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Vielseitige Sensoren für unterschiedliche Anforderungen in der Automatisierung: Ausgabe 10/2019, 20.06.2019

Auf die kompetente Beratung kommt es an

Die Designer von Automatisierungssystemen sind ständig auf der Suche nach Sensorlösungen. Die grosse Vielfalt an Sensoren auf dem Markt lässt erahnen, wie riesig die Bandbreite der zu erkennenden Objekte, Materialien, Eigenschaften, usw. ist. Hinzu kommt, dass es unterschiedliche Feldbussysteme und damit auch verschiedene Schnittstellen gibt. Nicht zuletzt spielt die Auswahl der Schutzklasse eine grosse Rolle.

Bilder: Distrelec

Viele industrielle Anwendungen und Situationen erfordern lediglich die Erkennung eines Objekts, beispielsweise auf einem Förderband, einem Tisch oder einem Transportwagen. Allerdings ist es eventuell nicht möglich, einen Reflektor in Verbindung mit einer Reflexionslichtschranke oder der Empfängerseite einer Einweglichtschranke zu verwenden. Wenn das zu erkennende Objekt vor einem störenden Hintergrund liegt, könnte ein Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung die Lösung sein.

Triangulationsprinzip zum Messen der Lichtintensität
Solche Sensoren nutzen das Triangulationsprinzip zum Messen der Lichtintensität, die vom gewünschten Zielobjekt reflektiert wird, sowie der Entfernung, in der es sich befindet. Die Mindestgrösse des Objekts ergibt sich also aus den Abmessungen des verwendeten Lichtstrahls. Der Abstand zum Objekt wird durch Einstellschrauben konfiguriert, obschon es auch einige fortgeschrittene Lösungen gibt, die eine «Teach-in»-Methode verwenden. Diese sichtbare Lichtquelle verfügt über einen Rotlichtstrahler und ist einfach einzustellen, sogar in Verbindung mit kleinen Objekten. Lasersensoren können 0,1 mm kleine Objekte erkennen, während Diodensensoren im besten Fall einen Lichtpunkt mit 2 mm Durchmesser fokussieren können. Sie sind so konstruiert, dass das erkannte Objekt sowohl vom Material als auch von der Farbe her variieren kann, ohne die Detektionsfähigkeit zu beeinträchtigen. Zudem lösen bewegliche Objekte im Hintergrund keine unerwünschte Erkennung aus.

Sensoren mit drahtgebundener Schnittstelle
Ein gutes Beispiel für eine robuste IP67-Lösung ist die FHDK 14P5104-Serie photoelektrischer Sensoren von Baumer. Die 14,8 × 43 mm grossen Sensoren sind mit einer drahtgebundenen Schnittstelle erhältlich (M8 oder M12 4-Pin) und verfügen über eine Erfassungsreichweite Tw von 30 bis 500 mm. Sie sind ausserdem elektrisch robust mit Kurzschluss- und Verpolungsschutz. Der PNP-Ausgang unterstützt 100 mA Ausgangsstrom. Die vordere Optik ist aus PMMA und die integrierte Elektronik verwendet eine blinkende gelbe LED, um sowohl Probleme mit der Ausrichtung oder einer verschmutzten Linse anzuzeigen. Einige visuelle Erkennungslösungen erfordern eine genauere Beurteilung der erkannten Objekte. Beispielsweise die Erkennung, ob ein Etikett richtig angebracht wurde oder ob das Produkt beschädigt ist. Ein möglicher Ansatz sind industrielle Bildverarbeitungssysteme mit einer IP-basierten Netzwerkkamera in Kombination mit einem Industrie-PC. Allerdings kann eine aufgabenorientierte Lösung sinnvoller sein. Dank kontinuierlicher Steigerung von Verarbeitungsleistung und Speicherkapazität gibt es inzwischen Bildverarbeitungssysteme im Gehäuse einer Standard-Videokamera, die eine solide Erkennungsleistung bieten.

ZFV-Serie ist ein vollständiges Bildverarbeitungssystem
Eine solche Lösung ist das ZFV-Bildverarbeitungssystem von Omron. Diese extrem schnellen CCD-Kameras können an einer festen Position oder auf einem Roboterarm-System montiert werden. Je nach Anwendung unterstützt das Kamera-Line-Up einen Erkennungsbereich von 5 × 4,6 bis 50 × 46 mm. Jede Kamera besitzt eine eigene Lichtquelle in der Form von acht roten LEDs, die ein gepulstes Licht geben, und das Gehäuse entspricht dem IP65-Standard.
Die Kameras werden in Kombination mit einem Verstärker verwendet. Nach Abschluss des Trainings ist das System in der Lage, eine positive Erkennung innerhalb von 4 bis 15 ms zu liefern, abhängig von der Art des erkannten Bildes. Die Verstärker können an den Anschlüssen montiert werden. Dies ermöglicht die Verwendung von zwei oder mehr Kameras für die Analyse der angrenzenden Objekte, wie z.B. eine integrierte Schaltung, die Überprüfung der Ausrichtung des Produkts oder der Positionierung von Flaschen, so dass der Strichcode in die richtige Richtung zeigt. Der Verstärker ist nur IP20 und muss deshalb angemessen montiert werden. Die erfolgreiche Erkennung kann eine NPN- oder PNP-Ausgabe auslösen, und Bilder lassen sich zusätzlich auf einer Speicherkarte abspeichern.

