Detekcja obiektów – systemy automatyki dla przemysłu samochodowego

Zdolność wykrywania obiektów i wyzwalania sekwencji działań urządzeń jest podstawowym i najczęściej niedostrzeganym składnikiem projektowania systemów sterowania procesów. Detekcje obiektów można podzielić na dwie grupy: wykrycie obecności przedmiotu oraz wykrycie jego ruchu.
Detekcja obiektów to ogólna nazwa aplikacji korzystających z czujników do identyfikacji przedmiotów i ich położenia w procesie produkcji, użytecznych w zastosowaniach przemysłowych, również w branży produkcji części dla motoryzacji. Zdolność wykrywania obiektów i wyzwalania sekwencji działań urządzeń jest podstawowym i najczęściej niedostrzeganym składnikiem projektowania systemu automatyzacji procesu produkcji czy przetwarzania. Wykrywanie obiektów stanowi integralny element sterowania aplikacji, pozwalający na emisję i korekcję sygnałów dla urządzeń.
W przypadku zaawansowanego procesu wykrywanie obiektów jest kluczowe do sterowania przebiegiem procesu opartego na sterownikach PLC. Pomimo to wielu konstruktorów nie jest świadomych wpływu różnych form detekcji na sterowanie procesami. Błędne rozumienie tych podstawowych zasad organizacji systemów automatyki procesowej prowadzi często do błędów w projektowaniu pętli kontroli procesu.
Wykrycie obiektu ma kluczowe znaczenie przy konstruowaniu i synchronizacji układów sterujących. Wymaga ono bowiem właściwego wyboru okablowania oraz zaprogramowania obwodów czujników reagujących na zdarzenia, tak by zapewniały one aktywację właściwych zmiennych w systemie sterowania. Sygnały generowane przez czujniki odpowiadają za pracę innych urządzeń. Fizyczne usytuowanie czujników i charakterystyki mechaniczne przekaźników wpływają na konstrukcje obwodów wyzwalających. Aby zrozumieć lepiej zalety poszczególnych form detekcji, konstruktor musi zaznajomić się z dwoma rodzajami detekcji przedmiotów oraz z tym, w jaki sposób mechaniczne podzespoły w procesie aktywują czujniki, tym samym wyzwalając sygnały w obwodach. Poniższe definicje opisują dwie powszechnie stosowane formy detekcji obiektów:
• detekcja obecności – obwód wyzwalający, w skład którego wchodzi jeden lub wiele czujników wykrywających obecność obiektu w danej, jednej lokalizacji.
• detekcja ruchu – obwód wyzwalający, w skład którego wchodzi wiele czujników generujących sygnały dyskretne lub jeden enkoder, pozwalający na wykrycie obecności obiektu w dwóch lokalizacjach.
Niezależnie od sposobu detekcji wybranej przez konstruktora, każde rozwiązanie działa tylko w przypadku fizycznej obecności przedmiotu. Wszystkie dostępne na rynku systemy sterowania zostały podporządkowane typom i układom czujników występujących w maszynach. Wstępne ułożenie czujników definiuje sposób, w jaki będą aktywowane przez obiekt. Czujniki zawsze dostosowane są do charakterystyk mechanicznych przekaźników.
Cztery funkcje detekcji obiektów
Czujniki wykrywające przedmioty można podzielić na cztery grupy.
1. Czujnik obecności – odpowiednio umieszczony wykrywa obecność obiektu.
2. Czujnik wejścia – wykrywa moment wejścia obiektu na stanowisko.
3. Czujnik „na stanowisku” – wykrywa obecność przedmiotu na stanowisku.
4. Czujnik wyjścia – wykrywa moment opuszczenia stanowiska przez obiekt.
Konstruktor musi potrafić rozpoznać różne typy układów załączających. Układ wykrywania obecności obiektu załącza kolejne urządzenie po aktywacji wszystkich czujników w układzie. Układ załączony świadczy o obecności obiektu na stanowisku, podczas gdy układ wyłączony informuje o jego nieobecności. Układ wykrywania ruchu załącza dwa chwilowe styczniki, kiedy czujniki wykryją ruch obiektu przez stanowisko. Taki układ pozwala na wykrycie przedmiotu, gdy zatrzyma się on na stanowisku. Włączenie sygnału świadczy o obecności obiektu pomiędzy lub w obu lokalizacjach czujników. Wyłączenie sygnału oznacza, że obiekt nie znajduje się już na stanowisku.
Pięć różnic: obecność i ruch
Istnieje pięć znaczących cech odróżniających detekcje obecności od detekcji ruchu.
1. Liczba czujników wykorzystywanych w układzie.
2. Minimalna liczba obwodów potrzebnych czujnikom do aktywacji pojedynczego sygnału.
3. Długość mechanicznego przekaźnika, uwzględniającego długość obiektu.
4. Sekwencja aktywacji sygnału ze stanu niskiego na wysoki.
5. Złożoność układu, mająca wpływ na jakość sygnału.
Dla szczegółowego porównania warto sprawdzić działanie obu wspomnianych wcześniej form detekcji obiektu za pomocą dwóch czujników. Konstrukcja układu wykrywającego obiekt powoduje załączenie urządzenia wmomencie aktywacji czujników przekaźnikami mechanicznymi. Niezawodną detekcję zapewniają przekaźniki z krótszymi ramionami, gwarantując szybszy czas aktywacji samego czujnika. Oba rodzaje detekcji wymagają dezaktywowania czujnika pomiędzy obiektami. Jest to istotna kwestia, gdy poruszające się obiekty przemieszczają się blisko siebie lub dochodzi do ich styku.
Upraszczając: detekcja obecności wykrywa obiekt w jednym miejscu, a detekcja ruchu – w dwóch położeniach.
Rozwiązanie to ma istotne zalety. Szczegóły konstrukcji układu powiązane są z umiejscowieniem czujników, przekaźników, czasu aktywacji czujnika, układu załączającego i jego niezawodności. Posiadanie szczegółowej wiedzy w tym zakresie przez konstruktora pozwoli otrzymać korzystne efekty zastosowania w układzie czujników detekcji ruchu.
Wykrywanie obecności
W systemach detekcji używa się zwykle więcej niż jednego czujnika, aby zidentyfikować obecność obiektów wkraczających na stanowisko lub zatrzymujących się na nim. Większość układów wykorzystuje dwa czujniki – pierwszy aktywuje się, gdy obiekt wkracza na stanowisko, a drugi, gdy się na nim zatrzyma. Drugi działa jak filtr, umożliwiający zredukowanie wpływu drgań pierwszego czujnika. Zjawisko drgań czujnika jest głównym powodem, dla którego czujniki przekaźnikowe/stycznikowe nie są wykorzystywane do bezpośredniego sterowania urządzeniami.

