Czujniki w procesie produkcji

Obecnie żaden proces produkcyjny nie odbywa się bez czujników. Czujnik jest elementem składowym każdego systemu automatyki. W zależności od mierzonego parametru czujniki odpowiadają za jakość procesu produkcyjnego, jego efektywność i bezpieczeństwo.

Czujniki należą do podstawowych elementów systemów automatyki. Umożliwiają badanie właściwości fizykochemicznych różnych obiektów oraz otoczenia. Dane pozyskane za pomocą różnego typu czujników, w razie potrzeby odpowiednio przetworzone, są podstawową bazą wiedzy na temat skuteczności działania systemu automatyki. Umożliwiają weryfikację w czasie rzeczywistym poprawności funkcjonowania procesu produkcyjnego, pozwalają na odpowiednie sterowanie układami wykonawczymi. Dzięki obecności czujników w układach automatyki, zarówno w tych najprostszych, jak i najbardziej złożonych, można optymalizować ich działanie, wpływać na wydajność, kontrolować bezpieczeństwo oraz nadzorować zgodność stanu faktycznego z poczynionymi wcześniej założeniami.

Pomiar wielkości nieelektrycznych

Niezwykle często w aplikacjach związanych z automatyką przemysłową istnieje konieczność pomiaru wielkości nieelektrycznych. Do tego typu wielkości zalicza się m.in. poziom, przepływ, ciśnienie i temperaturę.

Pomiar poziomu

Jedną z najczęściej mierzonych w aplikacjach przemysłowych wielkością fizyczną jest poziom. Na rynku dostępne są dwa typy czujników kontrolujących tę wielkość – kontaktowe i bezkontaktowe. Archaiczne i rzadko stosowane obecnie metody pomiaru poziomu realizowane są za pomocą pływaka i ciężarka na lince. Ze względu na wysoką niedokładność, metody te są wypierane przez nowsze – dokładniejsze. Pierwszą, używaną dosyć często, metodą pomiaru poziomu jest pomiar hydrostatyczny. Polega na sprawdzaniu ciśnienia wytwarzanego przez słup cieczy. Przykładami bezkontaktowych pomiarów poziomu są metody ultradźwiękowe oraz laserowe. Elektryczne metody pomiaru poziomu to przede wszystkim metoda rezystancyjna i pojemnościowa. Pierwsza z nich bazuje na wskazaniach sondy w postaci metalowego pręta, przez który płynie prąd, druga na badaniu zmiany pojemności między sondą pomiarową a ścianką zbiornika. Właściwości, na które należy zwracać uwagę przy doborze konkretnego modelu czujnika poziomu to: metoda pomiaru, która wykorzystuje, rodzaj materiału, z którego wykonana jest obudowa, stopień ochrony urządzenia oraz dopuszczalna temperatura pracy. Ponadto istotne jest sprawdzenie dopuszczalnego zakresu temperatury oraz ciśnienia mierzonego medium.

Pomiar przepływu

Kolejną nieelektryczną mierzoną wielkością jest przepływ gazów, cieczy oraz materiałów sypkich. Monitorowanie przepływu pozwala wykrywać nieszczelności, w przypadku pomp zabezpiecza przed pracą na sucho oraz umożliwia kontrolę obwodów smarnych. W ogólności przepływomierze można podzielić na mechaniczne i elektryczne. Te pierwsze na objętościowe, manometryczne, zmiennoprzekrojowe oraz z otwartym kanałem, zaś drugie na magnetyczne, impulsowe, ultradźwiękowe, Coriolisa i Vortex.

Przepływomierze objętościowe pozwalają na badanie prędkości przepływu przez określanie szybkości napełniania i opróżniania określonej objętości. Ze względu na charakter pomiaru przepływomierze objętościowe nadają się do odmierzania lepkich cieczy, np. miodu. Kolejną grupę stanowią przepływomierze manometryczne, których zasada działania opiera się na wyznaczaniu różnicy ciśnień między wejściem oraz wyjściem układu.

