elektrotechnik AUTOMATYK
Reklama
Reklama

Ważna rola czujników w czasach Przemysłu 4.0

Adobe Stock – teptong
Reklama
Reklama

W różnych aplikacjach z obszaru automatyki przemysłowej czujniki stanowią niezwykle istotny element składowy. W dużej mierze odpowiadają za poprawność przeprowadzenia konkretnego procesu i  za jakość finalnego produktu. Wraz z rozwojem zautomatyzowanych systemów, rozwiązań opartych na Internecie rzeczy i czwartej rewolucji przemysłowej ich rola będzie jeszcze bardziej rosła. Już teraz producenci czujników muszą sprostać coraz większym wymaganiom rynku, które dotyczą zarówno ich budowy, jak i funkcjonalności.

Czujniki w automatyce przemysłowej odpowiadają za różne zadania pomiarowe. Najczęściej są to czynności związane z wykrywaniem konkretnych obiektów, ich położeniem czy ruchem, a także dotyczące poszczególnych ich cech czy parametrów pracy. Do najczęściej wykorzystywanych sensorów w tym obszarze zastosowań należą czujniki zbliżeniowe i optyczne. Stanowią one bardzo często integralną część maszyn lub całych linii produkcyjnych, a także systemów odpowiedzialnych za kontrolę poszczególnych procesów lub systemów bezpieczeństwa.

W takim ujęciu czujnik, zwany także detektorem lub miernikiem, definiowany jest jako składowa układu pomiarowego wykorzystywana do mierzenia wartości rzeczywistych i przesłania wyników pomiaru w celów ich dalszego przetwarzania i analizy. Sam czujnik ulokowany jest w określonym punkcie zbierania danych. Tym samym stanowi interfejs między procesem przetwarzania danych a światem zewnętrznym.

Czujniki zbliżeniowe i ich rodzaje

Choć czujniki przemysłowe są bardzo pojemną grupą urządzeń, jakie można spotkać w różnych zastosowaniach przemysłowych, to w przypadku automatyki przemysłowej na czoło zdecydowanie wysuwają się czujniki zbliżeniowe. Bez żadnych wątpliwości można stwierdzić, że są najczęściej spotykane w różnych aplikacjach przemysłowych, jednocześnie są obecnie wręcz nieodzownym elementem systemów automatyzacji i kontroli produkcji.

Reklama

Do głównych zadań tej grupy czujników należy wykrywanie i sygnalizowanie obecności przedmiotu oraz bezdotykowe rejestrowanie jego podstawowych cech. Czujniki zbliżeniowe to także dość szeroka kategoria. W grupie tych urządzeń można wyróżnić przede wszystkim czujniki indukcyjne, pojemnościowe, magnetyczne, fotoelektryczne, ultradźwiękowe, radarowe, termiczne i refleksyjne.

Najbardziej rozpowszechnioną grupą czujników zbliżeniowych są czujniki indukcyjne, które z powodzeniem stosuje się już od lat 60. minionego stulecia. Doskonale sprawdzają się w zadaniach związanych z wykryciem detali wykonanych z metalu (dowolnego rodzaju). Reagują na wprowadzanie metalu w strefę działania czujnika. Stosuje się je głównie do kontroli położenia, przemieszczeń i ruchu mechanizmów związanych ze sterowanymi urządzeniami. Do ich najważniejszych zalet należą wysoka precyzja i niezawodność działania, a także stosunkowo duża trwałość użytkowa oraz odporność na trudne warunki pracy.

Reklama

Zasada działania czujników indukcyjnych opiera się na monitorowaniu generowanego przez czujnik pola magnetycznego. Zmiany te są następstwem pojawienia się przedmiotu wykonanego z metalu w polu detekcji czujnika, czyli de facto pobliżu czoła sensora. Zasięg działania czujnika (tzw. strefa robocza) zależy od wielkości zastosowanego w nim elementu detekcyjnego, tj. cewki. Zazwyczaj jego rozmiar jest proporcjonalny do wymiarów czujnika, a konkretnie – do jego długości.