Rys. 1 przedstawia zespół czujnika i urządzenia wyzwalającego dla obu form detekcji – aktywowanej przez obiekt oraz aktywowanej przez transporter z urządzeniem wyzwalającym. Pierwsza z form używa obiektów do załączenia obu styczników, podczas gdy metoda z zastosowaniem transportera wykorzystuje długie ramię części wyzwalającej przymocowanej do transportera, załączającej oba czujniki. Niektóre konstrukcje wykorzystują dwa urządzenia wyzwalające przymocowane do transportera. Wielu z producentów nie dopuszcza możliwości fizycznego kontaktu czujnika z produktem.

Rys. 2 przedstawia fizyczną zależność między czujnikiem wykrywającym obiekt a dwoma czujnikami wykrywającymi transporter. Dopóki na stanowisku pojawia się transporter bez przewożonego obiektu, czujnik detekcji transportera wykazuje jego obecność. Czujnik obiektu transportowanego pozostaje nieaktywny, uniemożliwiając emisję sygnału oznaczającego wykrycie obiektu oraz aktywuje sygnał informujący o pustym transporterze. Jeden z tych dwóch sygnałów zawsze będzie istniał w przypadku załączenia obu styczników.
Gdy obiekty poruszają się blisko siebie, wykrycie obiektu zależy od dwóch fizycznych parametrów obiektu. Po pierwsze, długość elementu wyzwalającego musi być dłuższa niż odległość między czujnikami. Ten element konstrukcji zapewnia jednoczesną aktywację obu czujników. Drugim warunkiem jest odległość między dwoma transporterami. Powinna być ona większa od długości elementu wyzwalającego. Gwarantuje to brak aktywacji czujników pomiędzy kolejnymi obiektami. Taki układ czujników zapewnia ponowną aktywację obu z nich, w przypadku pojawienia się kolejnego obiektu.

