Die Augen und Ohren des Systems: Zunehmende Bedeutung von Sensoren

Heiko Luckhaupt, Category Manager, Automation & Control, RS Components

 

Bei der Beurteilung des technologischen Fortschritts liegt es nahe, den Fokus auf den massiven Anstieg der Rechenleistung zu setzen, der die Maschinen um uns herum immer "intelligenter" gemacht hat.

 

Vor diesem Hintergrund kann die Rolle der Sensoren leicht vernachlässigt werden, die es den zentralen Verarbeitungseinheiten von heute ermöglichen, ihre Arbeit zu verrichten. Wie intelligent wäre beispielsweise ein Smartphone, wenn es nicht über eine kapazitive oder resistive Sensortechnologie verfügte? Wie viel weniger Spaß hätten wir mit Heimvideo-Spielkonsolen, wenn die moderne Beschleunigungssensor-Technologie zu deren Steuerung fehlen würde?

 

Dasselbe gilt für industrielle Steuerungen. Heutzutage gibt es praktisch nichts, was ein Ingenieur nicht messen oder erfassen kann und dann als Systemeingang verwenden kann. Sensoren und Wandler sind für unterschiedlichste Umgebungen ausgelegt: und genauso wichtig wie die Erfassung des Signals ist das Bearbeitungs- und Übertragungssystem, das dafür sorgt, dass dieses sicher an die zentrale Verarbeitungseinheit übertragen wird.

 

Der vielleicht wichtigste Trend in diesem Bereich ist der dramatische Anstieg in der Verwendung visueller Informationen als Systemeingabe. Branchenanalysten von IMS Research schätzen, dass der Bildverarbeitungsmarkt im Jahre 2011 um 10 % auf fast $ 2,9 Mrd. angestiegen ist. Laut Aussage des Unternehmens wird das Wachstum in den nächsten fünf Jahren trotz der laufenden Schwierigkeiten in der gesamtwirtschaftlichen Lage wahrscheinlich weiterhin andauern, wenn auch mit einer niedrigeren, einstelligen Rate. Mehr als 80 % des heutigen Umsatzes der Produktion kommt aus der Bildverarbeitung; zudem stellte IMS eine Tendenz in Richtung eines verstärkten Einsatzes der Technologie in den Bereichen wie Verkehrsüberwachung, Sicherheit und Überwachung sowie bei Anwendungen für Kontrolle und Medizin fest.

 

Mit Hilfe von Produkten wie den intelligenten Optiksensoren der ZFV-Serie von Omron können Ingenieure visuelle Systeme kreieren, welche vor gerade ein paar Jahren undenkbar gewesen wären. Die Geräte vereinen einen Sensorkopf, der mit einer CCD-Hochgeschwindigkeitskamera ausgestattet ist, mit einer intelligenten, einstellbaren LED-Lichtquelle, die digital mit einem Verstärker/Regler-Modul kommuniziert. Sensorköpfe sind mit einer Reihe von Sichtfeld-Spezifikationen von 5 bis 50mm erhältlich, während Verstärker entweder eine einzelne Funktion oder eine programmierbare/Mehrfach-Funktion sein, je nach Anwendung und Kundenanforderung.

 

Das Verstärkermodul ist mit einem LCD-Bildschirm und der "Teach and go"-Software ausgestattet. Hiermit können die Benutzer ihre Prüfanwendung mit ein paar Tasteneingaben selbst definieren.  Vorprogrammierte Basisalgorithmen umfassen Umgebung, Helligkeit, Breite, Position, Zeichen, Zählwert und Muster. Selbst der Bildschirm lässt sich während der Prüfung zum Anzeigen der Bestanden/Nichtbestanden-Informationen sowie eines Bildes des geprüften Produktes verwenden.

 

Abbildung 1:  Die ZFV-Baureihe von Omron ist besonders für Sichtprüfungen geeignet

 

Die ZFV-Baureihe ist als Monochrom- oder Farbausführung erhältlich und kann  um Prüfungen in 12 ms, 6 ms oder 4 ms (dies entspricht bis zu 250 Prüfungen pro Sekunde) durchführen. An einen einzigen Regler können fünf Sensoren angeschlossen werden, wodurch fünf unterschiedliche Prüfungen gleichzeitig möglich werden, was die Produktivität deutlich steigert. In jedem System können bis zu acht verschiedene Prüfziele gespeichert werden, was für zusätzliche Flexibilität sorgt.

 

Während Bildverarbeitungssysteme in den vergangenen Jahren  zweifellos große Fortschritte erreicht haben, haben sich genauso auch herkömmliche Sensortypen rasch entwickelt. Eine der wichtigsten Funktionen, die eingesetzt werden muss, ist die Positions- und Bewegungserfassung. Nun ist eine große Auswahl an Verschlüsselungsprogrammen für Linear- und Drehpositionen erhältlich. Während Einige eine absolute Verschlüsselung bieten, d.h. die Speicherung der letzten Position des Systems nach dem Abschalten, kann die überwiegende Mehrheit der Anwendungen durch Inkrementalgeber bedient werden.