Rotametry, czyli przepływomierze zmiennoprzekrojowe, charakteryzują się stożkową budową i obecnością pływaka, którego położenie wyznacza aktualny przepływ. Następną grupę przepływomierzy mechanicznych stanowią przepływomierze z otwartym kanałem, gdzie prędkość przepływu określa się na podstawie poziomu cieczy w pionowej rurce. Elektromagnetyczne przepływomierze badają przepływ medium przez określoną powierzchnię prostopadłą do kierunku pola magnetycznego. Zaletą innej grupy komponentów – ultradźwiękowych – są: bezkontaktowy pomiar oraz brak spadku ciśnienia w zbiorniku.

Przepływomierze masowe Coriolisa charakteryzują się niskim kosztem wykonania, dużą dokładnością i możliwość uzyskania szerokiego zakresu pomiarowego. Ich wadą jest skomplikowana kalibracja oraz konieczność napełniania całej rury przepływomierza medium.

Kolejną grupę stanowią przepływomierze wirowe, inaczej Vortex. Ich zasada działania opiera się na pomiarze ilości medium przepływającego przez powierzchnię prostopadłą do kierunku przepływu. Zaletami tego typu rozwiązań pomiarowych są: wysoka dynamika procesu, uniezależnienie wyników od zmian temperatury, ciśnienia i lepkości, zaś wadą – wrażliwość na zmianę profilu prędkości. Właściwości, na które należy zwrócić uwagę przy doborze odpowiedniego modelu czujnika przepływu to: rodzaj medium, którego przepływ można badać za pomocą danego komponentu, jego dopuszczalną temperaturę, maksymalną wartość przepływu, którą jest w stanie zbadać dany czujnik, materiał, z którego wykonano komponent oraz stopień ochrony i dopuszczalną temperaturę otoczenia, w której czujnik będzie pracował w sposób niezakłócony.

Pomiar ciśnienia

Wielkością nieelektryczną, którą dosyć powszechnie określa się w automatycznych procesach produkcyjnych jest ciśnienie. Pomiary ciśnienia realizuje się metodami mechanicznymi lub za pomocą komponentów elektronicznych. Komponenty używane do pomiaru ciśnienia można podzielić na tensometryczne, piezorezystancyjne oraz pojemnościowe.

Zasada działania tensometrycznych czujników ciśnienia wykorzystuje właściwości fizyczne drutu oporowego, który podczas przyłożenia siły odkształca się, tym samym zmieniając rezystancję. Zaletą czujników tensometrycznych jest wysoka odporność na wibracje oraz uderzenia, zaś wadą duża zależność czułości i dokładności pomiaru od sposobu rozmieszczenia membran oraz jakości ich montażu.

Kolejną grupę stanowią czujniki piezorezystancyjne, których zasada działania jest podobna, jednak ciśnieniu danego medium poddawana jest powierzchnia krzemowa. Ich zaletami są większa czułość i dokładność oraz możliwość pomiaru bardzo małych ciśnień rzędu milibarów. Wadą czujników piezorezystancyjnych jest duży wpływ rozszerzalności temperaturowej cieczy na pomiar.

Innym typem sensorów ciśnienia są czujniki pojemnościowe. Cienka, krzemowa membrana jest umieszczana między okładzinami tworząc kondensator. Zaletą pojemnościowych czujników ciśnienia jest ich duża czułość. Od wcześniej wspomnianych grup czujników odróżnia je długoterminowa stabilność. Właściwości, na które należy zwrócić uwagę podczas doboru odpowiedniego modelu czujnika ciśnienia to: rodzaj mierzonego medium, jego dopuszczalna temperatura, maksymalny zakres pomiarowy, rodzaj obudowy, stopień ochrony oraz oczywiście rodzaj metody pomiarowej.

Pomiar temperatury

Jedną z najczęściej kontrolowanych właściwości fizycznych jest temperatura. Jej prawidłowy poziom odgrywa znaczącą rolę w różnego rodzaju procesach technologicznych, w szczególności w takich branżach jak spożywcza, farmaceutyczna czy chemiczna. Ważnym aspektem jest również kontrolowanie temperatury komponentów automatyki w trakcie ich pracy, aby zapobiegać ewentualnym awariom i uszkodzeniom oraz w porę wykrywać nieprawidłowości w działaniu urządzenia.

