Dobór odpowiednich czujników przemysłowych do produktu

Czujniki przemysłowe są urządzeniami służącymi do monitorowania, pomiaru i wykrywania zmian warunków środowiskowych lub operacyjnych w środowiskach przemysłowych. Czujniki te konwertują zmienne fizyczne, takie jak temperatura, ciśnienie, drgania, odległość, światło, wilgotność lub właściwości chemiczne, na sygnały, które mogą być mierzone, analizowane lub monitorowane przez system lub kontroler. Dane gromadzone przez te czujniki są niezbędne do automatyzacji procesów, poprawy bezpieczeństwa i zwiększenia wydajności w różnych branżach, takich jak produkcja, energetyka, motoryzacja, lotnictwo i inne.

Ilustracja 1: czujnik optyczny zainstalowany na przenośniku liniowym w fabryce. (Źródło ilustracji: Adobe Stock)

Kluczowa rola czujników przemysłowych

Ponieważ czujniki przemysłowe odgrywają kluczową rolę, są one niezbędne w warunkach przemysłowych dla automatyzacji, bezpieczeństwa, kontroli jakości i nie tylko.

Czujniki przemysłowe są integralną częścią automatyzacji procesów, umożliwiając działanie maszyn i systemów przy minimalnej interwencji człowieka. Pomagają one zapewnić precyzję i powtarzalność operacji, np. na liniach montażowych, w systemach robotycznych i podczas procesów pakowania.

Dzięki monitorowaniu warunków pracy sprzętu, takich jak drgania, temperatura lub ciśnienie, czujniki mogą generować wczesne sygnały ostrzegawcze przed potencjalną awarią sprzętu, umożliwiając konserwację predykcyjną i skracając nieplanowane przestoje.

Czujniki mogą również zapewnić zgodność procesów produkcyjnych z wymaganymi normami poprzez monitorowanie takich zmiennych jak temperatura, ciśnienie i dokładność wymiarowa. Na przykład czujniki optyczne mogą mierzyć wymiary produktu, aby zapewnić powtarzalność jakości.

W niebezpiecznych środowiskach funkcje te mogą mieć kluczowe znaczenie dla wykrywania niebezpiecznych warunków, takich jak ulatnianie się gazu lub nadmierna temperatura, a także wyzwalać alarmy lub mechanizmy zabezpieczające zapobiegające wypadkom.

Tymczasem monitorując takie czynniki jak temperatura, zużycie energii lub poziom płynów, czujniki mogą pomóc w optymalizacji procesów, zmniejszając odpady i zużycie energii.

Ponadto czujniki przemysłowe umożliwiają monitorowanie w czasie rzeczywistym szerokiej gamy procesów przemysłowych, dostarczając dane do systemów sterowania w celu szybkiego dostosowania i optymalizacji, pomagając w zapewnieniu płynnego i wydajnego działania.

Ilustracja 2: czujnik drgań wykorzystujący do wykrywania elementy magnetyczne. (Źródło ilustracji: Adobe Stock)

Trudność znalezienia odpowiedniego czujnika przemysłowego do konkretnego produktu

Przy tak szerokiej gamie czujników przemysłowych, dobór odpowiednich czujników przemysłowych do konkretnego produktu może często okazać się złożonym zadaniem.

Jedną z głównych trudności jest uzyskanie przejrzystej, wyczerpującej dokumentacji dla czujników przemysłowych. Różni producenci często oferują różne poziomy szczegółowości, co utrudnia bezpośrednie porównywanie specyfikacji. Czasami dokumentacja może być zbyt techniczna lub może nie zawierać informacji praktycznych, co utrudnia zrozumienie sposobu integracji czujnika z istniejącymi systemami lub działania w określonych warunkach. Ponadto w niektórych przypadkach dokumentacja produktu może nie być aktualizowana o nowsze modele lub aktualizacje oprogramowania układowego, a także może być trudna do znalezienia w witrynie internetowej producenta.

Kolejny problem przy doborze czujników często stanowi różnorodność protokołów komunikacyjnych w środowiskach przemysłowych. Środowiska przemysłowe mogą opierać się na różnych protokołach, takich jak Modbus, PROFINET, EtherNet/IP i inne. Niektóre czujniki mogą nie obsługiwać pewnych protokołów, powodując niedopasowanie do istniejących systemów sterowania lub wymagając kosztownych i czasochłonnych modyfikacji. Istnieje również inny problem, któremu trzeba stawić czoła, a mianowicie problem interoperacyjności. Oznacza to, że trzeba upewnić się, że wybrany czujnik może skutecznie komunikować się z istniejącym sprzętem i oprogramowaniem. W niektórych przypadkach do zapewnienia kompatybilności czujnika z systemem może być wymagany dodatkowy sprzęt (na przykład bramy lub konwertery), co dodatkowo komplikuje integrację.

