Czujniki światłowodowe w systemach automatyki przemysłowej

Stwierdzenie obecności części przenośnika na zautomatyzowanej linii, uzyskanie informacji o działaniu urządzenia oświetleniowego, zarządzanie zwartą, ale wydajną maszyną.. Wszędzie wymagane jest minimum błędów w sterowaniu procesem, a w przypadku awarii występuje, ważne jest, aby znać przyczynę awarii, aby błędy nie powtórzyły się w przyszłości, ponieważ nowoczesne procesy technologiczne nie tolerują złej jakości. Tutaj na ratunek przychodzą czujniki.

Istnieje wiele rodzajów czujników: magnetyczne, indukcyjne, fotoelektryczne, pojemnościowe — każdy z nich ma swoje zalety i wady. Fotowoltaika jest jedną z najbardziej wszechstronnych. Oto laser i podczerwień, pojedyncza wiązka i refleksyjne. Ale przyjrzymy się czujnikom optycznym, ponieważ mają one najszersze możliwości konfiguracyjne i idealnie nadają się nawet do najtrudniej dostępnych miejsc.

Optyczny czujnik optyczny podzielony jest na parę urządzeń: optyczny wzmacniacz fotowoltaiczny oraz kabel optyczny z głowicą optyczną. Kabel przepuszcza światło ze wzmacniacza.

Zasada jest prosta.Nadajnik i odbiornik współpracują ze sobą: odbiornik wykrywa falę świetlną emitowaną przez nadajnik. Technologicznie proces ten przebiega na różne sposoby: śledzenie kąta fali świetlnej, pomiar ilości światła lub pomiar czasu powrotu fali świetlnej w celu zmierzenia odległości do obiektu.

Źródło optyczne i odbiornik mogą być umieszczone po prostu w głowicy (zespoły rozpraszające lub refleksyjne) lub mogą być wykonane oddzielnie — dwie głowice (pojedyncze wiązki). Głowica czujnika światłowodowego zawiera elektronikę wewnątrz, podczas gdy odbiornik jest połączony z elektroniką bezpośrednio przez światłowód. Odebrane i transmitowane fale przechodzą przez światłowód w sposób podobny do szybkiej transmisji danych w sieciach optycznych.

Zaletą tej separacji jest to, że odbiornik montowany jest na mierzonym obiekcie. Kabel światłowodowy jest poprowadzony i podłączony do wzmacniacza, który znajduje się w specjalnej szafie sterowniczej, która chroni wzmacniacz przed często trudnymi warunkami zewnętrznymi zakładu produkcyjnego. Wybór opcji jest zróżnicowany. Wzmacniacze są proste i złożone, w szczególności wielofunkcyjne, z możliwością wykonywania operacji logicznych i przełączających.

Podstawowy zestaw światłowodowych wzmacniaczy sensorycznych ma minimum elementów elektronicznych i funkcjonalności, a najbardziej zaawansowane to plug-and-play, a elektronika jest całkowicie dostosowana. Niektóre elektroniczne czujniki są w stanie obsłużyć więcej niż 10 włókien wejściowych. Oczywiście jest też wskazanie. Wskaźniki pokazują, czy czujnik działa prawidłowo. Posiada również inne funkcje.

Interfejs kontrolera jest określony przez format wyjściowy.Tutaj przedstawiono zarówno konfigurację czujnika, jak i reset wzmacniacza. Wyjścia są normalnie rozwarte, normalnie zwarte, kolektor, emiter, push. Połączenia wykonuje się kablem wielożyłowym. Programowanie odbywa się za pomocą przycisków lub po prostu potencjometru.

Dodatkową elastyczność zapewniają takie opcje czujników jak: opóźnienie włączania/wyłączania, wyjścia impulsowe, eliminacja sygnałów przerywanych, — dla uzyskania większej swobody w uszczegóławianiu i dostosowywaniu parametrów wzmacniacza w zależności od indywidualnych wymagań procesu produkcyjnego. Opóźnienia pozwalają opóźnić reakcję ciała roboczego, przerywanie sygnałów służy jako znak, że warunki pracy zostały naruszone. Wszystko jest spersonalizowane.

Diodowa sygnalizacja stanu wyjścia lub obecność wyświetlacza z informacją o sygnałach i stanach wyjść to zaawansowane opcje umożliwiające diagnostykę i programowanie przetwornika w terenie.

Do bardziej stabilnych pomiarów w zmieniającym się środowisku odpowiedni jest czujnik o zwiększonej częstotliwości próbkowania i filtrowaniu sygnału. Chociaż urządzenie będzie nadal działać z niską częstotliwością dla sterowników PLC przyda się. Opóźnienia włączania/wyłączania pomagają dopasować sygnały wyjściowe i wejściowe.

Zastosowanie bloków pomocniczych rozszerzy możliwości programowania np. można dostosować czułość elementu pomiarowego podczas pracy ze specjalnymi materiałami jak szkło czy programy do wyłączania/włączania pomiędzy punktami przełączania: śledzenie położenia przedmiotu obrabianego i jego usytuowanie w przestrzeni.