Innym, niewiele mniej popularnym rodzajem czujników zbliżeniowych są sensory pojemnościowe. Ten rodzaj sensorów umożliwia również detekcję ukrytych przedmiotów, np. w zbiorniku, kontenerze czy za osłoną. Działa on bowiem na zasadzie pomiaru zmiany pojemności między badanym obiektem a czujnikiem. Dzięki temu mogą one być wykorzystywane także do kontroli poziomu napełnienia zbiorników i zasilania mediami.

Do zalet tej grupy sensorów należy też możliwość przeprowadzania detekcji przedmiotów wykonanych z różnego rodzaju materiałów, nie tylko detali metalowych. Czujniki pojemnościowe wykrywają także elementy drewniane, wykonane ze szkła czy z tworzyw sztucznych, a także płyny. Są w stanie rejestrować stany w procesach produkcji oraz kontroli końcowych. Kolejną ważną zaletą jest ich duża odporność na zakłócenia wywołane zarówno przez zanieczyszczenia (np. pyły czy aerozole) pojawiające się w ich otoczeniu, jak i oddziaływanie elektromagnetyczne. Dzięki tym właściwościom po czujniki pojemnościowe sięgają przedsiębiorcy z wielu różnych branż przemysłowych, w tym m.in. ze spożywczej, chemicznej czy magazynowej.

Zbliżeniowe czujniki fotoelektryczne

W ostatnim czasie dynamicznie rosnącą popularnością cieszą się zwłaszcza czujniki optyczne, a dokładniej fotoelektryczne, bo tak brzmi ich prawidłowa nazwa. Dzięki stale rozwijanej technologii, która jest wykorzystywana w tych urządzeniach, uzyskują one bardzo dobre parametry techniczne. Pozwala to na pomiar nawet bardzo małych detali i ich minimalnych przemieszczeń. Do zalet tych czujników należy też szybkość pomiaru i bardzo duży zasięg działania. Cechy te sprawiają, że zbliżeniowe czujniki fotoelektryczne coraz częściej wypierają z rynku czujniki pojemnościowe lub indukcyjne. Ponadto w niektórych aplikacjach są one wręcz niezastąpione.

W czujnikach fotoelektrycznych wykorzystuje się elektroniczne detektory światła i emitery wiązek świetlnych, które służą do wykrywania obecności obiektów w określonym obszarze. Zasada działania tego typu sensorów opiera się nie na zmianach pola, jak w przypadku czujników indukcyjnych, ale na transmisji energii.

Ponieważ mechanizm działania czujników fotoelektrycznych może się dość znacząco różnić, wyróżniamy kilka kategorii tego typu sensorów: odbiciowe, refleksyjne, bariery (czujniki obszaru), światłowodowe, luminescencyjne, szczelinowe i analogowe. Stosowane są one głównie do pomiarów obiektów na liniach produkcyjnych oraz elementów ruchomych, np. manipulatorów, robotów, paletyzatorów i różnych ruchomych części maszyn. Czujniki fotoelektryczne mogą służyć ponadto do zliczania i określania pozycji przedmiotów, ich wymiarów i innych cech fizycznych, a także do określania poziomów materiałów sypkich oraz cieczy.

Nowe konstrukcje i nowe zadania stawiane przed czujnikami

Powszechnie stosowane przez przedsiębiorstwa z różnych branż czujniki zbliżeniowe stanowią jedynie niewielką część sensorów, jakie są wykorzystywane w rozwiązaniach przemysłowych. Czwarta rewolucja przemysłowa sprawia, że powstają coraz to nowe typy i konstrukcje czujników. Często muszą one spełniać całkowicie nowe wymagania, jakie stawiają przed nimi przedsiębiorstwa, a które wynikają z rozwiązań stawianych przez Internet Rzeczy i Przemysł 4.0.

