Pneumatische Präzisionsdrucküberwachung für Robotik und industrielle Anwendungen

Die präzise Drucküberwachung mittels pneumatischer Sensoren ist für verschiedene Anwendungen in der Robotik und der industriellen Steuerung von entscheidender Bedeutung. Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen Drucküberwachungsgeräte über eine ausgezeichnete Über- und Unterdruckfestigkeit verfügen und sollten eine Messzelle enthalten, die unempfindlich gegenüber Flüssigkeiten oder Ablagerungen ist.

Neben dem präzisen und robusten Betrieb ist die Anwendungsflexibilität ein wesentliches Merkmal, das die Erstinstallation beschleunigen und Konfigurationsänderungen unterstützen kann, was eine Massenanpassung in der Industrie 4.0 ermöglicht.

Der Monitor sollte über ein leicht ablesbares Display zur schnellen Statuskontrolle, programmierbare Ausgänge für Alarme und eine lokale Einrichtung und Bedienung über integrierte Drucktasten verfügen. IO-Link wird für die digitale Datenübertragung zur Prozessfernüberwachung und -konfiguration benötigt. In einigen Installationen ist ein Analogausgang von Vorteil.

Durch die Unterstützung mehrerer Montagekonfigurationen kann die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Systemdesigns gewährleistet werden.

Dieser Artikel stellt die Präzisionsdruckmonitore der Serie PQ von ifm Efector (ifm) vor und zeigt auf, wie sie die vielfältigen Anforderungen an Pneumatik- und Druckluftsysteme in einer Vielzahl von Industrie- und Robotikanwendungen erfüllen.

Benutzerschnittstelle

Die visuelle Schnittstelle ist ein Hauptmerkmal der PQ-Serie. Sie verfügt über ein 1-Zoll-TFT-Farbdisplay, Schaltpunkt-LEDs und Schalter zum Ändern der Anzeige und Einstellen der Parameter. Der primär gemessene Prozesswert ist der Druck, der in verschiedenen Einheiten angezeigt werden kann, darunter bar, psi oder kPa. Das Vakuumniveau kann auch als Prozentsatz des Sollwerts dargestellt werden.

Das Display kann den Konfigurations-Sollwert (SP) und den Rücksetzpunkt (rP) für die digitalen Ausgänge anzeigen. Schaltpunkte werden mit LEDs signalisiert. Bei Modellen mit analogem Ausgang kann das Display verwendet werden, um den analogen Startpunkt (z.B. 4 mA) und Endpunkt (z.B. 20 mA) für die Skalierung des Signals einzustellen und anzuzeigen. Die Benutzeroberfläche umfasst mehrere Elemente (Abbildung 1):

1. Schaltzustands-LED leuchtet, wenn Ausgang 1 aktiv ist
2. Schaltzustands-LED leuchtet, wenn Ausgang 2 aktiv ist
3. TFT-Anzeigeelemente:
   1. Gerätestatus
   2. Prozesswert. Die Anzeige kann von einer Standardfarbe (grün) auf eine alternative Farbe (rot) umgeschaltet werden, so dass visuell deutlich wird, wenn sich der Prozesswert in oder außerhalb eines akzeptablen Bereichs bewegt.
   3. Diagnose- und Leistungsinformationen, wie z. B. die Anzahl der Schaltzyklen und der niedrigste bzw. höchste aufgezeichnete Druck. In Abbildung 2 zeigt Hi.P den höchsten gemessenen Wert für den Druck an.
4. Tasten für die Display-Konfiguration und Parametereinstellung

Abbildung 1: Aufbau der Benutzeroberfläche der PQ-Serie. (Bildquelle: ifm)

Die PQ-Serie ist mit und ohne konfigurierbarem Analogausgang erhältlich. PQS-Modelle, wie der PQS812, haben zwei digitale Ausgänge, während PQC-Modelle, wie der PQC812, zusätzlich zu den beiden digitalen Ausgängen einen konfigurierbaren Analogausgang haben. Der Analogausgang der PQC-Modelle kann zum Senden eines proportionalen Signals verwendet werden.

