Verwendung moderner fotoelektrischer Komponenten zur Vereinfachung des Einsatzes von Näherungssensorik

Photoelektrische Sensoren (PE) werden aufgrund ihrer Effektivität, Robustheit und klaren Funktionsweise häufig für die berührungslose Näherungserfassung in Produktions-, Industrie- und Handelssystemen eingesetzt. Typische Anwendungen sind die Erkennung von Flaschen oder Dosen auf einer schnellen Fertigungsstraße, die Suche nach dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Pakets in einem Versandkarton, die Überprüfung, ob eine Tür offen oder geschlossen ist, oder die Erkennung der Anwesenheit von Personen.

PE-Näherungssensoren können für verschiedene optische Abtastmodi ausgelegt werden, wobei der grundlegende retro-reflektierende Ansatz eine typische Anordnung ist. Trotz des einfachen Funktionsprinzips kann das Einrichten eines PE-Sensors zeitaufwändiges Ausprobieren erfordern, um die Konfiguration und den Erfassungsalgorithmus zu initialisieren, fein abzustimmen und für die spezifischen Anforderungen der Anwendung zu optimieren oder für einen anderen Produktionslauf neu zu justieren. Systementwickler benötigen eine schlankere Lösung, um die damit verbundene Einrichtung und verzögerte Bereitstellung zu vermeiden.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über PE-Grundlagen. Anschließend werden PE-Näherungssensoren von SICK, Inc. vorgestellt und gezeigt, wie sie mit einem einzigartig vereinfachten Einrichtungsprozess eingesetzt werden können.

Grundlagen der PE-Sensorik

Die PE-Näherungssensorik beruht auf einer Lichtquelle mit einem eng gebündelten Strahl, der auf das zu erfassende Objekt gerichtet ist. Dieser Lichtstrahl wird dann auf eine von drei Arten verwendet, je nachdem, wie er von einem Empfänger erfasst wird (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die PE-Näherungssensorik kann einen ausgestrahlten Lichtstrahl und einen entsprechenden lichtempfindlichen Empfänger in drei physikalischen Anordnungen verwenden. (Bildquelle: Proximity Switch)

• Bei der diffusen Reflexionsmessung sind Sender und Empfänger in einem Gehäuse untergebracht, und die Erfassung erfolgt, wenn der Lichtstrahl des Senders vom betreffenden Objekt reflektiert wird.
• Bei der retroreflektierenden Abtastung befinden sich Sender und Empfänger ebenfalls im selben Gehäuse, aber der Reflektor befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Zielobjekts.
• Bei der Durchlichtschranke befindet sich der Fotosensor auf der anderen Seite des Objekts, und das Objekt zeigt seine Anwesenheit an, indem es das Licht vom Sender zum Empfänger blockiert.

Die PE-Näherungssensorik kann auch für Sicherheitszwecke eingesetzt werden, wie z. B. bei Lichtschranken oder Lichtvorhängen, bei denen diese Geräte strategisch angebracht werden und als Sicherheitsschranken dienen (Abbildung 2). Wenn ein Hindernis erkannt wird, sendet die Lichtschranke ein Signal an eine Steuerung oder einen fest verdrahteten Sicherheitskreis, der die Maschine abschaltet, wenn das Hindernis unerwartet oder gefährlich ist.

Abbildung 2: Näherungssensorik kann in einer sicherheitsrelevanten Lichtschranke oder einem Lichtvorhang eingesetzt werden. (Bildquelle: SICK Inc. )

Die PE-Sensorik ist attraktiv, da sie ein intuitives Funktionsprinzip und eine intuitive physikalische Anordnung verwendet. Die reflektierenden Ansätze sind deshalb wünschenswert, weil sie nur auf einer Seite ein verkabeltes Gerät erfordern, was die Installationslogistik vereinfacht.

Ein neues Design und eine neue Benutzerschnittstelle lösen viele Herausforderungen

Trotz seiner konzeptionellen Einfachheit erfordert der PE-Näherungssensor eine sorgfältige Montage, Installation und Ausrichtung vor Ort. Visuell verrauschte Umgebungen können für Techniker schwierig und frustrierend sein, und Überlegungen zur Reichweite und zur Zielerfassung beeinflussen Performance und Konsistenz.