Pomiar bezkontaktowy

Szerokie zastosowanie w procesach produkcyjnych znajdują pomiary bezkontaktowe. Można wyróżnić kilka typów czujników służących do realizacji tego typu pomiarów. Każdy z nich niesie ze sobą pewne ograniczenia. Pomiar bezkontaktowy może znaleźć zastosowanie praktycznie w każdej aplikacji związanej z automatyką, w szczególności tych związanych z kontrolą jakości.

Czujniki indukcyjne

Jednym z typów czujników służących do pomiarów bezkontaktowych są czujniki indukcyjne. Zasada ich działania opiera się na badaniu zmiany pola elektromagnetycznego wywołanej przemieszczaniem się elementu metalowego w zasięgu czujnika. Specyfika metody pomiarowej dosyć drastycznie ogranicza możliwości zastosowania omawianego typu czujnika w procesach produkcyjnych. Największym ograniczeniem jest rodzaj materiału, z którego może być wykonany badany obiekt.

Przykładową serią czujników indukcyjnych są sensory SIES-8M znajdujące się w ofercie firmy Festo. Cechą charakterystyczną tych komponentów jest przystosowanie konstrukcji do bezproblemowego montażu w rowku T. Omawiana seria czujników jest dedykowana do sygnalizacji położenia napędów elektrycznych.

Czujniki pojemnościowe

Innym typem czujników bezkontaktowych są czujniki pojemnościowe. Układ oscylacyjny wysokiej częstotliwości z pomocą kondensatora wytwarza pole elektromagnetyczne. Pojawienie się w tym polu obiektu wywołuje zmianę pojemności, co z kolei prowadzi do zmiany wzmocnienia w układzie oscylacyjnym. Przekroczenie wartości progowej powoduje wygenerowanie sygnału przełączenia. Zaletą czujników pojemnościowych jest możliwość stosowania ich do wykrywania różnego typu materiałów – również niemetalicznych, co czyni je bardziej uniwersalnymi. Ponadto dosyć łatwo jest ustawić czułość danego czujnika pojemnościowego, co wpływa bezpośrednio na wartość dystansu roboczego. Z użytecznej technologii o nazwie Smart Level korzysta firma Balluff oferując czujniki pojemnościowe. Wspomniana technologia umożliwia kompensowanie wskazań czujnika ze względu na obecność piany i osadów w badanym medium.

Czujniki ultradźwiękowe

Zasada ich działania opiera się na wysyłaniu fali ultradźwiękowej w kierunku spodziewanej pozycji badanego obiektu. Pojawienie się obiektu w danym punkcie przestrzeni powoduje odbicie fali i powrót do czujnika. Podstawą analizy aktualnej sytuacji jest czas, który mija od nadania do odebrania fali, należy bowiem pamiętać, że fale mogą odbijać się od innych obiektów niż te będące przedmiotem badania, np. obudowy urządzenia. Opisywana metoda nadaje się do wykrywania dowolnych materiałów, co jest niewątpliwą zaletą czujników ultradźwiękowych. Przykładową serię sensorów z omawianej grupy stanowią czujniki UIT znajdujące się w ofercie firmy ifm electronic. Omawiana seria charakteryzuje się zasięgiem działania sięgającym nawet 8 m.

Czujniki magnetyczne

Czujniki magnetyczne to najprostsze z opisywanych komponentów ze względu na uniezależnienie od elektroniki. Styki czujnika są sterowane pod wpływem pola magnetycznego, które może zostać wytworzone z użyciem magnesu stałego lub elektromagnesu. Prostota jest okupiona znacznymi ograniczeniami – małą czułością oraz koniecznością stosowania wspomnianego wcześniej magnesu stałego lub elektromagnesu.

