Geavanceerde foto-elektrische apparaten gebruiken om de implementatie van nabijheidsdetectie te vereenvoudigen

Foto-elektrische (PE) sensors worden veel gebruikt voor contactloze nabijheidsdetectie in productie-, industriële en commerciële systemen vanwege hun doeltreffendheid, robuustheid en duidelijke werkingsprincipes. Typische toepassingen zijn het detecteren van flessen of blikjes op een productielijn met hoge snelheid, het zoeken naar de afwezigheid of aanwezigheid van een verpakking in een verzenddoos, het controleren op een open of gesloten deur of het detecteren van menselijke aanwezigheid.

PE-nabijheidssensors kunnen worden ontworpen voor verschillende optische detectiemodi en de retro-reflectieve basisbenadering is een typische opstelling. Ondanks het eenvoudige werkingsprincipe kan het instellen van een PE-sensor tijdrovend uitproberen vereisen om de configuratie en het detectiealgoritme te initialiseren, fijn af te stellen en te optimaliseren voor de specifieke toepassing, of opnieuw in te stellen voor een andere productierun. Systeemontwerpers hebben een meer gestroomlijnde oplossing nodig om de bijbehorende setup en vertraagde implementaties te vermijden.

Dit artikel geeft een kort overzicht van de basisbeginselen van PE. Vervolgens worden de PE-nabijheidssensors van SICK, Inc. geïntroduceerd en wordt getoond hoe ze kunnen worden toegepast via een uniek vereenvoudigd installatieproces.

Basisprincipes PE-detectie

PE-nabijheidsdetectie maakt gebruik van een lichtbron met een strak gerichte bundel die op het te detecteren object wordt gericht. Deze lichtstraal wordt vervolgens op een van de volgende drie manieren gebruikt, afhankelijk van hoe hij door een ontvanger wordt gedetecteerd (Afbeelding 1).

Figuur 1: PE-nabijheidsdetectie kan gebruikmaken van een uitgezonden lichtstraal en een overeenkomstige lichtgevoelige ontvanger in drie fysieke opstellingen. (Bron afbeelding: Proximity Switch)

• Bij diffuse-reflectieve detectie bevinden de zender en ontvanger zich bij elkaar en vindt detectie plaats wanneer de lichtstraal van de zender weerkaatst op het object van interesse.
• Bij retroreflectieve detectie bevinden de zender en ontvanger zich ook in dezelfde behuizing, maar met de reflector aan de andere kant van het doelobject.
• Bij zender-ontvangerdetectie bevindt de fotosensor zich aan de andere kant van het object en het object geeft zijn aanwezigheid aan door het licht van de zender naar de ontvanger te blokkeren.

PE-nabijheidsdetectie kan ook worden gebruikt voor veiligheidsdoeleinden, zoals lichtbarrières of lichtschermen, waarbij deze apparaten strategisch worden gemonteerd en als veiligheidshekken dienen (Afbeelding 2). Wanneer een obstructie wordt gedetecteerd, stuurt de fotocel een signaal naar een controller of een bekabeld veiligheidscircuit dat de machine uitschakelt als de obstructie onverwacht of gevaarlijk is.

Afbeelding 2: Nabijheidsdetectie kan worden gebruikt in een lichtbarrière of lichtscherm voor veiligheid (Bron afbeelding: SICK, Inc.)

PE-detectie is aantrekkelijk omdat het gebruik maakt van een intuïtief werkingsprincipe en een fysieke opstelling. De reflecterende benaderingen zijn ook wenselijk omdat ze slechts aan één kant een bedraad apparaat vereisen, wat de installatielogistiek vereenvoudigt.

Een nieuw ontwerp en een nieuwe gebruikersinterface lossen veel uitdagingen op

Ondanks de conceptuele eenvoud vereist PE-nabijheidsdetectie zorgvuldige montage, installatie en uitlijning. Visueel lawaaiige omgevingen kunnen uitdagend en frustrerend zijn voor technici, en overwegingen met betrekking tot bereik en mikpunt beïnvloeden de prestaties en consistentie.

PE-detectie wordt vaak gebruikt in combinatie met een programmeerbare logische besturing (PLC). Vaak moet de installateur de PLC instellen, testen, afstellen en opnieuw testen, wat op enige afstand van de PE-unit kan zijn. Verder kunnen variaties in belichting, ongewenste en veranderende reflecties en andere vervormingen in de echte wereld de prestaties en nauwkeurigheid beïnvloeden.

Problemen die opduiken tijdens productieruns zijn bijzonder vervelend en worden vaak verergerd door de urgentie om ze snel op te lossen.

Om deze problemen op te lossen, ontwikkelde SICK de W10-familie van nabijheidssensors (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De W10-serie biedt complete, geavanceerde PE-nabijheidssensors in een compacte, robuuste behuizing. (Bron afbeelding: SICK, Inc.)

De apparaten zijn vooral opmerkelijk omdat het de eerste apparaten met een aanraakscherm zijn (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het unieke geïntegreerde touchscreen van de W10-units zorgt voor een sterk verbeterde gebruikerservaring. (Bron afbeelding: SICK, Inc.)

Deze displayinterface biedt gebruiksgemak, ondersteunt een snelle installatie en versnelt de aanpassing aan elke toepassing. De eenvoudige navigatie verkort de tijd die nodig is om het apparaat in gebruik te nemen en vergemakkelijkt aanpassingen tijdens het gebruik voor verschillende doelen, snelheden of onverwachte problemen. Ook zijn er geen fysieke schakelaars, knoppen en aanpassingen meer nodig op de unit, waardoor de betrouwbaarheid, integriteit van de behuizing en beveiliging worden verbeterd.