Maschinen- und Automatisierungsingenieure können Geräte mit bestimmten Messbereichen auswählen. Die Messbereiche des PQS812 und PQC812 reichen von -1 bar bis 10 bar (-100 kPa bis 1000 kPa, -14,5 psi bis 145 psi). Die Modelle PQS816 und PQC816 sind für Niederdruck- und Vakuumanwendungen mit Messbereichen von -1 bis 1 bar (-100 bis 100 kPa, -14,5 bis 14,5 psi) ausgelegt. Für Anwendungen, die nur eine Vakuummessung erfordern, eignen sich die Modelle PQS819 und PQC819 mit Messbereichen von -1 bar bis 0 bar (-100 kPa bis 0 kPa, -14,5 psi bis 0 psi).

Die Druckluftaufbereitung ist ein gängiger Vorgang in pneumatischen Systemen. Dabei werden Verunreinigungen wie Feuchtigkeit, Öl und Schmutz aus der Druckluft entfernt, um pneumatische Geräte zu schützen, die Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten und die Produktqualität zu erhalten.

Die PQ-Serie eignet sich besonders für Druckluftaufbereitungsanlagen, da die beschichtete und versiegelte Siliziummesszelle ihre Leistung auch bei mit Wasser, Staub oder Öl verunreinigter Luft beibehält.

Die Drucksensoren der Serie PQ werden häufig für Vakuum-Greifanwendungen eingesetzt. Diese Anwendungen können mehrere Aufnahme-Effektoren umfassen. Der rot/grüne Farbwechsel des Displays bietet dem Bediener eine übersichtliche Visualisierung der Prozesswerte jeder Aufnahme (Abbildung 2).

Abbildung 2: Diagramm der Druckmonitore der Serie PQ in einer Vakuum-Greifanwendung, die einen Greifer mit zu niedrigem Vakuum zeigt (rote Anzeige). (Bildquelle: ifm)

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Die Drucksensoren PQ Cube eignen sich für eine Vielzahl von pneumatischen Anwendungen, wie z. B. Lebensmittel- und Getränkeverpackungen, industrielle Palettiermaschinen, die Herstellung von Haushaltsgroßgeräten und vieles mehr.

In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie werden Packungsversiegelungen mit einem Vakuumgreifer positioniert. Bei diesen Verpackungsmaschinen ist die Schutzart IP65 ein wichtiges Merkmal. Sie zeigt an, dass der Sensor gegen Niederdruckwasserstrahlen aus jeder Richtung geschützt ist.

Um eine optimale Leistung zu erzielen, sollten die Sensoren in Lebensmittel- und Getränkeverpackungsmaschinen so nah wie möglich am Vakuumgreifer positioniert werden, wobei kurze Schlauchlängen zu verwenden sind. Dadurch befindet sich der Sensor im Reinigungsbereich der Maschine und ist Spritzwasser und Reinigungschemikalien ausgesetzt, denen der PQ Cube ohne Leistungs- und Zuverlässigkeitseinbußen problemlos widerstehen kann.

Die Vakuum-Greiftechnik ist auch ein Schlüsselelement der Roboter-Palettieranlagen. Die pneumatischen Sensoren PQ Cube stellen genau und schnell fest, ob ein ausreichendes Vakuum zum Greifen eines Kartons vorhanden ist. Erst wenn der Karton richtig gegriffen ist, wird er von der Maschine auf dem Palettierer in Position gebracht (Abbildung 3).

Abbildung 3: Palettiermaschine mit der Position der PQ-Cube-Sensoren (mittleres Bild). Der Sensor auf der linken Seite hat eine rote Anzeige, die einen Zustand außerhalb der Spezifikation anzeigt. (Bildquelle: ifm)

Bei Haushaltsgroßgeräten, wie z. B. Geschirrspülern, kann es Dutzende oder sogar Tausende von Modellvarianten in Bezug auf Größe, Form, Farbe und technische Merkmale geben. Bei einer so großen Vielfalt an Bauteilen ist der Einsatz von Vakuumgreifern notwendig, um eine effiziente und reibungslose Produktion zu gewährleisten.

Der Greifer muss mit einem bestimmten Prozessdruck betätigt werden, um empfindliche Bauteile zu fixieren, ohne sie zu beschädigen, und sie dann bei der Montage schnell zu platzieren und wieder zu lösen. Die Reaktionszeit von 6 ms und die hohe Präzision der PQ-Cube-Sensoren sind wichtige Merkmale für diese Roboteranwendungen.