 

Typisch für solche Geräte der neuen Generation ist die Baureihe DFS60 von SICK Stegmann. Diese Geräte bieten eine hohe Auflösung bis zu 65.536 Impulse pro Umdrehung (PPR), basieren aber auf einer frei programmierbaren Plattform, mit der Benutzer die Ausgangsspannung einstellen, die Position auf Null stellen und die PPR über eine Softwareschnittstelle zählen können. Motorwelle und Verschlüsselungsprogramm sind elektrisch isoliert, wodurch die Störfestigkeit erhöht wird und die Geräte in elektrisch anspruchsvollen Bedingungen eingesetzt werden können. Diese elektrische Robustheit wird durch den technischen Aufbau ergänzt, der eine innovative Lager-Konstruktion und eine Nickelcodescheibe aufnimmt, die einen Betriebstemperaturbereich von -20 °C bis +100 °C ermöglicht.

 

 

Abbildung 2:  Die DFS60-Baureihe von SICK Stegmann zählt zu den Inkrementalgebern der neuen Generation.

 

Dank der Wahl zwischen der axialen oder radialen Montage und den Optionen für das TTL/RS422 und HTL/Push-Pull-Ausgangssignal eignet sich die Baureihe DFS60 für eine Vielzahl von Anwendungen einschließlich Druck-, Textil- und Verpackungsmaschinen.

 

Drehgeber-Ausgänge müssen sorgfältig in Bezug auf Umgebung, Anwendung und das externe Signalverarbeitungsgerät gewählt werden. Hersteller wie Baumer bieten hierzu eine Reihe von Konfigurationen, die speziell dafür bestimmt sind, um diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. 

 

Komplementäre Leitungstreiberausgänge können beispielsweise in Situationen mit möglichen langen Kabelführungen und Rauschen bedingt durch EMI (elektromagnetische Störungen) nützlich sein. Push-Pull-Ausgänge mit Kurzschlussschutz sind mit kurzen Kabellängen nützlicher, während ein Sinusausgang erforderlich sein kann, wenn das Signal einen externen Interpolationsprozess durchlaufen muss.

 

Wie bei der Codierung ist die berührungslose Näherungsmessung eine seit langem etablierte Technologie, die bei einer Vielzahl von Positionierungsanwendungen Einsatz findet, angefangen bei Hebevorgängen in der Fabrikumgebung bis hin zu mobilen Hebevorgängen, automatischen Tierfütterungssystemen und der Automatisierung in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Der Trend hierbei geht in Richtung Anbieten einer optimierten Leistung durch eine zugrundeliegende herkömmliche Technologie in Kombination mit fortschrittlichen Spezifikationen wie Sensorgeschwindigkeit, Robustheit und kleinere Größe. Fortschritte wurden ebenso in der Kostenreduktion sowie beim Bereitstellen einer erhöhten Flexibilität erzielt wie z. B. der Möglichkeit, von AC- und DC-Stromversorgungen betrieben zu werden. 

Hierzu beinhaltet eine Produktfamilie wie die Baureihe Schneider OsiSense beide Allzweck-Geräte und -Sensoren, die für bestimmte Anwendungen bestimmt sind - z. B. IP69K-Klassifizierung für Komponenten, die hochdruck- oder dampfreinigungsfest sein müssen, wie es in der Lebensmittelindustrie oder in Profi-Bereichen wie Autowaschanlagen üblich ist.

 

 

Abbildung 3:  Die OsiSense XS-Baureihe induktiver Sensoren eignet sich nicht nur zur Positionserfassung sondern auch zur Eisen-/Nichteisen-Unterscheidung

 

Die OsiSense-Produktfamilie ist ausgestattet mit der induktiven XS-Technologie zum Erkennen von Metallgegenständen bis 60 mm sowie mit der kapazitiven XT-Technologie zum Erkennen von allen Materialien bis 20 mm.

 

Wenn eine Positions- und Anwesenheitserkennung in einem geringeren Maße erforderlich ist, nimmt die Beliebtheit von Glasfaser-Sensoren immer mehr zu. Neben ihrer geringen Größe und ihrer Fähigkeit, kleine Gegenstände und Bewegungen zu erkennen, zeichnen sie sich durch eine Reihe weiterer Vorteile aus; sie sind beständig gegenüber elektrischem Rauschen, was ein Vorteil in vielen Umgebungen ist; Im Gegenzug erzeugen sie selbst kein elektrisches Rauschen und sind somit für einen sicheren Einsatz bei Situationen mit Brandgefahr geeignet; zudem können sie durch Verwendung von Glasfaser anstelle von Kunststoff-Faser bei erhöhten Temperaturen betrieben werden.

 

Das Funktionsprinzip ist dem anderer lichtbasierter Sensor-Systeme sehr ähnlich. Das Licht von einer LED wird in eine Glasfaser gespeist, die es an den Ort befördert, wo die Abtastung stattfinden soll. Am Abtastkopf wird das Licht schließlich verteilt. Kommen Gegenstände in die Nähe, wird eine bestimmte Lichtmenge zurückreflektiert.

 

Das faseroptische Abtastsystem besteht demnach aus zwei Hauptkomponenten: ein Verstärker, der Licht erzeugt und Reflektionen erkennt sowie die Faser selbst.  Verstärker sind in digitaler und manueller Ausführung erhältlich. Wie der Name schon sagt, bietet die digitale Funktionsvielfalt eine Ziffernanzeige des erfassten Lichtwertes und einen digital eingestellten Schaltpunkt. Manuelle Einheiten verfügen über eine Leuchtbalkenanzeige und erlauben die Einstellung des Schaltpunkts über ein Potentiometer.

 

Es können viele unterschiedliche Fasern verwendet werden. Am gebräuchlichsten ist eine Single Mode Faser

Für eine höhere Präzision können Anwender eine koaxiale Konfiguration wählen, bei der einfallendes Licht über den zentralen Kern übertagen wird und Reflektionen zurück an den Sensor über die kleineren umliegenden Fasern übertagen werden. Bei diesem Typ werden Gegenstände noch effektiver abgetastet, die dabei aus allen Richtungen in den Sensorbereich gelangen können. Ein dritter Typ mit Mehrkern-Technologie besteht aus einem großen Bündel kleiner Fasern. Dank ihrer hochbiegsamen Eigenschaften wird die Mehrkern-Faser oftmals in Roboter-Anwendungen eingesetzt, bei denen der Abtastkopf lange Strecken zurücklegen muss.

 

Programmierbare Lichtleiterverstärker der E3X-Serie sowie E32-Abtastköpfe von Omron sind gute Beispiele für die verfügbaren Funktionen. Die zylindrischen E32-Standard-Abtastköpfe stehen für zuverlässige Objekterkennung, einfache Montage und eine lange Sensor-Lebensdauer für alle allgemeinen Anwendungen. Auch erhältlich in Ausführungen mit einer sechseckigen Rückseite für eine vereinfachte Montage. Für eine schnelle und einfache Montage auf ebenen Flächen umfasst die E32-Produktfamilie auch Vierkantköpfe mit einer Dicke von 3mm oder 4mm und einer frei wählbaren Abtastung in der X-, Y-, und Z-Achse. Für Objektgrößen zwischen 500 µm und 3mm sowie Abtastungen auf engstem Raum steht eine Auswahl an Miniatur-Köpfen zur Verfügung. Ein diffus koaxialer Sensor und eine Zusatzlinse erweitern den Abtastbereich auf 100µm. Zudem ermöglichen Abtastköpfe für längere Entfernungen mit einer eingebauten Linse mit fester Brennweite Abtastungen bis zu 20 m.

Zu den Verstärkern der E3X-Baureihe zählt der E3X-HD, ein Gerät mit einer zweifach digitalen Anzeige für ein deutliches Ablesen und einen eindeutigen Sollwert sowie mit einer schnellen und einfachen dynamischen Einknopf-Leistungsregelung mit Lernfunktion und den Kommunikationseinheiten EtherCAT und ComponNet.

 

Abbildung 4: Der E3X-HD von Omron ist mit einer schnellen und einfachen Lernfunktion und eine doppelt digitale Anzeige ausgestattet.

 

Konstrukteuren bietet sich ebenfalls die Auswahl aus E3X-Modellen mit erhöhter Wasserfestigkeit, einer schnellen Reaktionszeit von 20µs für Hochgeschwindigkeitserkennungen und eine duale Ausführung zur Erkennung von zwei Objekten gleichzeitig.

 

Fazit

In diesem kurzen Artikel waren wir kaum in der Lage, die Möglichkeiten der modernen Sensortechnologie vollständig zu umreißen. Neben den Bildverarbeitungssensoren, Näherungsschaltern und Lichtleitern sind die Automatisierungssysteme von heute in der Lage, eine Vielzahl von Barcode-Lesegeräten, Lichtstärke-, Farb- und Kontrastsensoren zu beinhalten. In der Kunststoffindustrie sowie bei vielen Überwachungsarten von Werkzeugmaschinen, Flüssigkeitsständen und Druckwerten sind Temperatur- und Durchflussmessungen wichtige Funktionen.

 

Die Wichtigkeit dieser zahlreichen und unterschiedlichen Geräte wird oft unterschätzt: doch gilt es Folgendes zu bedenken: jedes Automatisierungssystem wäre ohne diese wichtigen ‘Augen und Ohren’ verloren.