Detekcja obiektów oraz identyfikacja ich położenia i wymiarów to najczęstsze zadania czujników zbliżeniowych i optycznych. Urządzenia te są wykorzystywane jako elementy większych układów kontrolnych lub systemów bezpieczeństwa. Każdy typ czujnika w zależności od aplikacji ma swoje wady i zalety. Potrzeby i oczekiwania klientów będą determinować kierunki modernizacji czujników ? miniaturyzacja, redukcja awaryjności, zwiększenie asortymentu do aplikacji w przemyśle spożywczym, zwiększenie zakresu warunków pracy etc.
Czujniki zbliżeniowe oraz optyczne stanowią podstawowe elementy układów automatyki w zakresie detekcji różnego rodzaju elementów oraz kontroli położenia elementów maszyn. Jednymi z najczęściej stosowanych czujników w automatyce są czujniki zbliżeniowe. Chcąc spełnić kryteria bezpieczeństwa, nie sposób pominąć zagadnienia wykrywania obiektu. Niezależnie od rodzaju, kształtu czy miejsca, w którym znajdzie się niepożądany obiekt, zadaniem sensorów jest detekcja i informacja o zaistniałej nieprawidłowości. Czujniki zbliżeniowe są również pomocne w wykrywaniu nieprawidłowego działania urządzeń ? sensory są w stanie wykryć ramię, uchwyt urządzenia, które nie powinny się tam znaleźć.
Czujnikami zbliżeniowymi najczęściej określane są czujniki indukcyjne oraz pojemnościowe. Składa się na to ich stosunkowo niski koszt oraz pewność działania, nawet w bardzo trudnych warunkach środowiskowych. Czujniki tego typu są odporne na różnego rodzaju zabrudzenia, mają specjalnie wykonane obudowy, przeznaczone do stosowania w branży spożywczej czy np. w obszarach spawania. Ograniczeniem w stosowaniu tych czujników jest fakt, że wykrywają jedynie metal oraz mają mały zakres działania.
Czujniki pojemnościowe służą do wykrywania dowolnego typu materiału. Występują one w obudowach cylindrycznych z gwintem metrycznym. Obszar zadziałania wynosi najczęściej do 30 mm. Czujniki pojemnościowe są wyposażone w potencjometr do regulacji czułości sensora. Czujniki pojemnościowe doskonale sprawdzają się w detekcji m.in. drewna, metalu, szkła lub papieru. Za ich pomocą możliwe jest również wykrywanie poziomu cieczy w zbiorniku. Montażu czujnika można dokonać bezpośrednio w ścianie zbiornika lub poza zbiornikiem. Przy takiej aplikacji ciecz jest wykrywana przez szklane lub plastikowe okienka w ścianie bocznej zbiornika.
Najpopularniejsze są czujniki indukcyjne w obudowach cylindrycznych. Drugim rodzajem czujników zbliżeniowych są czujniki pojemnościowe. Mają one przewagę nad czujnikami indukcyjnymi, jeżeli chodzi o rodzaje wykrywanych materiałów, ponieważ za pomocą czujników pojemnościowych możemy wykrywać praktycznie wszystkie rodzaje materiałów. Dodatkowo mogą być wykorzystywane np. do detekcji poziomów cieczy lub materiałów sypkich. Są jednak droższe od czujników indukcyjnych, co z pewnością wpływa na popularność ich stosowania.
Użytkownicy czujników optycznych uważają je za bardzo szeroką gamę produktów, która charakteryzuje się dużą różnorodnością zarówno w zakresie wykonań czujników, jak i ich funkcjonalności. Jeżeli chodzi o udział w sprzedaży poszczególnych typów czujników optycznych, to zdecydowanie najpopularniejsze są czujniki optyczne odbiciowe. Wśród czujników odbiciowych coraz większy udział mają czujniki odbiciowe z eliminacją wpływu tła. Bariery refleksyjne oraz bariery jednokierunkowe mają zbliżony udział w sprzedaży. Poza już wymienionymi w gamie czujników optycznych występuje bardzo dużo czujników specjalnych, m.in. czujniki koloru, kontrastu, luminescencji, czujniki widełkowe itp. Czujniki optyczne w porównaniu do czujników zbliżeniowych umożliwiają detekcję ze znacznie większych odległości. Specjalne wykonania barier refleksyjnych umożliwiają np. detekcję obiektów transparentnych, w tym bardzo cienkich folii. Wadą czujników optycznych jest bez wątpienia ich wrażliwość na zabrudzenia oraz mniejsza odporność na uszkodzenia.
