Vláknové optické senzory v průmyslových automatizačních systémech

Zjišťování přítomnosti části dopravníku na automatizované lince, získávání informací o provozu osvětlovacího zařízení, řízení kompaktního, ale výkonného stroje.. Všude je vyžadováno minimum chyb v řízení procesu a při poruše dojde, je důležité znát příčinu poruchy, aby se chyby v budoucnu neopakovaly, protože moderní technologické postupy netolerují špatnou kvalitu. Zde přicházejí na pomoc senzory.

Existuje mnoho typů senzorů: magnetické, indukční, fotoelektrické, kapacitní — každý z nich má své výhody a nevýhody. Fotovoltaika je jednou z nejuniverzálnějších. Zde jsou laserové a infračervené, jednopaprskové a reflexní. My se ale podíváme na optické senzory, jelikož mají nejširší možnosti konfigurace a jsou ideální i do těch nejhůře dostupných míst.

Optický optický snímač je rozdělen na dvojici zařízení: optický fotovoltaický zesilovač a optický kabel s optickou hlavou. Kabel prochází světlem ze zesilovače.

Princip je jednoduchý.Vysílač a přijímač spolupracují: přijímač detekuje světelnou vlnu vyzařovanou vysílačem. Technologicky se tento proces provádí různými způsoby: sledováním úhlu světelné vlny, měřením množství světla nebo měřením doby návratu světelné vlny za účelem měření vzdálenosti k objektu.

Optický zdroj a přijímač mohou být umístěny jednoduše v hlavici (difuzní nebo reflexní jednotky), nebo mohou být vyrobeny samostatně — dvě hlavice (jednopaprsky). Hlava senzoru s optickým vláknem obsahuje elektroniku uvnitř, zatímco přijímač je s elektronikou spojen přímo přes optické vlákno. Přijímané a vysílané vlny putují vláknem podobným způsobem jako vysokorychlostní přenos dat v optických sítích.

Výhodou tohoto oddělení je, že se přijímač instaluje na měřený objekt. Optický kabel je veden a připojen k zesilovači, který je umístěn ve speciální ovládací skříni, která chrání zesilovač před často drsným venkovním prostředím výrobního závodu. Výběr možností je pestrý. Zesilovače jsou jednoduché a složité, zejména multifunkční, se schopností provádět logické a spínací operace.

Základní sada optických senzorových zesilovačů má minimum elektronických součástek a funkčnosti a ty nejsofistikovanější jsou plug-and-play, přičemž elektronika je kompletně přizpůsobena. Některá elektronika snímače je schopna zpracovat více než 10 vstupních vláken. Samozřejmostí je i indikace. Indikátory ukazují, zda snímač funguje správně. Má i další vlastnosti.

Rozhraní pro regulátor je určeno výstupním formátem.Zde je k dispozici nastavení snímače a reset zesilovače. Výstupy jsou normálně otevřené, normálně zavřené, kolektor, emitor, push. Připojení se provádí vícežilovým kabelem. Programování se provádí pomocí tlačítek nebo jednoduše potenciometru.

Další flexibilitu poskytují takové možnosti senzorů, jako jsou: zpoždění zapnutí / vypnutí, pulzní výstupy, eliminace přerušovaných signálů, — pro dosažení větší volnosti při detailování a nastavování parametrů zesilovače v závislosti na individuálních požadavcích výrobního procesu. Zpoždění umožňují oddálit reakci pracovního orgánu, přerušovací signály slouží jako znamení, že jsou porušeny pracovní podmínky. Vše je personalizované.

LED indikace stavu výstupu nebo přítomnost displeje s informacemi o signálech a stavech výstupů jsou pokročilé možnosti, které umožňují diagnostiku a programování vysílače v terénu.

Pro stabilnější měření v měnícím se prostředí je vhodný snímač se zvýšenou vzorkovací frekvencí a filtrací signálu. Ačkoli zařízení bude stále pracovat na nízké frekvenci pro PLC bude to užitečné. Zpoždění zapnutí/vypnutí pomáhá sladit výstupní a vstupní signály.

Použití pomocných bloků rozšíří možnosti programování, např. můžete upravit citlivost měřícího prvku při práci se speciálními materiály jako je sklo nebo programy pro vypínání/zapínání mezi spínacími body: sledování polohy obrobku a jeho umístění v prostoru.

Krása optických kabelů spočívá v tom, že propouštějí světlo místo proudu.Jsou možné konfigurace z různých materiálů s různými stupni citlivosti hlavy.

Difuzní kabel z optických vláken se skládá z dvojice faset, z nichž jedna jde do zesilovače a druhá do snímací hlavy. K citlivé hlavici jsou zároveň připojeny dva kabely — jeden pro světelný zdroj, druhý pro elektroniku.

Jednopaprskový optický kabel obsahuje pár identických kabelů, z nichž každý je připojen k zesilovači a má svou vlastní optickou hlavu. Jeden kabel slouží k přenosu světla a druhý k příjmu.

Samotná vlákna jsou obvykle skleněná nebo plastová. Plast — tenčí, levnější, pružnější. Sklo je pevnější a může pracovat při vyšších teplotách. Plast lze řezat na délku, ale sklo se řeže pouze ve fázi výroby. Plášť z vláken — od extrudovaného plastu po oplet z vysoce odolné nerezové oceli.

Nejdůležitější při výběru optického snímače je výběr správné optické hlavy. Ostatně právě s citlivostí hlavy souvisí přesnost detekce částí, ať už malých, stacionárních nebo pohyblivých. V jakém úhlu bude přijímač a vysílač umístěn vzhledem k objektu, jaký je přípustný rozptyl. Zda je zapotřebí kulatý svazek vláken k vytvoření kulatého paprsku nebo prodloužený svazek k vytvoření vodorovného promítání.

Pokud jde o kruhové paprsky, v difuzní hlavě mohou být rovnoměrně rozvětvené se všemi výstupními vlákny na jedné polovině a přijímacími vlákny na druhé. Tato konstrukce je běžná, ale může způsobit zpoždění při čtení informací z části pohybující se v pravém úhlu k bifurkační linii.

Rovnoměrné rozložení vláken zdroje a přijímače vede k rovnoměrnějším paprskům. Jednotné paprsky umožňují vyrovnat účinky vysílání a příjmu vln a detekce dopadne bez ohledu na směr pohybu objektu.

Na optickou pozorovací vzdálenost má podstatný vliv typ optické hlavy, délka kabelu a zesilovač. Je obtížné poskytnout přesný odhad, ale výrobci tyto údaje uvádějí. Jednopaprskový senzor má širší dosah než difuzní senzor. Delší vlákna, kratší dosah. Lepší zesilovač — silnější signál, větší dosah.

Distribuované I/O se stále více používají v průmyslové automatizaci a je možné připojit více kabelů od optických senzorů k jednomu rozdělovači.

Optické zesilovače jsou často samostatná, jednokanálová zařízení pro montáž na DIN lištu, snadno se montují na panel a jedinou nevýhodou je směrování připojení z jednotlivých zesilovačů.

Kolektor může seskupit více optických kanálů do jednoho řídicího centra: kolektory jsou vybaveny displeji řízenými menu a každý kanál je individuálně programovatelný. Nakonfigurované kanály mohou být použity logikou AND/OR, což značně zjednodušuje ovládání PLC.

Použití optických vláken funguje dobře v systémech pracujících v podmínkách vysokého elektrického šumu. Optická vlákna nezachycují elektrický šum a elektronický zesilovač je chráněn skříní. Další velmi perspektivní a již poměrně rozšířenou aplikací optických senzorů jsou malé montážní linky s automatizovanou detekcí dílů na dopravnících v procesu montáže zařízení.

Hlavy s různou orientací, různou velikostí, různou disperzí pro zajištění požadovaného stupně přesnosti ostření bez ohledu na velikost snímače — to vše spolu s logikou ovládání otevírá obrovský potenciál možností. Jeden senzor například detekuje přítomnost dílu, kde začíná montáž, a druhý potvrzuje konec montáže.

Bez ohledu na aplikaci je také důležité vybrat snímač a hlavici s parametry vhodnými pro uživatelem požadovanou aplikaci: z hlediska rozptylu, vzdálenosti, vzorkování, možností z hlediska nastavení a programování.

Jedinou nevýhodou je, že vlákna nemůžete nadměrně ohýbat. Je potřeba trochu více ohnout a dojde k neopravitelné plastické deformaci vláken, sníží se propustnost nebo úplně zmizí. Přípustný poloměr ohybu závisí na typu vlákna a velikosti a rozptylu vláken ve svazku. Tyto vlastnosti je třeba vzít v úvahu při výběru senzoru pro vaši aplikaci.