Använda avancerade fotoelektriska enheter för att förenkla utbyggnaden av närhetsavkänning

Fotoelektriska (PE) sensorer används ofta för beröringsfri närhetsavkänning i vid tillverkning, inom industrin och i kommersiella system tack vare deras effektivitet, robusthet och tydliga funktionsprinciper. Typiska tillämpningar är detektering av flaskor eller burkar på en tillverkningslinje med hög hastighet, närvarodetektering av paket i en transportlåda, kontroll av om en dörr är öppen eller stängd eller detektering av mänsklig närvaro.

Närhetssensorer av fotoelektrisk typ kan utformas för olika optiska avkänningssätt, och det grundläggande retroreflekterande tillvägagångssättet är ett typiskt arrangemang. Trots den enkla funktionsprincipen kan en installation av en fotoelektrisk sensor behöva tidskrävande tester för att initialisera, finjustera och optimera konfigurationen och avkänningsalgoritmen för tillämpningen, eller för justera om den för en annan tillverkning. Systemkonstruktörer behöver en effektivare lösning för att undvika den konfiguration som krävs och försenade driftsättningar.

Artikeln ger en kort översikt av de grundläggande kraven för fotoelektriska sensorer. Därefter presenteras fotoelektriska närhetssensorer från SICK, Inc. och man visar hur dessa kan tillämpas med en unik förenklad installationsprocess.

Grunderna inom fotoelektrisk avkänning

Fotoelektrisk närhetsavkänning bygger på en ljuskälla med en starkt fokuserad stråle som riktas mot det objekt som ska kännas av. Ljusstrålen används sedan på ett av tre sätt beroende på hur mottagaren känner av den (figur 1).

Figur 1: Fotoelektrisk närhetsavkänning kan använda en utskickad ljusstråle och motsvarande ljuskänslig mottagare i tre fysiska arrangemang. (Bildkälla: Proximity Switch)

• Vid diffust reflekterande avkänning är sändaren och mottagaren placerade i samma kapsling och avkänningen sker när ljusstrålen från sändaren studsar mot föremålet av intresse.
• Vid retroreflekterande avkänning är sändaren och mottagaren också placerade i samma kapsling, men med reflektorn på motsatt sida av det föremål som är målet.
• Vid genomstrålande avkänning sitter fotosensorn på andra sidan av föremålet och föremålet är närvarande när det blockerar ljuset från sändaren till mottagaren.

Fotoelektrisk närhetsavkänning kan även användas för säkerhetsändamål, t.ex. som ljusbarriärer eller ljusridåer, där enheterna monteras strategiskt och fungerar som säkerhetsbarriärer (figur 2). När ett hinder upptäcks skickar ljusbarriären en signal till en styrenhet eller en fast ansluten säkerhetskrets som stänger av maskinen om hindret är oväntat eller farligt.

Bild 2: Närhetsavkänning kan användas i en säkerhetsrelaterad ljusbarriär eller ridå. (Bildkälla: SICK, Inc.)

Fotoelektrisk avkänning är attraktivt eftersom det använder en intuitiv funktionsprincip och ett fysiskt arrangemang. De reflekterande metoderna är även önskvärda eftersom de kräver en kabelansluten enhet på endast en sida, vilket förenklar logistiken vid installation.

En ny design och ett nytt användargränssnitt löser många utmaningar

Trots sin konceptuella enkelhet kräver närhetsavkänning med fotosensorer en noggrann montering, installation och justering på fältet. Miljöer som är visuellt stökiga kan vara utmanande och frustrerande för tekniker, och överväganden om räckvidd och justering påverkar prestanda och konsekvens.

Fotoelektrisk avkänning används ofta tillsammans med en programmerbar logisk styrenhet (PLC). Installatören måste ofta installera, testa, justera och testa igen vid PLC:n, som kan vara placerad på avstånd från den fotoelektriska enheten. Dessutom kan variationer i belysning, oönskade och föränderliga reflexer och andra förvrängningar i verkligheten påverka prestanda och noggrannhet.

Problem som uppstår under produktionskörningar är särskilt besvärliga och förvärras ofta av att det är bråttom att lösa dem snabbt.

För att lösa dessa problem har SICK utvecklat familjen W10 med närhetssensorer (figur 3).

Figur 3: Serien W10 består av kompletta, sofistikerade fotoelektriska närhetssensorer i ett kompakt, robust hölje. (Bildkälla: SICK, Inc.)

Enheterna är särskilt anmärkningsvärda för att de var de första enheterna med en pekskärm (figur 4).

Bild 4: Den unika integrerade pekskärmen i enheterna W10 ger en väldigt förbättrad användarupplevelse. (Bildkälla: SICK, Inc.)

Detta displaygränssnitt är enkelt att använda, har stöd för snabb installation och påskyndar anpassningen för respektive tillämpning. Den enkla navigeringen minskar den tid det tar att driftsätta enheten och underlättar justeringar vid användning för olika mål, hastigheter eller oväntade problem. Det eliminerar även behovet av fysiska omkopplare, vred och justeringar på enheten, vilket förbättrar tillförlitligheten, kapslingens integritet och säkerheten.