Piękno kabli światłowodowych polega na tym, że zamiast prądu przesyłają światło.Możliwe są konfiguracje z różnych materiałów, z różnymi stopniami czułości głowicy.

Dyfuzyjny kabel światłowodowy składa się z pary ścianek, z których jedna idzie do wzmacniacza, a druga do głowicy czujnikowej. Jednocześnie do czułej głowicy podłączone są dwa kable — jeden do źródła światła, drugi do elektroniki.

Jednowiązkowy kabel światłowodowy zawiera parę identycznych kabli, z których każdy jest podłączony do wzmacniacza i ma własną głowicę optyczną. Jeden kabel służy do przesyłania światła, a drugi do odbioru.

Same włókna są zwykle szklane lub plastikowe. Plastik — cieńszy, tańszy, bardziej elastyczny. Szkło jest mocniejsze i może pracować w wyższych temperaturach. Plastik można ciąć na wymiar, ale szkło tnie się tylko na etapie produkcji. Osłona włókna — od wytłaczanego plastiku po wytrzymały oplot ze stali nierdzewnej.

Najważniejszą rzeczą przy wyborze czujnika optycznego jest wybór odpowiedniej głowicy optycznej. W końcu to właśnie z czułością głowy związana jest dokładność wykrywania części, czy to małych, nieruchomych, czy ruchomych. Pod jakim kątem odbiornik i nadajnik będą ustawione względem obiektu, jaka jest dopuszczalna dyspersja. Czy okrągła wiązka włókien jest wymagana do wytworzenia okrągłej wiązki, czy rozszerzona wiązka do wytworzenia projekcji poziomej.

Jeśli chodzi o wiązki kołowe, w głowicy dyfuzyjnej mogą one być równomiernie rozgałęzione ze wszystkimi włóknami wyjściowymi na jednej połowie i włóknami odbiorczymi na drugiej. Ten projekt jest powszechny, ale może powodować opóźnienie podczas odczytu informacji z części poruszającej się pod kątem prostym do linii rozwidlenia.

Jednolity rozkład włókien źródła i odbiornika skutkuje bardziej równomiernymi wiązkami. Jednolite wiązki pozwalają wyrównać efekty wysyłania i odbierania fal, a detekcja zakończy się niezależnie od kierunku ruchu obiektu.

Rodzaj głowicy optycznej, długość kabla i wzmacniacz mają znaczący wpływ na optyczną odległość widzenia. Trudno jest podać dokładne oszacowanie, ale producenci wskazują te dane. Czujnik z pojedynczą wiązką ma większy zasięg niż czujnik rozproszony. Dłuższe włókna, krótszy zasięg. Lepszy wzmacniacz — mocniejszy sygnał, większy zasięg.

Rozproszone I/O jest coraz częściej stosowane w automatyce przemysłowej i możliwe jest podłączenie wielu kabli z czujników optycznych do jednego rozdzielacza.

Wzmacniacze optyczne są często samodzielnymi, jednokanałowymi urządzeniami montowanymi na szynie DIN, łatwymi do montażu na panelu, a jedyną wadą jest prowadzenie połączeń z poszczególnych wzmacniaczy.

Kolektor może grupować wiele kanałów optycznych w jedno centrum sterowania: kolektory są wyposażone w wyświetlacze sterowane menu, a każdy kanał jest indywidualnie programowany. Skonfigurowane kanały mogą być wykorzystywane przez logikę AND/OR, co znacznie upraszcza sterowanie PLC.

Zastosowanie światłowodów dobrze sprawdza się w systemach pracujących w warunkach dużego szumu elektrycznego. Światłowody nie przenoszą zakłóceń elektrycznych, a wzmacniacz elektroniczny jest chroniony obudową. Małe linie montażowe ze zautomatyzowaną detekcją części na przenośnikach w procesie montażu urządzeń to kolejne bardzo obiecujące i już dość rozpowszechnione zastosowanie czujników optycznych.

Głowice o różnej orientacji, różnej wielkości, różnej dyspersji, aby zapewnić pożądany stopień dokładności ogniskowania, niezależnie od wielkości sensora — wszystko to wraz z logiką sterowania otwiera ogromny potencjał możliwości. Na przykład jeden czujnik wykrywa obecność części, na której rozpoczyna się montaż, a drugi potwierdza zakończenie montażu.

Niezależnie od zastosowania ważne jest również dobranie czujnika i głowicy o parametrach odpowiednich do wymaganej przez użytkownika aplikacji: w zakresie rozpraszania, odległości, próbkowania, opcji w zakresie ustawień i programowania.

Jedynym minusem jest to, że nie można nadmiernie wygiąć włókien. Konieczne jest zgięcie trochę więcej, a nastąpi nieodwracalne odkształcenie plastyczne włókien, przepustowość spadnie lub całkowicie zniknie. Dopuszczalny promień gięcia zależy od rodzaju włókna oraz rozmiaru i rozmieszczenia włókien w wiązce. Te cechy należy wziąć pod uwagę przy wyborze czujnika do swojej aplikacji.