W czujnikach odbiciowych wiązka świetlna wysyłana przez nadajnik odbija się od wykrywanego elementu i powraca do odbiornika. W tego typu czujnikach nadajnik i odbiornik są zintegrowane w jednej obudowie. Sensory refleksyjne, podobnie jak w przypadku czujników odbiciowych, wysyłają wiązkę świetlną z nadajnika do odbiornika, z tym że wiązka odbija się od odbłyśnika. Przecięcie wiązki powoduje zadziałanie sensora. W czujnikach typu bariera nadajnik i odbiornik to dwa odrębne urządzenia, najczęściej o identycznej budowie zewnętrznej. Przecięcie wiązki pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem powoduje zmianę stanu na wyjściu sensora.
Wraz z rosnącą automatyzacją procesów przemysłowych popyt na czujniki nie maleje, istnieje ciągłe zapotrzebowanie na tego typu produkty. Na rynku działa szereg firm zajmujących się produkcją i wdrażaniem rozwiązań wykorzystujących czujniki zbliżeniowe. Polski rynek czujników zbliżeniowych jest bogaty w asortyment i dostawców produktów dobrej jakości.
W Polsce na rynku czujników zbliżeniowych i optycznych mimo kryzysu dobrze radzą sobie polskie firmy produkcyjne, których produkty jakością z powodzeniem dorównują najlepszym producentom zagranicznym.
Wraz przejściem najgorszej fali kryzysu i powrotem wysokiego tempa wzrostu gospodarczego, producenci obserwują wzrost sprzedaży czujników. Z ich punktu widzenia klienci w dalszym ciągu przy wyborze produktu najczęściej kierują się ceną. Ceny wahają się od kilkudziesięciu do stu kilkudziesięciu złotych, więc można się spodziewać zróżnicowanych możliwości technicznych oraz jakościowych.
W raporcie znalazły się informacje zarówno bezpośrednio od producentów, jak i dystrybutorów oraz firm polskich i zagranicznych, które wskazują na kształt rynku oraz kierunki jego rozwoju.
Z danych zebranych od dostawców i użytkowników czujników zbliżeniowych i optycznych można wnioskować, że sektor ten cały czas charakteryzuje się znaczącym wzrostem.
Przy wyborze czujników na decyzje zakupowe użytkowników w 41% przypadków wpływają parametry techniczne tych urządzeń odpowiednie do aplikacji (wykres 2), w ponad 23% przypadków ? cena. Dla 17% ankietowanych kluczowym czynnikiem jest jakość. W przypadku niecałych 12% decydujący jest czas realizacji zlecenia. Co ciekawe, marka jest kluczowym czynnikiem jedynie w 6% przypadków. Użytkownicy zauważają też stale rosnącą poprawę jakości produktów, lepszą obsługę sprzedażową oraz większy wybór asortymentu.
Dostawcy w największej mierze oferują produkty firmy Panasonic i Balluff. W dalszej kolejności popularnością cieszą się czujniki Omron Electronics, Riko, Sels, Contrinex, Pepperl+Fuchs oraz SICK.
Czujniki znajdują najczęściej zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym i maszynowym ? te dwie branże stanowią niemal połowę odbiorców produktów. Poza tym stosowane są w przemyśle spożywczym, produkcyjnym, farmaceutycznym, drzewnym oraz przy produkcji opakowań. Zapotrzebowanie na czujniki rośnie ze względu na możliwość zapewnienia utrzymania ruchu, a tym samym większej efektywności i wydajności. Należy pamiętać, że duży udział w sprzedaży czujników mają części zamienne, kupowane dla uzupełnienia uszkodzonych elementów.
Typowym zastosowaniem czujników zbliżeniowych jest kontrola transportu na liniach produkcyjnych, układów napędowych, silników, wszelkiego rodzaju maszyn ? obrabiarek, wtryskarek, jak również linii technologicznych służących do produkcji żywności i wiele innych.
Równie popularne są czujniki optyczne, które charakteryzują się dużą strefą wykrywania obiektów. Najczęściej wykorzystywane są do dokładnego, bezdotykowego określenia położenia obiektów, a materiał, z którego dany obiekt został wykonany, nie ma znaczenia.