Laserljuskällan i klass 1 hos W10-serien ger exakta avkänningsresultat med hög upprepad noggrannhet. Den fokuserade röda laserstrålen producerar en liten ljuspunkt på ett objekt och kombineras med ett snabbt och exakt trianguleringssystem med mottagarlasern och linjeskanning för utvärdering.

Detta är grunden för avkänningsresultat med hög upprepad noggrannhet och snabba beslut. I hastighetsläge är svarstiden bara 1,8 ms, vilket innebär att tillförlitlig växling garanteras även vid höga maskinhastigheter. Lysdiodindikeringar med två färger ger omedelbar visuell återkoppling om avkänningens status. Enheterna har dessutom en robust och tillförlitlig avkänning av föremål med olika ytegenskaper, som t.ex. glans, färg eller struktur.

De fotoelektriska närhetssensorerna har individuella "inlärnings"-alternativ för specifika anpassningar. Förutom den vanliga inlärningen med en punkt, som känner av föremål på ett definierat avstånd, finns ett inlärningsläge med två punkter, som möjliggör avkänning av föremål på olika höjder. Ett manuellt läge utökar inställningsmöjligheterna och ger ännu mer flexibilitet. Tre tillämpningsoptimerade driftlägen kan aktiveras med hjälp av displayen för att möjliggöra dämpning av för- och bakgrund vid behov.

Från den integrerade pekskärmen kan operatören intuitivt välja, justera och spara inställningar för hastighet, standarddriftläge eller precisionsdriftläge, omgivningsdämpning, inställningar för individuell inlärning, förkonfigurerade parametrar och gränsvärden. Den unika funktionen för säkerhetslås på skärmen i W10 skyddar inställningarna mot åtkomst från tredje part.

Användargränssnittets flexibilitet är inte begränsad till pekskärmen: samma funktioner går att nå funktionen för IO-Link i W10. Det ger möjlighet till fjärrkonfiguration och effektiv integration av registrerade sensordata i ett befintligt automationsnätverk.

Elektriska alternativ och kapslingar för W10

Den digitala utgången från sensorenheterna W10 är en viktig faktor vid konstruktion. Enheterna har en uppbyggnad med PNP/NPN-utgångar och push/pull. Om utgången är inställd som PNP har den en positiv utgångssignal och sensorns utgång kan ge ström till ett strömsänkande ingångskort; om sensorn är inställd på NPN är utgångssignalen negativ och utgången kan ge ström till ett strömgivande ingångskort (figur 5). Båda alternativen garanterar grundläggande kompatibilitet på signalnivå med en PLC eller andra systemstyrenheter.

Figur 5: W10-enheternas utgångssteg kan både ta ström (överst) och ge ström (nederst) för att garantera kompatibilitet med den tillhörande PLC:n. (bildkälla: www.realpars.com)

Utgången kan konfigureras för ljust eller mörkt läge (ljust-på eller mörkt-på). I ljust läge är sensorns utgång på när ljuset kan nå mottagaren och av när ljuset blockeras. I mörkt läge är sensorns utgång på när ljuset blockeras och av när ljuset kan nå mottagaren.

Den fysiska kapslingen är viktig eftersom dessa enheter vanligtvis används i industriella miljöer. W10-enheterna har en robust konstruktion med en kapsling av rostfritt stål 316L och skyddsklassificeringarna IP67 och IP69k. De finns i en kapsling med måtten 18 × 57 × 42,2 mm och är specificerade för drift i ett omgivande temperaturområde på -10 °C till +55 °C.

En av utmaningarna med industriella sensorer är behovet av att kunna stödja olika enheter på fältet eller i fabriken. Denna verklighet komplicerar den interna lagerhanteringen och supporten. Men tack vare W10-seriens flexibilitet behöver familjen bara två modeller (figur 6). Var och en av dessa har två avkänningsområden vilket resulterar i endast fyra olika modeller, något som förenklar urvalsprocessen.

Figur 6: Enheterna i W10-familjen med liknande funktioner, finns i två olika modeller, var och en med två avkänningsområden. (Bildkälla: (SICK, Inc.))

W10-seriens modell 1133545 finns i en rektangulär kapsling med ett standardhål på 1 tum och ett avstånd till föremålet på 25 till 400 mm, medan den liknande modellen 1133547 har stöd för ett avstånd till föremålet på 25 till 700 mm. För hybridinstallationer har modell 1133544 ett gängat M18-monteringshål på framsidan eller på sidan med ett avstånd till föremålet på 25 till 400 mm, och motsvarande W10-modell 1133546 har samma kapsling men med ett avstånd till föremålet på 25 till 700 mm.

Sammanfattning

De fotoelektriska sensorenheterna W10 är mångsidiga och robusta lösningar för diffus reflektering i industriella tillämpningar. De avancerade funktionerna inkluderar branschens första användargränssnitt med inbyggd pekskärm, vilket förenklar installation, inställning och justering, medan de sofistikerade algoritmerna ger förbättrad kapacitet och noggrannhet.