<—newpage—>Na rys. 3 widoczne są krytyczne odległości w układzie detekcji.
• L > S + C: Minimalna długość części wyzwalającej (L) musi być większa niż odległość pomiędzy czujnikami (S) powiększona o stałą (C),będącą równą odległości, jaką pokona część wzbudzająca w przypadku awarii sensora lub braku zasilania, zanim zacznie działać zabezpieczenie mechaniczne. Takie rozwiązanie zapewnia, że sterownik zawsze wykryje oba czujniki jako aktywne po powrocie zasilania.
• A > S + F: Odległość pomiędzy częściami wzbudzającymi (A) musi być większa niż odległość (S) pomiędzy czujnikami, powiększona o szerokość pola czujnika (F).

Rys. 4 pokazuje przebieg czasowy sygnału z detektorów aktywowanych dwoma kolejnymi obiektami wkraczającymi i opuszczającymi stanowisko. Kiedy obiekt wkracza na stanowisko, kolejno załącza i wyłącza oba czujniki. Poniższa sekwencja opisuje kroki przedstawione na wykresie.
1. Obiekt w zakresie działania czujnika wejściowego – pierwszy czujnik zostaje aktywowany, drugi pozostaje wciąż nieaktywny.
2. Obiekt na stanowisku – drugi czujnik zostaje aktywowany, co oznacza, że obiekt znajduje się na stanowisku, podczas gdy pierwszy czujnik wciąż pozostaje aktywny.
3. Obiekt poza zakresem działania czujnika wejściowego – pierwszy czujnik jest nieaktywny, co oznacza, że obiekt opuszcza stanowisko, a drugi czujnik pozostaje aktywny.
4. Obiekt poza stanowiskiem – dezaktywacja drugiego czujnika oznacza opuszczenie stanowiska przez obiekt, a pierwszy czujnik pozostaje nieaktywny.
Na rys. 5 widać, jak konstruktorzy używają układów załączających w obsłudze zdarzeniowej urządzeń sterujących. Konstrukcja wykorzystuje standardowe połączenie każdego czujnika z modułem wejściowym urządzenia sterującego. Moduł wejściowy wysyła wówczas oddzielne sygnały dyskretne do sterownika maszyny. Konstruktorzy używają drabinkowych schematów logicznych, sprawdzających i obsługujących sygnały z każdego sensora. Kiedy urządzenie otrzyma informację o dwóch załączonych czujnikach, wyzwala sygnał dyskretny.

Rys. 6 przedstawia przebieg czasowy sygnałów dla czujników detekcji oraz układu wyzwalającego. Warto zwrócić uwagę na przebieg sygnału obwodu wyzwalającego podczas ruchu obiektu przez stanowisko. Ten wydłużony czas sygnału jest idealny dla aplikacji urządzeń sterujących, które nie są w stanie wykryć i odpowiedzieć na szybko zmieniające się wartości sygnału pochodzącego bezpośrednio od czujników. Jeśli sygnał pochodzący z czujnika nie utrzymuje się wystarczająco długo, konstruktorzy wykorzystują funkcje przedłużające trwanie sygnału dla obwodów załączających, aby mieć pewność, że sygnał w obwodzie utrzyma się przez określony czas.
Zastosowanie czujników obecności obiektu jest powodem, dla którego systemy sterujące mają wiele niepożądanych cech, często uważanych za anomalie i wady systemu. W większości przypadków wady te pochodzą od zastosowania układu detekcji obiektu i powiązane są z zastosowaniem w układzie zbędnych czujników. Systemy detekcji obiektu są zawodne, ponieważ istnieje prawdopodobieństwo wygenerowania przez nie zbyt wielu sygnałów załączających. Istnieje również prawdopodobieństwo braku aktywacji czujnika, co skutkuje brakiem sygnału wyzwalającego. Takie zdarzenia mają wpływ na system sterujący, co może przysporzyć różnych problemów.