Użytkownicy wykorzystują czujniki odbiciowe w aplikacjach, w których odległość od wykrywanego elementu jest niewielka. Dystans ten zależy od wielkości i budowy czujnika oraz od rodzaju wiązki świetlnej. RIKO Opto-Electronics Technology ? producent czujników zbliżeniowych ? oferuje miniaturowe czujniki umożliwiające detekcję elementu znajdującego się do 3 cm od elementu oraz serię czujników R5JM, gdzie dystans ten wynosi aż 200 cm. Większość czujników odbiciowych z oferty RIKO ma potencjometr służący do regulacji czułości sensora. Aplikacje, w których znajdują zastosowanie optyczne czujniki odbiciowe, to m.in.: zliczanie elementów na taśmie produkcyjnej itp.
? Zaletą tego typu rozwiązania jest brak konieczności stosowania dodatkowego osprzętu w postaci odbłyśnika czy nadajnika, duża rozdzielczość, dająca możliwość detekcji przedmiotów o niewielkich rozmiarach oraz krótki czas reakcji. Do wad należy zaliczyć wrażliwość na kolor powierzchni wykrywanego obiektu ? mówi Jakub Wojtkiewicz z firmy Edlar, dystrybutora firmy Riko. ? Gdy potrzebna jest większa strefa działania niż w przypadku czujników odbiciowych, stosuje się czujniki refleksyjne. A zaletą czujników refleksyjnych jest brak wrażliwości na kolor wykrywanego obiektu oraz duży obszar działania.
Producenci czujników oferują produkty specjalnie przeznaczone do wykrywania przezroczystych elementów, takich jak np. butelki ? z tworzywa lub szklane, najczęściej o zasięgu do 5 m. Nie można też nie wspomnieć o czujnikach światłowodowych. Przewody światłowodowe mogą być wykonane ze szkła, tworzywa lub silikonu. Podobnie jak w przypadku czujników optycznych dzielą się na odbiciowe i bariery. Wzmacniacze światłowodowe wyposażone są w potencjometr służący do regulacji czułości oraz przełącznik załączający opóźnienie. Typowe aplikacje, w których wykorzystuje się czujniki światłowodowe, to: kontrola jakości wyprodukowanych elementów scalonych, sprawdzanie ciągłości cienkiego przewodu lub nici, detekcja płynów, kontrola znaczników itp.
Jak już wcześniej zostało wspomniane najpopularniejsze typy czujników zbliżeniowych to indukcyjne i pojemnościowe, ponadto korzystać można z czujników magnetycznych, ultradźwiękowych, kontaktronowych. Zasadniczo każdy producent ma w swojej ofercie wszystkie wymienione typy. Wyjątkiem będzie .steute Polska i MBB ? nie oferują czujników pojemnoś-ciowych.
Zliczanie drobnych elementów, takich jak gwoździe, śruby, sprężynki, uszczelki itp., w syste-
mach automatycznego montażu bardzo często sprawia duże problemy. Rodzaj materiału, wielkość elementu i sposób jego transportu mogą być bardzo różne. Mając do dyspozycji tylko jedną technologię, wiele aplikacji mogłoby pozostać nierozwiązanych. Czujniki indukcyjne stosowane są do wykrywania elementów metalowych. Na rynku użytkownicy mogą znaleźć sensory w obudowach prostopadłościennych i cylindrycznych, wykonanych z tworzywa lub metalu. Obszar działania wynosi od kilku dziesiątych do kilkudziesięciu mm.
Daniel Oszczęda, menedżer ds. produktów z firmy Balluff wskazuje na to, że jednym z często spotykanych rozwiązań są indukcyjne czujniki pierścieniowe serii BES IKVS. Dostępne są one z otworami o średnicach 10, 15 oraz 25 mm. W zależności od czujnika minimalna średnica wykrywanego obiektu wynosi od 2 do 4 mm dla stalowej kulki. Maksymalna prędkość wykrywanych obiektów to 60 m/s. Czujniki te doskonale nadają się do wykrywania małych elementów, poruszających się z bardzo dużą prędkością. Wbudowany moduł wydłużania sygnału wyjściowego zapewnia prawidłowy odczyt sygnału przez układ sterowania. Czujniki mają również regulację czułości. Kolejnym rozwiązaniem są czujniki indukcyjne BES Z06K montowane bezpośrednio na rurce transportowej. Minimalny wykrywany obiekt to śruba M3x5. Czujniki te mogą być montowane na rurkach o różnych średnicach. Montaż czujnika jest bardzo prosty, z wykorzystaniem opasek. Podobnie jak czujniki pierścieniowe, mają wbudowany moduł wydłużania sygnału wyjściowego.