Niveauschalter erkennen Flüssigkeiten in Tanks und Leitungen
Das Erkennen von Flüssigkeiten in Tanks und Rohrleitungen bringt eigene Herausforderungen mit sich. Einige Flüssigkeiten schäumen auf, während andere mit einer geringeren Viskosität die Tendenz haben, an Oberflächen zu haften. Dies kann zu Problemen bei der Erkennungszuverlässigkeit führen. Die Serie CleverLevel LBFH von Baumer umfasst kompakte Niveauschalter mit einer hellen und rundherum sichtbaren LED, die den Sensorstatus anzeigt. Diese Schalter eignen sich für Lebensmittel und Getränke sowie für pharmazeutische und chemische Anwendungen und werden in einem IP69K-Gehäuse geliefert. Auf der Basis eines kapazitiven Schwingkreis-Messverfahrens nutzen sie die Frequenzveränderungen, die durch die Anwesenheit des erkannten Materials ausgelöst werden.
Die Sensoren können so konfiguriert werden, dass sie unterschiedliche Schaltfenster haben und zwischen Öl, Wasser, Schaum und Flüssigkeiten unterscheiden können. Sie können ausserdem leere Rohre und Behälter erkennen und pastöse Medien sowie Schüttgüter wie Mehl oder Plastikgranulat detektieren. Für besonders anspruchsvolle schaumbildende oder haftende Materialien hat Baumer den FlexProgrammer 9701 im Angebot. Dieses Programmiertool kann via USB-Schnittstelle mit einem PC verbunden werden. Zusammen mit der benutzerfreundlichen Software ermöglichen verschiedene Hilfe-Menüs die Konfiguration des Sensors entsprechend den Bedürfnissen der jeweiligen Anwendung. Die gemessenen Daten lassen sich auch visuell darstellen, was eine genauere Einstellung der Parameter (z.B. von Zeitkonstanten bei Dämpffunktionen) oder die Invertierung der Schalterausgabelogik ermöglicht.

Erkennung von transparenten Materialien ist eine Herausforderung
In einigen Umgebungen kann das zu erkennende Objekt nicht zuverlässig erkannt werden, sei es aufgrund von farblichen Variationen oder aufgrund des Materials, aus dem das Objekt besteht. Die Erkennung von transparenten Materialien wie etwa Kunststofffolien oder Glasflaschen ist ebenfalls eine Herausforderung. In solchen Situationen sind Ultraschallsensoren, entweder als Einweglichtschranke oder als Reflextaster, eine ideale Variante. Eine gute Option ist hier die Serie UB800 von Pepperl+Fuchs, ein Einzelkopfsystem in kurzer 40-mm-Bauform.
Die Sensoren sind in der Lage, Gegenstände in der Reichweite von 50 bis 800 mm zu erkennen, mit einem Totband zwischen 0 und 50 mm. Sie bieten eine sofortige Statusanzeige: grün zeigt an, dass der Sensor eingeschaltet ist, gelb zeigt an, dass ein Objekt in Erkennungsreichweite ist. Ein «Teach-In»-Eingang bietet eine einfache Methode für die Konfiguration der oberen und unteren Grenzwerte der Erkennungsreichweite. Der Sensor bietet einen 20-mA-Ausgang bei einem erkannten Objekt, 4 mA wenn kein Objekt vorhanden ist und eine kontinuierlich Veränderung, wenn sich Objekte in der Erkennungsreichweite bewegen. Der Sensor ist in ein IP67-Gehäuse eingebaut.

Digitalisierung verlangt nach immer mehr intelligenten Sensoren
Mit der Industrie 4.0 und der fortschreitenden Digitalisierung verbreiten sich auch die über Internet gesteuerten automatisierten Fertigungssysteme immer mehr, und damit werden auch immer mehr Sensoren zur Entwicklung dieser Plattformen benötigt. Mit einer überwältigenden Vielfalt an Materialien, Flüssigkeiten und Objekten, die erkannt werden müssen, ist es eine Herausforderung, herauszufinden, welcher Sensor für welche Anwendung am besten geeignet ist. Die Hersteller bieten eine breite Palette an Lösungen mit zahlreichen integrierten Funktionen.
Gut sichtbare Anzeigen geben optisches Feedback, ob der Strom eingeschaltet ist und ob ein Objekt erkannt wurde. Zudem sind die Lösungen zunehmend konfigurierbar, von den High-End-Bildverarbeitungssystemen mit Kameras bis zu den eher einfachen Distanz- und Flüssigkeitssensoren. Unabhängig davon, was erkannt werden soll – es ist sehr wahrscheinlich, dass es eine passende Sensorlösung gibt, die die spezifischen Anforderungen erfüllt.

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Grabenstrasse 6, 8606 Nänikon
Tel. 044 944 99 11, Fax 044 944 99 88
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Unabhängig davon, was erkannt werden soll, ist es sehr wahrscheinlich, dass es eine passende Sensorlösung gibt


Die FHDK 14P5104 von Baumer verwendet in ihrem Reflexionslichttaster eine gepulste rote LED-Lichtquelle



Ein Ultraschall-Reflexionslichttaster kann so konfiguriert werden, dass er ein Objekt in einer angegebenen Distanz erkennt


Die ZFV-Serie von Omron ist ein vollständiges Bildverarbeitungssystem, das die korrekte Ausrichtung und Position der Objekte erkennt


Für die Entwicklung der über Internet gesteuerten automatisierten Fertigungssysteme braucht man immer mehr Sensoren


Der Autor:
Michael Jakal, General Manager Central and Southern Europe bei Distrelec