PE-Sensorik wird häufig in Verbindung mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) eingesetzt. Oft muss der Installateur die SPS einrichten, testen, einstellen und erneut testen, was in einiger Entfernung von der PE-Einheit geschehen kann. Darüber hinaus können Beleuchtungsschwankungen, unerwünschte und wechselnde Reflexionen und andere reale Verzerrungen die Leistung und Genauigkeit beeinträchtigen.

Probleme, die während der Produktion auftreten, sind besonders ärgerlich und werden oft durch die Dringlichkeit, sie schnell zu beheben, noch verschlimmert.

Um diese Probleme zu lösen, hat SICK die Näherungssensoren der Familie W10 entwickelt (Bild 3).

Abbildung 3: Die W10-Serie bietet komplette, hochentwickelte PE-Näherungssensoren in einem kompakten, robusten Gehäuse. (Bildquelle: SICK Inc. )

Die Geräte sind besonders bemerkenswert, weil sie die ersten dieser Art mit einem Touchscreen-Display sind (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der einzigartige integrierte Touchscreen der W10-Geräte bietet eine deutlich verbesserte Benutzerfreundlichkeit. (Bildquelle: SICK Inc. )

Die Display-Schnittstelle ist einfach zu bedienen, unterstützt eine schnelle Installation und beschleunigt die Anpassung an jede Anwendung. Die einfache Navigation verkürzt die Zeit, die für die Inbetriebnahme des Geräts benötigt wird, und erleichtert die Anpassung an unterschiedliche Ziele, Geschwindigkeiten oder unerwartete Probleme während des Betriebs. Außerdem werden keine physischen Schalter, Knöpfe und Einstellungen am Gerät benötigt, was die Zuverlässigkeit, die Integrität des Gehäuses und die Sicherheit erhöht.

Die Laserlichtquelle der Serie W10 der Klasse 1 liefert präzise Erkennungsergebnisse mit hoher Wiederholgenauigkeit. Der fokussierte rote Laserstrahl erzeugt einen kleinen Lichtpunkt auf einem Objekt und wird mit einem schnellen und präzisen Empfänger-Lasertriangulationssystem und einer Auswertungslinienabtastung kombiniert.

Dies ist die Grundlage für Detektionsergebnisse mit hoher Wiederholgenauigkeit und schnellen Entscheidungen. Im Speed-Modus beträgt die Reaktionszeit nur 1,8 Millisekunden (ms), so dass auch bei hohen Maschinengeschwindigkeiten ein zuverlässiges Schaltverhalten gewährleistet ist. Zweifarbige LED-Indikatoren geben sofortige visuelle Rückmeldung über den Erkennungsstatus. Außerdem bieten die Geräte eine robuste und zuverlässige Erkennung von Objekten mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften wie Glanz, Farbe oder Struktur.

Die PE-Näherungssensoren bieten individuelle Lernoptionen („Teach-in“) für spezifische Anpassungen. Neben der üblichen Ein-Punkt-Lernoption, die Objekte in einem definierten Abstand erfasst, ermöglicht ein Zwei-Punkt-Lernmodus die Erfassung von Objekten unterschiedlicher Höhe. Ein manueller Modus erweitert die Lernoptionen und bietet noch mehr Flexibilität. Über das Display können drei anwendungsoptimierte Betriebsarten aktiviert werden, die bei Bedarf eine Vorder- oder Hintergrundausblendung ermöglichen.

Über den integrierten Touchscreen kann der Bediener intuitiv Einstellungen für Geschwindigkeit, Standard- oder Präzisionsbetriebsarten, Umgebungsunterdrückung, individuelle Lerneinstellungen, vorkonfigurierte Parameter und Grenzwerte auswählen, anpassen und speichern. Die einzigartige Sicherheits-Bildschirmsperre des W10 schützt die Einstellungen vor dem Zugriff durch Dritte.

Die Flexibilität der Benutzeroberfläche ist nicht auf den Touchscreen beschränkt: Die gleichen Funktionen können auch über die W10-IO-Link-Funktion aufgerufen werden. Dies bietet die Möglichkeit der Fernkonfiguration und der effizienten Integration der erfassten Sensordaten in ein bestehendes Automatisierungsnetzwerk.

Elektrische Optionen und Verpackung des W10

Der digitale Ausgang der W10-Sensorkomponenten ist ein wichtiger Aspekt der Konstruktion. Die Einheiten bieten eine einstellbare Gegentakt-PNP/NPN-Ausgangsstruktur. Wenn der Ausgang auf PNP eingestellt ist, hat er ein positives Ausgangssignal, und der Ausgang des Sensors kann Strom für eine stromaufnehmende Eingangskarte liefern; wenn der Sensor auf NPN eingestellt ist, ist das Ausgangssignal negativ, und der Ausgang kann Strom von einer stromliefernden Eingangskarte aufnehmen (Abbildung 5). Beide Optionen gewährleisten eine grundlegende Kompatibilität der Signalebene mit einer SPS oder anderen Systemsteuerungen.

Abbildung 5: Die Ausgangsstufe der W10-Einheiten kann sowohl im Stromsenken- (oben) als auch im Stromquellenmodus (unten) betrieben werden, um die Kompatibilität mit der zugehörigen SPS zu gewährleisten. (Bildquelle: www.realpars.com)

Der Ausgang kann für den Hell- oder Dunkelmodus konfiguriert werden (hellschaltend oder dunkelschaltend). Im Hellmodus wird der Ausgang des Sensors eingeschaltet, wenn das Licht den Empfänger erreichen kann, und ausgeschaltet, wenn das Licht blockiert wird. Im Gegensatz dazu wird im Dunkelmodus der Ausgang des Sensors eingeschaltet, wenn das Licht blockiert wird, und ausgeschaltet, wenn das Licht den Empfänger erreicht.

Die physische Verpackung ist wichtig, da diese Geräte in der Regel in industriellen Umgebungen eingesetzt werden. Die W10-Einheiten haben ein robustes Design mit einem Gehäuse aus 316L-Edelstahl und den Schutzklassen IP67 und IP69k. Sie werden in einem 18 × 57 × 42,2 Millimeter (mm) großen Gehäuse angeboten und sind für den Betrieb in einem Umgebungstemperaturbereich von -10°C bis +55°C ausgelegt.

Eine der Herausforderungen mit Sensoren in der Industrie ist die Notwendigkeit, verschiedene Einheiten im Außenbereich oder in der Fabrik zu unterstützen. Diese Tatsache erschwert die interne Bestandsaufnahme und den Support. Aufgrund der Flexibilität der Baureihe W10 benötigt die Familie jedoch nur zwei Gehäusevarianten (Abbildung 6). Jede von ihnen hat zwei Messbereiche, so dass es insgesamt nur vier verschiedene Modelle gibt, was die Auswahl vereinfacht.

Abbildung 6: Die funktionell ähnlichen Geräte der W10-Familie sind in zwei Gehäuseformen mit jeweils zwei Messbereichen erhältlich. (Bildquelle: SICK Inc. )

Das Modell 1133545 der W10-Serie ist in einem rechteckigen Gehäuse mit einer Standardmontagebohrung von 1 Zoll und einem Objektabstand von 25 mm bis 400 mm erhältlich, während das ähnliche Modell 1133547 einen Objektabstand von 25 mm bis 700 mm unterstützt. Für Hybrid-Installationen verfügt das Modell 1133544 vorne oder an der Seite über eine M18-Montagebohrung mit 1 Zoll-Gewinde und einem Objektabstand von 25 mm bis 400 mm, und das entsprechende W10-Modell 1133546 hat das gleiche Gehäuse, aber mit einem Objektabstand von 25 mm bis 700 mm.

Fazit

Die PE-Sensoreinheiten W10 bieten vielseitige, robuste Lösungen mit diffusem Reflektor für industrielle Anwendungen. Zu den modernen Funktionen gehört die branchenweit erste integrierte Schnittstelle mit Touchscreen, die die Installation, Einrichtung und Einstellung vereinfacht, während ihre hochentwickelten Algorithmen für verbesserte Funktionen und Genauigkeit sorgen.