések alapja. Nagy sebességű üzemmódban a válaszidő mindössze 1,8 ms (ezredmásodperc), így a megbízható kapcsolási viselkedés még nagy gépsebességnél is garantált. A kétszínű visszajelző LED-ek azonnali vizuális visszajelzést adnak az érzékelési állapotról. A készülékek ezenfelül stabil és megbízható érzékelést nyújtanak a különböző felületi jellemzőjű – például fényesség, szín, szerkezet stb. – tárgyak esetén is.

A fotocellás közelségérzékelők egyéni „betanítási” (tanulási) lehetőségeket kínálnak a különleges felhasználási területekhez illesztéshez. A szokásos egypontos betanítási mód mellett, amely adott távolságban lévő tárgyakat érzékel, a kétpontos betanítási mód lehetővé teszi a különböző magasságú tárgyak érzékelését is. A kézi üzemmód kibővíti a betanítási lehetőségeket, és még nagyobb rugalmasságot kínál. A kijelző segítségével három, az adott felhasználási területhez optimalizált üzemmód aktiválható, hogy szükség esetén lehetővé tegye az előtérben vagy a háttérben előforduló zavaró jelek elnyomását.

A beépített érintőképernyőn a kezelő logikus módon választhatja ki, állíthatja be és mentheti a sebesség, a normál vagy nagy pontosságú üzemmód, a környezetijel-elnyomás, az egyéni betanítási beállítások, az előre beállított paraméterek, valamint a határértékek értékeit. A W10 egyedülálló biztonsági képernyőzár funkciója megvédi a beállításokat a harmadik fél általi hozzáférésétől.

A felhasználói felület rugalmassága nem korlátozódik az érintőképernyőre: ugyanazok a funkciók a W10 IO-Link-funkcióval is elérhetők. Ez lehetővé teszi a távoli beállítást és az érzékelők által mért adatok hatékony bevitelét a meglévő automatizálási hálózatba.

Villamos beállítási lehetőségek és a W10 háza

A W10 érzékelőeszközök digitális kimenete is fontos tervezési szempont. Az egységek beállítható ellenütemű pnp/npn kimeneti struktúrát kínálnak. Ha a kimenet pnp típusra van állítva, akkor pozitív kimenőjelet ad ki, és az érzékelő kimenete áramforrásként szolgálhat egy áramnyelő (áramfelvevő) bemeneti kártyához. Ha a kimenet npn típusra van állítva, akkor a kimenőjel negatív lesz, és áramforrásként működő bemeneti kártyához csatlakoztatva a kimenet áramot tud elnyelni (fogadni) (5. ábra). Mindkét beállítás biztosítja az alapvető jelszintű kompatibilitást a PLC-vel vagy más rendszervezérlő egységekkel.

5. ábra: A W10 egységek kimeneti fokozata mind áramnyelő (sinking) (fent), mind áramforrás (sourcing) üzemmódot (lent) lehetővé tud tenni a kapcsolódó PLC-vel való kompatibilitás érdekében (ábra: www.realpars.com)

A kimenet fényre, illetve sötétre kapcsoló kimeneti üzemmódra állítható be. Fényre kapcsoló üzemmódban az érzékelő akkor ad ki jelet a kimenetén, ha a fény eljut a vevőbe, és akkor nem, ha valami elzárja a fényt útját. Ezzel szemben sötétre kapcsoló üzemmódban az érzékelő akkor ad ki jelet a kimenetén, ha valami elzárja a fényt útját, és akkor nem, ha a fény eljut a vevőbe.

A fizikai burkolat, azaz a ház is fontos, mivel ezeket a készülékeket jellemzően ipari környezetben használják. A W10 egységek strapabíró kialakításúak, 316L rozsdamentes acél házzal és IP67, illetve IP69k védettséggel. Ezek a készülékek 18 mm × 57 mm × 42,2 mm méretű házban kaphatóak, és –10°C és +55°C közötti a névleges üzemi környezeti hőmérsékletük.

Az ipari érzékelőkkel kapcsolatos egyik komoly nehézség az, hogy különböző készülékeket kell támogatniuk a különféle helyszíneken vagy a gyárban. Ez a tény megnehezíti a házon belüli leltározást és támogatást. A W10-es sorozat rugalmassága miatt azonban a termékcsaládból mindössze kétféle kialakítási változatra van szükség (6. ábra). Mindkét változat két érzékelési tartománnyal kapható, így összesen csak négy különböző típus közül lehet választani, ami leegyszerűsíti a kiválasztási folyamatot.

6. ábra: A W10 termékcsalád funkcióit tekintve hasonló egységei kétféle házban, két-két érzékelési tartománnyal kaphatóak (kép: SICK, Inc.)

A W10 sorozat 1133545 jelű típusa téglatest alakú házban kapható, és 25 mm és 400 mm közötti a tárgytávolsága, míg a hasonló kialakítású 1133547 jelű típus esetében a tárgytávolság 25 mm – 700 mm. A hibrid telepítésekhez a 1133544 jelű típus M18-as menetes furatba rögzíthető elöl, illetve oldalt, a tárgytávolsága 25 mm és 400 mm közötti, az 1133546 jelű W10-es típus pedig ugyanilyen házkialakítású, de 25 mm – 700 mm közötti tárgytávolsággal.

Összegzés

A W10 fotocellás érzékelőegységek sokoldalú, strapabíró, szórt fényvisszaveréses technikát használó készülékek ipari felhasználási területekre. Korszerű funkcióik közé tartozik az iparág első beépített érintőképernyős felhasználói felülete, amely leegyszerűsíti a telepítést, a kezdeti beállítást és a finombeállítást, míg kifinomult algoritmusaik jobb képességekkel ruházzák fel őket, és nagyobb pontosságot tesznek lehetővé.