SENSOREN IN DER AUTOMATION

 

Sensoren sind allgegenwärtig: in der Verbraucherwelt kleiner und mobiler Geräte, inklusive kapazitiver oder ohmscher Berührungsbildschirme auf unseren Smartphones und Tablets oder Beschleunigungsmessern auf Spielplattformen; oder in der Haushaltsautomatisierung mit Druck und Annäherungssensoren u. a. in unseren Geschirrspülern. Mit Sicherheit sind sie eine vitale Komponente in der sich schnell entwickelnden Zukunft, dem „Internet der Dinge“, das gegenwärtig viele Schlagzeilen macht, und in der sogenannten Initiative Industrie 4.0 zur intelligenteren Produktion. Sensoren waren schon lange Zeit die virtuellen Augen, Ohren und Nase sowie der Tastsinn in der industriellen Automatisierung und Steuerung. Sie informieren das Hirn des Systems – üblicherweise die freiprogrammierbare Steuerung (SPS) im industriellen Kontext – über das, was es wissen muss, um Entscheidungen zu treffen. Integriert in SPS und Steuergeräten spielen Sensoren eine Schlüsselrolle der Steuerungs- und Kommunikationssysteme und sind in den frühen Stadien der Planung der Systemarchitektur ernsthaft in Betracht zu ziehen.

 

Umwelt

In der industriellen Umwelt werden Sensoren für die Messung eines extrem großen Bereichs von Umweltfaktoren verwendet, wie Temperatur, Bewegung, Positionierung, Beschleunigung, Gewicht, Feuchtigkeit, chemische Zusammensetzung, Gase oder Druck oder Durchfluss von Flüssigkeiten. Typische Beispiele sind Ultraschall-Flüssigkeitspegelsender für die kontinuierliche Füllstandsmessung und die Alarmauslösung in Kläranlagen; oder Druck-, Temperatur- und Füllstandssensoren für die Überwachung von Hydraulikölen und Kühlmitteln in Anwendungen für Werkzeugmaschinen; oder für induktive Näherungsschalter auf Montagestraßen in der Automobilindustrie. Tatsächlich gibt es heutzutage nahezu nichts, das nicht gemessen oder gefühlt werden und als Eingangsgröße in ein System eingegeben werden kann. Sensoren und Geber sind auf eine große Bandbreite von Umfeldern ausgelegt, aber gleichsam wichtig wie die Erfassung des Signals ist die Aufbereitung und Übertragung, um zu gewährleisten, dass es sicher zur zentralen Verarbeitungseinheit übertragen wird. Beispielsweise muss ein Signal über große Entfernungen übertragen werden, üblicherweise über Kabelverbindungen. Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands werden üblicherweise verdrillte, zweiadrige Kabel mit Abschirmung verwendet, um indiziertes Rauschen zu unterdrücken. In Abhängigkeit vom Umfeld und der Länge der Kabelverbindung kann die Verstärkung schwacher Signale erforderlich sein, was sich auf das zunächst gewählte Signal auswirken kann. Beispielsweise ist 4-20 mA das De-facto Signal über eine Entfernung von Hunderten von Metern, weil es gegen Spannungsabfälle und induziertes Rauschen geschützt ist. Millivolt und Kleinsignale, wie solche von Thermoelementen, sind generell schwache Signale und müssen verstärkt werden, bevor sie über größere Entfernungen zu Steuerungen übermittelt werden. Signalwandler werden daher eingesetzt und nahe dem Sensor installiert.

 

Positionierung

Einer der am schnellsten wachsenden Bereiche in der Automatisierung ist die Technologie des maschinellen Sehens. Hierfür werden Digitalkamera-Sensoren und modernste Bildverarbeitungstechnologien eingesetzt. Sie wird in vielen Industrien zur Automatisierung der Produktion, zur Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit und zur Verbesserung der Qualität verwendet. Traditionellere Sensoren haben sich jedoch schnell entwickelt. Zum Beispiel ist eine der wichtigsten Funktionen die Erfassung von Positionen und es gibt eine riesige Bandbreite von Linear- und Drehwertgebern. Während einige absolute Kodierverfahren bieten und sich die letzte Position des Systems vor dem Herunterfahren merken, kann die Mehrzahl der Anwendungen durch inkrementelle Sensoren bedient werden. Sensorenausgänge müssen je nach elektrischem Umfeld und dem externen Signalaufbereitungssystem sorgfältig gewählt werden. Hersteller wie Baumer  bieten daher eine Reihe von Konfigurationen an, speziell ausgelegt, um diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Andere größere Hersteller in diesem Bereich sind Hengstler, Omron und SICK.

 

Annäherung

Kontaktlose Annäherungserfassung ist ein weiterer Schlüsselbereich in der Automatisierung und kommt
 in einer Vielzahl von Positionierungsanwendungen zum Einsatz, von Hebevorrichtungen in Produktionsanlagen über mobile Hebe- und automatische Tierfütterungssysteme  bis zur Automatisierung in der Getränke- und Nahrungsmittelindustrie. Der Trend geht hier in die Bereitstellung von verbesserter Leistungsfähigkeit einer herkömmlichen Technologie mit Fortschritten bezüglich der Spezifikationen, wie Sensorgeschwindigkeit, Robustheit und geringere Abmessungen. Ein Typ von Näherungssensoren ist der induktive Näherungssensor, der die magnetische Induktion nutzt, um ferromagnetische Metallstoffe aufzuspüren. Geeignet für Einsätze in schmutzigen und feuchten Bereichen, wird er allgemein in Verkehrsampeln, Autowaschanlagen und vielen industriellen Automatisierungsprozessen eingesetzt. Er ist gegenüber Staub geschützt und hat eine begrenzte Abtastungsentfernung von bis zu etwa 50 mm. Ein Beispiel dieses Sensortyps ist die OsiSense-XS8-Serie von Schneider, ausgelegt für viele industrielle Anwendungen wie Verpackung, Materialbearbeitung und Montage. Die Schlüsselelemente dieser Sensoren sind die schnelle Installation in eine Maschine oder ein Gerät mittels ihrer Ein-Klick Montage und der drehbare Sensorkopf. Sie ermöglichen eine vereinfachte Wartung durch die schnelle Montage und Demontage von LED-Statusanzeigen und sind aus allen Richtungen und Entfernungen deutlich sichtbar.