De klasse 1-laserlichtbron van de W10-serie levert nauwkeurige detectieresultaten met een hoge herhaalnauwkeurigheid. De gefocuste rode laserstraal produceert een kleine lichtvlek op een object en wordt gecombineerd met een snel en nauwkeurig ontvanger-laser-triangulatiesysteem en evaluatielijnscanning.

Dit vormt de basis voor detectieresultaten met een hoge herhaalnauwkeurigheid en snelle beslissingen. In de snelheidsmodus is de reactietijd slechts 1,8 milliseconden (ms), zodat een betrouwbaar schakelgedrag gegarandeerd is, zelfs bij hoge machinesnelheden. Tweekleurige indicator-LED's geven onmiddellijk visuele feedback over de detectiestatus. Verder bieden de units robuuste en betrouwbare detectie van objecten met verschillende oppervlakte-eigenschappen zoals glans, kleur of structuur.

De PE-nabijheidssensors bieden individuele "teach-in" (leer)opties voor specifieke aanpassingen. Naast het gebruikelijke eenpuntsleren, waarbij objecten op een bepaalde afstand worden gedetecteerd, is er een tweepuntslerenmodus waarmee objecten van verschillende hoogtes kunnen worden gedetecteerd. Een handmatige modus breidt de leeropties uit en biedt nog meer flexibiliteit. Via het display kunnen drie toepassingsgeoptimaliseerde bedrijfsmodi worden geactiveerd om indien nodig voorgrond- of achtergrondonderdrukking in te schakelen.

Vanaf het ingebouwde aanraakscherm kan de operator intuïtief instellingen selecteren, aanpassen en opslaan voor snelheid, standaard of precisie werkmodi, omgevingsonderdrukking, individuele teach-in instellingen, vooraf geconfigureerde parameters en grenswaarden. De unieke schermvergrendelingsfunctie van de W10 beschermt de instellingen tegen toegang door derden.

De flexibiliteit van de gebruikersinterface is niet beperkt tot het aanraakscherm: dezelfde functies zijn toegankelijk via de W10 IO-Link-functie. Dit biedt de mogelijkheid van configuratie op afstand en efficiënte integratie van de geregistreerde sensorgegevens in een bestaand automatiseringsnetwerk.

Elektrische opties en verpakking voor de W10

De digitale uitgang van de W10-sensorapparaten is een belangrijke ontwerpoverweging. De eenheden bieden een instelbare push/pull PNP/NPN-uitgangsstructuur. Als de uitgang is ingesteld op PNP, is het uitgangssignaal positief en kan de uitgang van de sensor stroom leveren aan een stroomafnemende ingangskaart; als de sensor is ingesteld op NPN, is het uitgangssignaal negatief en kan de uitgang stroom leveren aan een stroomafnemende ingangskaart (Afbeelding 5). Met beide opties is de basiscompatibiliteit op signaalniveau met een PLC of andere systeemcontrollers gegarandeerd.

Afbeelding 5: De eindtrap van de W10-units kan zowel current-sink (boven) als current-source modes (onder) leveren om compatibiliteit met de bijbehorende PLC te garanderen. (Bron afbeelding: www.realpars.com)

De uitgang kan worden geconfigureerd voor lichte of donkere uitgangsmodi (licht-aan of donker-aan). In de lichtmodus is de uitgang van de sensor aan wanneer het licht de ontvanger kan bereiken en uit wanneer het licht geblokkeerd wordt. In de donkere modus daarentegen is de uitgang van de sensor aan wanneer het licht wordt geblokkeerd en uit wanneer het licht de ontvanger bereikt.

Fysieke verpakking is belangrijk omdat deze apparaten meestal in industriële omgevingen worden gebruikt. De W10 units hebben een robuust ontwerp met een 316L roestvrijstalen behuizing en IP67 en IP69k beschermingsklassen. Ze worden aangeboden in een behuizing van 18 × 57 × 42,2 millimeter (mm) en zijn gespecificeerd voor gebruik in een omgevingstemperatuurbereik van -10 °C tot 55 °C.

Een van de uitdagingen van industriële sensoren is de noodzaak om verschillende eenheden in het veld of in de fabriek te ondersteunen. Deze realiteit bemoeilijkt interne inventarisatie en ondersteuning. Dankzij de flexibiliteit van de W10-serie heeft de familie echter maar twee carrosseriestijlen nodig (Afbeelding 6). Elk van deze heeft twee detectiebereiken voor een totaal van slechts vier verschillende modellen, wat het selectieproces vereenvoudigt.

Afbeelding 6: De functioneel vergelijkbare units in de W10-familie zijn verkrijgbaar in twee behuizingsstijlen, elk met twee detectiebereiken. (Bron afbeelding: (SICK, Inc.)

Het model 1133545 uit de W10-serie is verkrijgbaar in een rechthoekige behuizing met een standaard montageopening van 1 inch (in.) en een objectafstand van 25 mm tot 400 mm, terwijl het vergelijkbare model 1133547 een objectafstand van 25 mm tot 700 mm ondersteunt. Voor hybride installaties heeft model 1133544 een M18-montagegat van 1 inch met schroefdraad aan de voor- of zijkant en een objectafstand van 25 mm tot 400 mm. Het overeenkomstige W10-model 1133546 heeft dezelfde behuizing maar met een objectafstand van 25 mm tot 700 mm.

Conclusie

De W10 PE-sensorunits bieden veelzijdige, robuuste oplossingen met diffuse reflectors voor industriële toepassingen. De geavanceerde functies omvatten de eerste integrale touchscreen gebruikersinterface in de industrie, waardoor installatie, instelling en afstelling worden vereenvoudigd, terwijl de geavanceerde algoritmen zorgen voor verbeterde mogelijkheden en nauwkeurigheid.