Diese Maschinen verwenden häufig zwei PQ-Cube-Sensoren. Einen für die Bestückung der Komponenten und einen weiteren für eine Wartungseinheit, die den Gesamtdruck des Pneumatiksystems überwacht und zwei Roboter-Montagestationen versorgt.

Sonderanfertigung der Maschine

Die Anwendungsflexibilität der PQ-Sensoren erstreckt sich auch auf den Maschinenbau. Das Gerät kann mit dem Montagesatz E30574 in Schalttafeln eingebaut werden. Der Adapter E30576 für die Wandmontage ist eine weitere Option, ebenso wie der Montagesatz E30575 für Hutschienen.

Der Sensor kann auch ohne Montagesatz mit zwei Zylinderschrauben an einer Schalttafel befestigt werden. Dazu werden zunächst die Zylinderschrauben in die Platte geschraubt, dann wird das Gerät aufgesetzt und nach unten verriegelt.

Das ist noch nicht alles. Durch den Anschluss beider Prozessanschlüsse an Rohrleitungen können PQ-Sensoren ohne zusätzliche Adapter als pneumatische Verteiler eingesetzt werden. Bei anderen Anwendungen ermöglicht die Verwendung eines der beiden Anschlüsse am Sensor eine flexible Installation an einem Rohr, so dass eine präzise Drucküberwachung möglich ist, wobei der nicht verwendete Anschluss mit einem Verschlussstopfen verschlossen wird.

Bei der Installation von Maschinen mit PQ-Sensoren können die Techniker den Installationsassistenten nutzen, um den Prozess zu beschleunigen. Der Assistent kann über die integrierten Tasten am Gerät ausgeführt werden. Er ist in neun Sprachen verfügbar und führt durch den Einrichtungs- und Installationsprozess, indem er eine Reihe von Fragen stellt. Die Installation kann auch über IO-Link erfolgen.

IO-Link steigert die Produktivität

IO-Link ermöglicht die digitale Vernetzung über die Maschine hinaus zu übergeordneten Feldbussen, beschleunigt die Installation und Inbetriebnahme neuer Maschinen oder Ersatz-PQ-Sensoren und unterstützt Konfigurationsänderungen in bestehenden Maschinen sowie die zentrale Leistungsüberwachung und Diagnose.

Bei IO-Link-Verbindungen wird ein standardmäßiges 3-adriges Sensor-/Aktorkabel verwendet. Der PQ Cube lässt sich mit einem IO-Link-Master verbinden, der eine übergeordnete Vernetzung, typischerweise über ein industrielles Ethernet-Protokoll, zu Geräten wie speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs), einschließlich Flachbildschirmen, bietet.

IO-Link verbessert die Performance der Geräte der PQ-Serie, indem es eine robuste digitale Kommunikation ermöglicht, hochauflösende Daten liefert und eine erweiterte Diagnose unterstützt. Anstatt sich auf herkömmliche Analogsignale oder die Standard-I/O-Schnittstelle (SIO) zu verlassen, bietet IO-Link eine höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit (Abbildung 4). SIO ist die grundlegende Fähigkeit, als binär schaltender Sensor zu arbeiten.

Abbildung 4: Beispiel für SIO- und IO-Link-Kommunikation an Pin 4 (Bildquelle: ifm)

Der integrierte Speicher dieser Sensoren kann Betriebsstunden und bis zu 20 Ereignisse speichern, z. B. Druckspitzen, die einen benutzerdefinierten Schwellenwert überschreiten. Zusätzlich kann die Systemtemperatur zusammen mit den Druck- und Prozesswerten übertragen werden, was eine vorausschauende Wartung ermöglicht.

Die ifm-Software moneo unterstützt die Fernkonfiguration und -anpassung der Sensoreinstellungen. Im seltenen Fall eines Geräteausfalls kann die moneo-Software automatisch die notwendige Konfiguration auf den Ersatzsensor übertragen und so die Ausfallzeit minimieren.

Fazit

Die PQ-Cube-Sensoren von ifm zeichnen sich durch eine robuste Bauweise, eine benutzerfreundliche Bedienung, vielseitige Kommunikationsmöglichkeiten und eine flexible Installation aus und sind damit ideal für eine Vielzahl von pneumatischen Anwendungen. Sie verfügen über schnelle Reaktionszeiten, hohe Präzision und moderne Funktionen, die in der Industrie-4.0-Automatisierung und in Robotersystemen benötigt werden.

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