Czujniki optyczne

Nie trzeba nikogo przekonywać, jak ważny dla człowieka jest zmysł wzroku. Dążenie do automatyzacji różnych etapów procesów produkcyjnych, przyczyniło się do znalezienia alternatywy dla tego zmysłu. Taką rolę pełnią systemy wizyjne, dzięki którym możliwe jest badanie jakości produkcji, lustrowanie otoczenia oraz dbanie o bezpieczeństwo. Podstawowym elementem systemów tego typu są naturalnie czujniki. Bogaty wybór sensorów optycznych na rynku automatyki sprzyja ich szybkiemu rozwojowi. Jest to kolejna grupa czujników, których zasada działania opiera się na bezkontaktowym pomiarze.

W ofercie firm z branży automatyki można wyróżnić dziesiątki typów czujników wizyjnych. Jednym z najpopularniejszych są sensory koloru, których zasada działania opiera się na porównywaniu parametrów odbitego promieniowania z wartościami wzorcowymi. Za przykłady mogą posłużyć czujniki z serii SIMATIC MV220 firmy Siemens, które mają do 16 wzorców i są w stanie wykonać nawet 33 kontrole w ciągu sekundy oraz seria sensorów FS 100 z portfolio firmy Stoltronic z możliwością modyfikowania tolerancji koloru oraz kompensowania światła zewnętrznego. Innym typem czujników wizyjnych są sensory kontrastu, które wykrywają ustalone elementy i znaczniki na badanej powierzchni. Przykładową serię takich komponentów stanowią czujniki OKTII 55 z portfolio firmy Stoltronic, które umożliwiają wykrywanie kontrastu rzędu 4% z odległości 30 mm. Kolejne typy czujników wizyjnych to czujniki jasności oraz odcieni szarości, których zasada działania opiera się na wykrywaniu pól o różnych odcieniach na badanej powierzchni. Reprezentantami czujników tych typów są sensory IVU2PRGI z oferty firmy Turck, które są w stanie zapisać w pamięci wewnętrznej do 30 inspekcji. Wśród czujników wizyjnych można również odnaleźć czujniki fotoelektryczne. Gdy na drodze między nadajnikiem i odbiornikiem zostaje wykryty obiekt, w wyniku zmiany natężenia światła, dochodzi do zmiany określonej wielkości elektrycznej. Dzięki temu czujnik może dokonać detekcji różnych elementów.

Kolejnym typem czujników wizyjnych są sensory laserowe. Znajdują zastosowanie m.in. w wykrywaniu profilu geometrycznego przedmiotu poddawanego analizie. Umożliwiają badanie odległości od danego obiektu. Za pomocą opisywanych sensorów można dokonywać detekcji obiektów, sprawdzać ich kontury i wykrywać szczeliny. Czujniki tego typu można odnaleźć przykładowo w ofercie firmy Pepperl+Fuchs – seria LR 300. Jej przedstawiciele umożliwiają kompensowanie kolorów i linii konturów. Innym przykładem jest seria czujników ZX2 firmy Omron Electronics. Z kolei firma Baumer ma w swoim portfolio serię OADM20 charakteryzującą się dużą odpornością na wpływ zewnętrznego oświetlenia.

Często użytecznym rozwiązaniem może okazać się zastosowanie czujnika, który realizuje więcej niż jedną funkcjonalność. Takie sensory są dobrym uzupełnieniem dla nieco bardziej zaawansowanych systemów automatyki, w których istnieje konieczność jednoczesnego badania wielu cech. Przykładem takich komponentów są czujniki SBSI-Q firmy Festo oraz BVS E firmy Balluff, które gwarantują dowolną pozycję obracanego detalu i pozwalają na równoczesną kontrolę położenia i kompletności elementów, wykrywanie konturów, jasności i szarości. Innym sposobem na uatrakcyjnianie produktów jest ich ukierunkowywanie na konkretną branżę przemysłową. Jednym z przykładów takiego podejścia jest dedykowany dla branży drukarskiej, a oferowany przez firmę Pepperl+Fuchs, czujnik do weryfikacji arkuszy VOS412 – BIS. Sensor wspomaga wykrywanie nieprawidłowo wyrównanych arkuszy drukarskich, znajduje zastosowanie w urządzeniach do składania oraz bindowania w przemyśle drukarskim.