Kolejną grupą czujników są dedykowane czujniki pojemnościowe. Montowane są na rurkach przesyłających elementy za pomocą opasek, podobnie jak czujniki indukcyjne BES Z06K. Dzięki pojemnościowej zasadzie detekcji umożliwiają wykrywanie obiektów zarówno metalowych, jak i niemetalowych. Odległość detekcji dla tych czujników to od 1 do 8 mm. Czułość czujników może być regulowana za pomocą wieloobrotowego potencjometru.
Również widełkowe bariery optyczne mogą być stosowane przy tego typu aplikacjach. Czujniki BGL o wiązce szerokości 50 mm umożliwiają pewną detekcję elementów o średnicy od 0,5 mm. Jak dodaje Daniel Oszczęda z firmy Balluff, dodatkowe wyjście informujące o zabrudzeniu lub nieprawidłowej pracy czujnika gwarantuje pewność i bezpieczeństwo całego procesu.
Typowe aplikacje, w których stosowane są czujniki indukcyjne, to wyłączniki krańcowe, pozycjonowanie, zliczanie wyrobów metalowych i inne, jak np. wykrywanie drutu za pomocą czujnika pierścieniowego.
Producenci i dystrybutorzy oferują swoim klientom również akcesoria do swoich czujników, takie jak przewody, uchwyty montażowe, odbłyśniki czy soczewki do światłowodów. Dostępne są również testery umożliwiające łatwą i szybką diagnostykę czujnika.
Producenci i dostawcy doskonale zdają sobie sprawę, że czynnikiem determinującym wybór konkretnego modelu czujnika są przede wszystkim wymagania techniczne względem sensora. Następnie istotną rolę odgrywa cena, jakość i niezawodność, a także czas dostawy oraz marka. Warto zauważyć też, że z przeprowadzonych badań wynika, iż użytkownicy czujników są wierni markom. Wśród badań ankietowych najczęściej powtarzającymi się markami są: Balluff, Sick oraz Siemens. Użytkownicy twierdzą, że o zakupie najczęściej decydują parametry techniczne oraz stosunek ceny do jakości. Nie mniej istotny jest sam poziom kosztów oraz jakość wykonania. Nie bez znaczenia pozostaje również kwestia wsparcia technicznego oferowanego dla sprzedawanych urządzeń. Choć rynek oferuje często całe systemy bezpieczeństwa ? użytkownicy najczęściej są zainteresowani samymi czujnikami. Większość dostawców jako najbardziej popularne czujniki uznała czujniki odbiciowe oraz refleksyjne, w dalszej kolejności popularnością cieszą się luminescencyjne, barierowe. Pozostałe czujniki mają zdecydowanie najmniejszy ilościowo udział w rynku czujników optycznych.
Użytkownicy zwracają uwagę, że wady czujników nie są zbyt uciążliwe, jednak zauważalne. Wśród najczęściej wymienianych pojawiają się uszkodzenia mechaniczne, które zmuszają użytkownika do wymiany sensora i narażają go na przestoje. Kolejną wadą wymienianą przez użytkowników jest częste wzajemne zakłócanie się, gdy czujniki zamontowane są w niewielkiej odległości. Kolejnym minusem są warunki pracy ? nie zawsze czujniki są odporne na silne zapylenie lub wysoką temperaturę.
Zapytaliśmy producentów i dostawców, jakie ich zdaniem sensory optyczne stosowane w automatyce mają zalety. Większość jako główną zaletę wskazała szerokie spectrum stosowania danego czujnika oraz możliwość detekcji rożnych obiektów (wysoka niezależność od parametrów, takich jak: kolor, struktura, materiał, z którego wykonano obiekt, warunki środowiskowe). Kolejną zaletą jest szybkość działania oraz precyzja detekcji. Plusem jest też duży zasięg działania/pomiaru. Jako wady zostały wskazane podobne niedoskonałości, które zostały podane przez użytkowników, m.in: brak możliwości pracy w miejscach zanieczyszczonych, takich jak zapylenie, zaolejenie czy wilgoć.
Wady tych produktów niosą za sobą naturalnie oczekiwania użytkowników. Przychylnie widziane jest zwiększenie funkcjonalności ? możliwość zastąpienia wielu typów czujników tylko kilkoma modelami, a także ujednolicenie ich standardów. Minimalizacja jest oczywiście bardzo pożądana przez użytkowników. Możliwe, że to wszystko spowoduje, iż już w niedalekiej przyszłości w ofercie producentów pojawią się produkty bardziej zaawansowane, znacznie trwalsze i odporniejsze na uszkodzenia mechaniczne.
CE