Śmiało można powiedzieć, że systemy czujników są dziś jednym z podstawowych elementów rozwiązań stosowanych w inteligentnych fabrykach. Kompaktowe konstrukcje sensorów instalowane są w maszynach, ale także w wytwarzanych produktach. Dzięki temu pozwalają na lepszą organizację i monitorowanie procesów produkcyjnych.

Wszystkie tradycyjne czujniki przemysłowe działają w gruncie rzeczy na podobnej zasadzie: rejestrują fizyczne parametry i przekazują je do systemu sterowania maszyną. Jednak Przemysł 4.0 stawia przed czujnikami dodatkowe zadania. Sensory mają nie tylko zbierać informacje, ale też wymieniać się nimi między sobą. Możliwe to będzie jednak tylko wówczas, gdy czujniki zostaną wyposażone w odpowiednie interfejsy komunikacyjne.

Producenci czujników montują zatem w nich układy przetwarzające mierzoną wielkość oraz umożliwiające tworzenie wielkich bezprzewodowych sieci sensorów. Inteligentne czujniki muszą być wyposażone w mikroprocesor lub mikrokontroler oraz interfejs komunikacyjny, który umożliwia dwukierunkową bezprzewodową wymianę informacji (wykorzystuje się tu różne dostępne technologie: sieci GSM, ISM, radiowe lub podczerwień).

Mniejsze wymiary, a więcej możliwości

Na konstrukcję nowoczesnych czujników coraz większy wpływ ma również powszechne dążenie do miniaturyzacji i poprawy efektywności energetycznej tych urządzeń. Coraz częściej sensor powinien zajmować jak najmniej miejsca, a jednocześnie realizować coraz więcej złożonych funkcji. I choć brzmi to trochę jak sprzeczność, to takie rozwiązanie ma więcej korzyści. Zmniejszające się gabaryty czujników przekładają się bowiem na zmniejszenie ich masy. Przekłada się to zatem na redukcję całkowitego ciężaru instalacji, a przy tym pozwala zmieścić więcej sensorów w tej samej przestrzeni.

W ostatnich latach coraz bardziej widoczny jest także szybki rozwój układów MEMS, czyli urządzeń, które łączą w sobie elementy mechaniczne i elektroniczne wykonane w skali mini, a nawet nano. Integracja elementów elektronicznych i mechanicznych w miniaturowej obudowie oznacza redukcję zużycia materiałów, małą wagę i mniejsze zużycie energii potrzebnej do ich zasilania.

Również sam sposób zasilania inteligentnych czujników ulega w ostatnim czasie poważnym zmianom. Pierwszym krokiem było wykorzystanie zasilania bezprzewodowego, co równocześnie przyczyniło się do wyeliminowania kosztownego i zajmującego dużo miejsca okablowania.

Obecnie coraz częściej stosuje się technologię Energy Harvesting, czyli pozyskiwania energii elektrycznej z ogólnodostępnych źródeł (m.in. światła słonecznego, siły wiatru lub wody, energii cieplnej oraz biochemicznej, a także energii fal elektromagnetycznych lub wibracji). Tego rodzaju źródła zasilania mają wiele zalet, nie tylko związanych z ochroną środowiska i niższym kosztem ich pozyskania. Zapewniają one także przede wszystkim bezobsługowość i bezpieczeństwo użytkowania.

Czwarta rewolucja przemysłowa z całą pewnością opierać się będzie na inteligentnych czujnikach, które oprócz dotychczasowych funkcji pomiarowych będą łączyć maszyny i urządzenia w sieci cyberfizyczne funkcjonujące w ramach Internetu Rzeczy i chmur obliczeniowych. Żeby więc sprostać nowym zadaniom, konstrukcje czujników będą musiały być coraz bardziej złożone, a jednocześnie kompaktowe i energooszczędne. Można się więc spodziewać dalszych, niemal rewolucyjnych zmian w obszarze czujników, jakie są stosowane w różnych rozwiązaniach z obszaru automatyki przemysłowej.

Artykuł ukazał się w czasopiśmie
Reklama

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama