W wyniku połączenia technologii bezprzewodowych i fotoelektrycznych powstały czujniki zbliżeniowe pozbawione kabli.
Technologie bezprzewodowe i fotoelektryczne od dawna wspomagają przemysłowe procesy automatyki. Obie mają wiele zalet, ale ich połączenie w postaci bezprzewodowego czujnika zbliżeniowego stanowiło wyzwanie. Operatorzy oczekiwali działania zbieżnego z tradycyjnymi czujnikami zbliżeniowymi. Idea była prosta, natomiast zadanie trudne.
Podstawowe funkcje, parametry
W idealnym przypadku bezprzewodowy czujnik fotoelektryczny zachowuje się w zakresie parametrów optycznych, takich jak soczewkowanie i kolor LED, tak samo jak jego przewodowy odpowiednik. Od strony mechanicznej sens ma tylko odporna przemysłowa konstrukcja.
Bezprzewodowy transmiter musi nadać sygnał natychmiast po zmianie stanu czujnika. Sieć musi być więc deterministyczna, pewna i bezpieczna. Transmisja bezprzewodowa powinna być odporna na zakłócenia, także pochodzące z napędów o zmiennej częstotliwości i innych komponentów przemysłowych. Komunikacja bazująca na sieciach PLC zapewnia wystarczający zasięg, aby pokryć wielkie fabryki, zwiększając zasięg dostępnych w bezpośredniej sprzedaży urządzeń bezprzewodowych lub Wi-Fi.
Bezprzewodowy czujnik powinien stanowić ekonomiczne rozwiązanie również w przypadku pojedynczej aplikacji, a także mieć możliwość pracy z setkami innych czujników bez wzajemnego zakłócania się i interferencji z istniejącymi systemami Wi-Fi. Prosta instalacja i łatwe utrzymanie są niezbędne, aby można było zakwestionować zasadność użycia czujnika przewodowego.
Odpowiednie zarządzanie energią jest koniecznością w przypadku zasilania bateryjnego, jeśli ma ono wystarczać na lata, a nie godziny.
Z tych trudnych do spełnienia i często wzajemnie wykluczających się wymagań szczególną uwagę poświęcono trzem obszarom: fotoelektrycznemu wykrywaniu, zarządzaniu energią i komunikacji bezprzewodowej.
Czujniki fotoelektryczne są wykorzystywane w przemyśle od lat 40. Dzięki nowoczesnym technologiom i postępowi w inżynierii wytwarzania producenci mogą zaoferować mniejsze i szybsze czujniki, zapewniające większą funkcjonalność przy mniejszej cenie. Aplikacja bezprzewodowa wymagała czujnika o wyjątkowo niskim poziomie pobieranej energii.
Zasilanie bateryjne, sieć
Kwestie zarządzania energią baterii dotyczyły możliwości jej odzyskiwania, ogniw fotowoltaicznych, ładowalnych baterii litowo-jonowych i baterii alkalicznych. Testy wykazały, że baterie litowo-chlorkowo-tionylowe (Li-SO-Cl2) zawierają 3 do 5 razy więcej energii niż podobnej wielkości bateria alkaliczna lub ładowalna bateria litowo-jonowa. Wydajnie przełączane zasilanie i elementy pomiarowe powodowały, że bateria nie była wykorzystywana przez 99,9% czasu. Typowy czujnik fotoelektryczny zasilany napięciem 24 V pobiera prąd około 20 mA. To niewiele mniej niż 0,5 W. Gdyby czujnik miał pracować przez pięć lat zasilany wyłącznie dwiema bateriami AA, musiałby pobierać średnio 0,1 mA przy napięciu 3,6 V lub 0,00036 W. Pobierana moc musiałaby zatem spaść o 1300 razy.
Aby możliwa była praca z wymaganymi parametrami, niezbędna jest odpowiednia infrastruktura sieci bezprzewodowej, charakteryzująca się:
- ekstremalnie niskim poborem energii,
- dwukierunkową transmisją każdego elementu sieci. Jednokierunkowa komunikacja oferuje ograniczone sterowanie i brak mechanizmów potwierdzania, co znacząco wpływa na przemysłowe sterowanie,
- czasem rzeczywistym ? jeśli celem jest pięcioletnia żywotność baterii i odpowiedź w czasie rzeczywistym, system powinien odpowiadać w czasie do około 125 ms. Większa prędkość wymaga większej mocy i skraca żywotność baterii,
- zwiększonym zasięgiem,
- możliwością oceny sygnału bezprzewodowego w różnych miejscach zakładu,
- wsparciem dla wielu czujników.
Bezprzewodowy system I/O, integracja
Zanim zaprojektowano bezprzewodowy czujnik fotoelektryczny, opracowano system I/O wyposażony w standardowe wejścia i wyjścia cyfrowe, analogowe oraz temperaturowe, który zastąpił karty i sieć I/O PLC.
W świecie PLC czujniki są zawsze podłączone do zasilania, ale węzeł I/O często wymaga zasilania bateryjnego. Aby osiągnąć niższe zużycie energii i zwiększyć czas pracy na baterii, wykorzystano koncepcję zwaną ?przełączanym zasilaniem?. Każdy zasilany bateryjnie węzeł I/O zawiera jeden lub więcej zacisków, będących chwilowym źródłem zasilania 524 V ? taki efekt uzyskuje się, stosując podbijacze napięcia bateryjnego. Napięcie to można podać na czujnik. Gdy czujnik uruchomi się, odczytywane jest jego wyjście. Następnie czujnik wyłącza się. Naprzemienne włączanie i wyłączanie czujnika jest tak zrealizowane, abyprzez większość czasu czujnik był wyłączony, co zwiększa żywotność baterii 100 lub więcej razy. Naturalną wadą rozwiązania jest wydłużony czas odpowiedzi, ponieważ niezasilony czujnik po prostu nie pracuje.
Wykorzystując przełączane zasilanie, bezprzewodowe czujniki fotoelektryczne mogą pracować na dwóch wymienialnych litowych bateriach AA do pięciu lat, zależnie od aplikacji. Ten typ bezprzewodowego czujnika pobiera 100200 ?W, czyli 1000 razy mniej niż jego przewodowy odpowiednik o podobnych parametrach, zasilany napięciem 24 V.
Poza zwiększoną żywotnością baterii bezprzewodowy system I/O zapewnia szybkie i łatwe bezprzewodowe podłączenie do PLC wielu różnego rodzaju I/O. Transfer danych jest pewny i deterministyczny. Jest również ekstremalnie odporny na zakłócenia i sam nie zakłóca istniejących systemów bezprzewodowych.
Integracja tych technologii umożliwiła stworzenie bezprzewodowego czujnika fotoelektrycznego. Stanowi on kombinację (zamkniętych w jednej obudowie) fotoelektrycznego wykrywania i bezprzewodowej technologii, których źródłem zasilania jest bateria.
Instalacja nie wymaga żadnej konfiguracji oprogramowania, wystarczy po prostu powiązać (lub sparować) bezprzewodowy czujnik z bezprzewodową bramą. Wyjście czujnika pojawia się na terminalu wyjściowym bramy, przy czym zasięg wynosi do 1 km, jeśli urządzenia znajdują się w swoim zasięgu widzenia. Ponieważ nie trzeba kablować czujników, operatorzy mogą dodać kolejny czujnik fotoelektryczny w kilka minut, tworząc tym samym skalowalną, bezprzewodową infrastrukturę sieciową czujników. Użytkownicy mogą więc korzystać z technologii wykrywania tam, gdzie nie było to do tej pory możliwe, przy jednoczesnym ograniczeniu kosztów instalacji i utrzymania.
Fotoelektryczne wykrywanie może być realizowane w trybie refleksyjnym, światłowodowym i przez analizę zbieżności. Dostępna jest również opcja styków bezprądowych (przyciski lub indukcyjne czujniki zbliżeniowe). Brama może współpracować z Modbus RTU na dwa sposoby. W pierwszym, podstawowym brama obsługuje wyłącznie jeden czujnik i dwa sygnały: dane o stanie czujnika i ewentualną informację o błędzie. Model RTU z sześcioma wyjściami zapewnia podłączenie do 47 czujników. Stan czujników jest przekazywany do PLC za pomocą interfejsu Modbus. Jeśli aplikacja wymaga zastosowania więcej niż 47 czujników, stosuje się wiele bram, które mogą pracować blisko siebie, nie wywołując interferencji. System może obsługiwać dane analogowe i cyfrowe, dzięki czemu ograniczenie typów czujników bezprzewodowych staje się przeszłością.
Opracował Łukasz Urbański, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
CE