System detekcji obiektu aktywuje zbyt dużą liczbę sygnałów wyzwalających w przypadku wystąpienia problemów z zasilaniem lub wówczas, gdy obiekt przedwcześnie zatrzyma się blisko pozycji zdefiniowanej w systemie jako „na stanowisku”. W przypadku problemów z zasilaniem jego przywrócenie może spowodować emisje dodatkowych sygnałów załączających. Obiekty, które przedwcześnie zostaną zatrzymane blisko pozycji aktywującej czujnik, powodują, że układ staje się podatny na wibracje i temperaturę, co generuje fałszywe sygnały przez czujniki. Błędne wyzwolenie występuje, gdy współpracujący układ reaguje na oscylacje sygnału wejściowego z czujników.
Błędne aktywacje czujnika i zastosowanie zbędnych czujników jest główną przyczyną niesprawności układów detekcji obiektu. Zjawisko to zmusza konstruktorów do stosowania filtrów sygnałów w celu zapewnienia określonego czasu, w jakim stan wyjścia załączającego będzie niski, po czym zmieni się na wysoki, umożliwiając ponowne załączenie układu sterującego. Układy czasowe opóźniające są podatne na fizyczne przerwy między obiektami. Jeżeli obiekty znajdują się zbyt blisko siebie, a opóźnienie czasowe trwa zbyt długo, sygnał wyzwalający nie pojawi się. Błąd dodawania zbędnych czujników jest przyczyną większości występujących luk w detekcji.

Detekcja ruchu
Układy detekcji ruchu wykorzystują dwa czujniki, które w odpowiedniej sekwencji identyfikują obiekt w dwóch określonych pozycjach. Dla zautomatyzowanych stanowisk są to zwykle: pozycja „na stanowisku” i pozycja wyjścia ze stanowiska. Detekcja ruchu zawsze wykorzystuje przynajmniej dwa czujniki aktywowane w dwóch położeniach przez element wyzwalający.
Rys. 7 przedstawia ustawienie czujnika i elementu wyzwalającego dla układów aktywowanych obiektem oraz tych aktywowanych transporterem. Układy aktywowane przemieszczającym się obiektem wykorzystują niewielki „występek” znajdujący się na obiekcie do aktywacji obu czujników, podczas gdy w układzie aktywowanym transporterem stosuje się element wyzwalający, przymocowany do transportera w celu aktywacji i dezaktywacji każdego z czujników. Dla porównania, poniżej opisano przypadek układu detekcji obiektu aktywowanego transporterem.

Rys. 8 ukazuje usytuowanie czujnika obiektu oraz dwóch czujników wykrywających obecność transportera. Na przykładzie tym widać, że sygnał odpowiadający wykryciu pustego transportera powstaje wtedy, gdy część wyzwalająca transportera aktywuje czujnik na stanowisku. Systemy sterowania zawsze używają pewnych układów detekcji obiektów w celu zdarzeniowego sterowania urządzeniami.

Rys. 9 przedstawia najważniejsze wymiary transportera i układu detekcji.

Na rys. 10 pokazano wykres obrazujący przebieg sygnałów dwóch czujników ruchu aktywowanych dwoma kolejnymi obiektami: wkraczającymi i opuszczającymi stanowisko. Jeśli dwa kolejne obiekty wkroczą i opuszczą stanowisko, kolejno aktywują i dezaktywują oba czujniki.

Na rys. 11 widać sposób, w jaki konstruktorzy programują dwa obwody detekcji ruchu, współpracujące ze sterownikiem.

Rys. 12 przedstawia przebieg czasowy sygnałów czujników ruchu oraz wygenerowanych przez układ sygnałów sterujących dla pozycji obiektu „na stanowisku” i opuszczającego stanowisko. Zastosowanie układów detekcji ruchu w systemach kontroli procesu skutkuje niewielką liczbą błędów i niepożądanych zjawisk.
Autor: Daniel B Cardinal jest inżynierem systemów w firmie InSyTe Inc. Zajmuje się wdrażaniem integralnych systemów planowania i identyfikacji obiektów w przemyśle samochodowym.