Bezpieczeństwo

Niezwykle ważnym aspektem każdego systemu automatyki jest dbałość o zachowanie jak najwyższego stopnia zabezpieczenia. Również w tej dziedzinie szerokie zastosowanie znajdują czujniki. Ich obecność w różnego rodzaju komponentach bezpieczeństwa czyni je użytecznymi.

Jedną z takich grup urządzeń są bariery i kurtyny świetlne. Te drugie odróżnia od tych pierwszych większa gęstość nadawanych promieni świetlnych. Zasada ich działania opiera się na emitowaniu wiązek świetlnych, których przerwanie w drodze do odbiornika jest odbierane jako naruszenie obwodu bezpieczeństwa i wywołuje określone działania zmierzające do bezpiecznego przerwania potencjalnie niebezpiecznego procesu. Bariery i kurtyny świetlne służą do kontroli nad nieautoryzowanym dostępem do maszyn, urządzeń i określonych stref. Najczęściej bariery i kurtyny działają parami w relacji nadajnik–odbiornik. Zdarza się jednak, że na drodze między nimi staje lustro odbijające wiązkę pod kątem prostym, tym samym umożliwiając jednoczesną kontrolę bezpieczeństwa wzajemnie prostopadłych linii zabezpieczających dostęp.

Ciekawą alternatywę proponuje w swoim portfolio firma Sick. Seria kurtyn miniTwin4 składa się z kurtyn, które do połowy wysokości spełniają funkcję nadajnika, zaś w pozostałej części funkcję odbiornika. Dzięki takiemu podejściu takie same modele barier można parować ze sobą, pamiętając tylko o obróceniu podczas montażu jednego z używanych komponentów. Użyteczną funkcjonalnością, którą ma większość barier i kurtyn jest mutting. Umożliwia czasowe wyłączenie zabezpieczenia danej linii dostępowej. Dzięki niej możliwe staje się dostarczenie surowca oraz odbiór gotowych elementów. Kolejną ciekawą i pożyteczną funkcjonalnością jest możliwość zaślepienia promienia lub kilku sąsiadujących ze sobą promieni w celu realizacji kontrolowanego dostępu elementu do strefy niebezpiecznej. Przykładem zastosowania takiej funkcjonalności jest dostarczanie podłużnych elementów do urządzenia obróbczego. Podczas wyboru odpowiedniego modelu bariery lub kurtyny bezpieczeństwa należy zwrócić uwagę na następujące parametry: deklarowaną rozdzielczość, wysokość chronionego obszaru, maksymalny zasięg strefy ochronnej, maksymalny czas reakcji urządzenia oraz sposób montażu. Firma Sick proponuje serię urządzeń deTec, które wyróżniają się ciekawą funkcjonalnością. Chodzi o możliwość diagnostyki z pomocą smartfona z NFC oraz dedykowanej aplikacji.

Podobna, jak w przypadku barier i kurtyn, zasada działania charakteryzuje skanery bezpieczeństwa, które kontrolują strefę stanowiącą wycinek koła. Ich podstawowymi parametrami jest deklarowany kąt widzenia oraz rozdzielczość. Wybierając konkretny model skanera bezpieczeństwa należy sprawdzić zasięg strefy ostrzegawczej i strefy ochronnej oraz zwrócić uwagę na deklarowany maksymalny czas reakcji w przypadku naruszenia którejś ze stref.

Innym typem urządzenia, które stanowi zabezpieczenie przed nieautoryzowanym dostępem do miejsc potencjalnie niebezpiecznych są maty bezpieczeństwa. Podczas doboru konkretnego modelu do danej aplikacji należy zwrócić szczególną uwagę na siłę nacisku podawaną najczęściej w jednostce siły na powierzchnię koła o średnicy 80 mm, która powoduje aktywację sygnału bezpieczeństwa masy. Nie bez znaczenia pozostaje oczywiście powierzchnia maty oraz możliwość łączenia większej liczby mat w całość, w przypadku zaistnienia takiej konieczności. Ważne jest również wyprofilowanie maty i ochrona jej krawędzi. Ma to szczególne znaczenie dla ergonomii pracy w przypadku, gdy konieczne jest częste pokonywanie maty w celu dostarczania surowca oraz odbioru gotowych produktów.