Ein zweiter Typ ist die kapazitive Näherungserfassung, die leitende Objekte erfasst oder Objekte, die einfach andere dielektrische Eigenschaften als Luft aufweisen. Dies bedeutet, die Technologie kann sowohl metallisches als auch nichtmetallisches Material erfassen, was ein wesentlicher Unterschied zu Näherungssensoren auf Basis der Induktion ist. Die Technologie  wird u. a. allgemein für Anwendungen zur Erkennung und Messung von Positionen, Feuchtigkeit oder Füllständen genutzt. Auch sie ist für Einsätze in schmutzigen und feuchten Bereichen geeignet, ist aber begrenzt auf Abtastungsentfernungen von bis zu 40 mm.

 

Licht

Optische Näherungsschalter haben ebenfalls einen weiten industriellen Einsatzbereichen.

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Niveau

Niveau-Sensoren sind eine weitere wichtige Art von Sensoren in der Automatisierung und Steuerung: Im Wesentlichen erfassen sie die Durchflussmenge von Substanzen, üblicherweise Flüssigkeiten, Schlämmen und Puder. Ein Beispiel eines Niveau-Sensors, der Ultraschalltechnik verwendet  ist der MSP400-Niveau-Wertgeber von Mowbrey, der für die Montage oberhalb einer Flüssigkeit ausgelegt ist und den Abstand zur Oberfläche der  Flüssigkeit erfasst. Werden die Einzelheiten zum Behälter, zur Wanne oder zum offenen Kanal einprogrammiert, errechnet der MSP400 das Niveau, Inhalt oder Durchfluss und sendet  ein 4-20-mA-Signal proportional zur gewählten Variablen. Es gibt zwei Relais für die Steuerungsfunktion und die Programmierung  erfolgt über integrierte Drucktasten oder über Fernkommunikation mittels HART (Highway Addressable Remote

Transducer Protocol)

Diese Technologie verwendet Licht zur Erkennung von Entfernungen, Abwesenheit oder Vorhandensein eines Objekts mittels Lichtgeber, oft Infrarot, und einem photoelektrischen Empfänger. Es gibt viele erhältliche Typen, die ein Objekt erkennen, wenn der Lichtstrahl  unterbrochen wird, wie bei Einweglichtschranken, in denen ein Empfänger auf Sichtlinie mit dem Sender positioniert wird, und/ oder Retroreflex-Sensoren, bei denen Sender und Empfänger an gleicher Stelle positioniert werden und ein Reflektor/Spiegel benutzt wird,  um das Licht vom Sender zum Empfänger zu reflektieren.

Ein Beispiel einer Einweglichtschranke ist die E3JK-Serie optischer Näherungsschalter von Omron, die auch über eine eingebaute Stromversorgung für bessere Systemintegration verfügen. Diese Serie von Sensoren hat eine höhere Leistung und eine sichtbare rote LED für alle Modelle, was die Fluchtungseinstellung vereinfacht und eine große Erfassungsentfernung ermöglicht. Ein weiteres Beispiel: Die auf Licht basierenden Geräte der DT50- und DS50-Serie an Phototransistor-Abstandsmessern von SICK verwenden entweder infrarotes oder rotes Licht und bieten einen hohen Grad an Zuverlässigkeit und zuverlässiger Messerkennung auch in hellem Licht und auf glänzenden Zielen. Typische Anwendungsbereiche sind Stahl und Metallherstellung, Druck und Papier, Automobil, Lagerhaltung und viele mehr. Und abschließend, wenn die Erkennung von Position und Vorhandensein in viel kleinerem Maßstab gefordert ist, werden faseroptische Systeme und RGB Farbsensoren zunehmend beliebter. Zusätzlich zu ihrer geringen Größe und ihrer Fähigkeit kleine Objekte und geringe Bewegungen zu erkennen, sind sie ebenfalls gegenüber elektrischem Rauschen unempfindlich und können bei höheren Temperaturen arbeiten.

Und schließlich, einer der am schnellsten wachsenden Bereiche für Lichtsensoren ist die dramatische Zunahme der Nutzung visueller Informationen als Systemeingabegröße, insbesondere die Bildverarbeitungstechnologie, die aktuell intensiv in der Produktion genutzt wird.

 

Schlussfolgerung

Dies ist nur eine kleine Auswahl aus Hunderten von unterschiedlichen Sensortypen, die es gibt. Darin sind noch nicht einmal die Drucksensoren oder RFID und Barcodeleser/Scanner enthalten, die es auch wieder in einer Vielzahl verschiedener Typen gibt. Wichtige Fertigerzeugnisse von Näherung, Licht und Drucksensoren und eine sehr große Bandbreite von Zubehör, komplett über RS zu beziehen, sind Produkte von Telemecanique, Omron, Pepperl + Fuchs, Baumer, IFM Electronics, SICK Banner. Kurz gesagt, ist die kontinuierliche Entwicklung der Sensortechnologie für die Flexibilität und Verfeinerung sowohl von einfachen  als auch komplexen Steuerungs- und Automatisierungssystemen in einer Vielzahl von industriellen Prozessen und Produktionsverfahren lebenswichtig.