Jednym ze sposobów zabezpieczenia procesów technologicznych jest uwzględnianie w systemach automatyki przycisków bezpieczeństwa. Ich rolą jest zapewnienie możliwości awaryjnego zatrzymania procesu przez operatora w możliwie najkrótszym do osiągnięcia czasie. Oprócz klasycznych przycisków bezpieczeństwa, które można spotkać na każdym automatycznym urządzeniu, na rynku automatyki przemysłowej znajdują się nożne wyłączniki bezpieczeństwa. Takie komponenty oferuje swoim klientom firma .steute. W jej portfolio można znaleźć wyłączniki zarówno przewodowe, jak i bezprzewodowe. W zestawach zawierających drugi z wymienionych typów oprócz samych wyłączników znajdują się odbiorniki radiowe z antenami magnetycznymi i przewodami do parowania. W ofercie .steute można znaleźć wyłączniki jedno- i dwupedałowe. Do tych drugich należy m.in. nożny wyłącznik bezpieczeństwa RF GFS 2 SW2.4-SAFE. Jest on wykonany z odlewu aluminiowego lakierowanego proszkowo o stopniu ochrony IP67. Opisywany komponent jest trwały – po 300 cyklach ładowania pojemność jego akumulatora kształtuje się na poziomie 80%, a jego trwałość mechaniczna szacowana jest na co najmniej milion operacji. Odległość, na którą we wnętrzu pomieszczenia moduł radiowy może przesyłać dane wynosi aż 15 m.

Dla zwiększenia bezpieczeństwa danego układu nie bez znaczenia pozostaje fakt, czy w danej aplikacji zostanie użyty czujnik typu NO (normal open – normalnie otwarty), czy NC (normal close – normalnie zamknięty). Przykładowo wyłączniki krańcowe powinny działać w logice NC, ponieważ w przypadku ich ewentualnej awarii, odbierana przez system sterowania informacja, będzie oznaczać, że element znajduje się na wyłączniku krańcowym. Będzie to informacja o fałszywej treści, która będzie implikować jego unieruchomienie, jednakże jest to sytuacja bezpieczna. Gdyby taki wyłącznik był zgodny z logiką NO, jego awaria lub brak zasilania, nie zostałyby w porę wykryte i mogłoby dojść do sytuacji niebezpiecznej, a więc niepożądanej.

Czujnik – jaki wybrać?

Projektanci i integratorzy systemów automatyki mogą korzystać z bogatej oferty czujników dostępnej na rynku. Najczęściej specyfika danej aplikacji determinuje wybór konkretnej metody pomiarowej. Aby dokonać optymalnego wyboru konkretnego modelu czujnika, należy wziąć pod uwagę szereg aspektów, które można przyporządkować do trzech grup.

Pierwszą grupę stanowi specyfika badanego obiektu – wielkość, kształt, rodzaj materiału i inne istotne właściwości fizyczne, np. czy obiekt jest statyczny, czy dynamiczny. Druga grupa to cechy samego czujnika – sposób montażu, możliwość podłączenia, wymiary, kształt, materiał, z którego został wykonany, napięcie robocze, rodzaj wyjścia. Trzecią grupę stanowią warunki środowiskowe, w których będzie pracował dany czujnik – temperatura, wilgotność, zapylenie, ewentualny montaż w strefie zagrożonej wybuchem. Po opracowaniu listy parametrów na podstawie wymienionych kryteriów przychodzi pora na wybór producenta oraz jednej z jego serii produktowej, a następnie konkretnego modelu, który będzie optymalnym rozwiązaniem dla danej aplikacji i będzie w stanie spełnić wszystkie założenia projektowe.

*Tabele produktów znajdują się w wersji drukowanej i PDF miesięcznika Automatyka

Źródło: Automatyka 12/2019