Integracja z technologią IO-Link to kolejny problem, biorąc pod uwagę, że ten standard komunikacji dla czujników i aktuatorów jest stosunkowo nowy. Chociaż oferuje on znaczne korzyści, jego wdrożenie może wiązać się z pewnymi wyzwaniami. Stroma krzywa uczenia się, ograniczona dostępność zasobów wiedzy i ich integracja ze starszymi systemami to tylko kilka z nich.

Wreszcie, zawsze pojawia się problem ze znalezieniem dystrybutora, który posiada wystarczające zapasy wymaganych czujników. Wyzwanie to ma szczególnie duże znaczenie w branżach, w których stosowane są modele szczupłych zapasów lub które wymagają produkcji w trybie „dokładnie na czas”.

Na szczęście firma DigiKey wyróżnia się na rynku czujników przemysłowych, oferując szeroką gamę wysokiej jakości czujników pochodzących od wiodących w branży dostawców. Zostanie to dokładniej omówione w dalszej części artykułu.

Ilustracja 3: czujnik optyczny wykorzystywany w automatycznym narzędziu do inspekcji z widzeniem maszynowym. (Źródło ilustracji: Adobe Stock)

Na co zwrócić uwagę przy wyborze czujnika przemysłowego

Podczas doboru czujnika przemysłowego kierowanie się ustrukturyzowaną hierarchią decyzyjną może uprościć proces i zapewnić, że wybrany czujnik spełni wymagania danego zastosowania. Ogólnie rzecz biorąc, hierarchia decyzyjna może wyglądać mniej więcej tak:

• Typ czujnika - co czujnik musi wykrywać?
• Certyfikacje czujników - czy czujnik musi być zgodny z konkretnymi certyfikatami lub normami?
• Możliwość komunikacji - czy czujnik pozwala na komunikację z istniejącą infrastrukturą automatyki?
• Zapasy i dostępność - czy czujnik jest łatwo dostępny, jakie są czasy realizacji, czy dostępne są usługi wsparcia?
• Cena - czy cena czujnika jest opłacalna w odniesieniu do projektu pod względem kosztów początkowych, całkowitych kosztów posiadania i zwrotu z inwestycji?

Postępowanie zgodnie z tą strukturą przy doborze czujnika przemysłowego może pomóc klientom w zawężeniu opcji i znalezieniu najbardziej odpowiednich czujników, które spełniają wymagania techniczne, posiadają odpowiednie certyfikaty, są łatwo dostępne i nie nadwyrężają budżetu.

Oferta firmy DigiKey

Firma DigiKey oferuje szeroką gamę czujników przemysłowych, które zaspokoją niemal każde potrzeby. Szeroki zakres czujników magnetycznych, zbliżeniowych, ciśnienia oraz optycznych od znanych firm, takich jak SICK, Honeywell®, Banner Engineering, Pepperl+Fuchs, Endress+Hauser i wiele innych.

Ilustracja 4: czujnik SNG-SPRC-002 (u góry) oraz SNG-SPRD-004 (u dołu) od firmy Honeywell. (Źródło ilustracji: Honeywell)

Czujniki prędkości z serii SNG-S firmy Honeywell są doskonałym przykładem gamy czujników magnetycznych dostępnych w firmie DigiKey, ze specjalnie zaprojektowanym układem scalonym i magnesem trwałym. Są one zamknięte w wytrzymałych obudowach typu sondowego. Czujniki te wykrywają zmiany gęstości strumienia magnetycznego w momencie zbliżenia metalu żelaznego, generując cyfrowe impulsy wyjściowe o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości koła zębatego. Parametry działania czujnika zależą od takich czynników, jak materiał, geometria i prędkość obiektu docelowego oraz odstęp między nim a czujnikiem, a także temperatura. Seria SNG-S charakteryzuje się szerokim zakresem temperatur roboczych od -40°C do +140°C, jest niewrażliwa na obrót kątowy podczas montażu i zapewnia uszczelnienie przed czynnikami środowiskowymi klasy IP69K. Ponadto charakteryzuje się odpornością na zakłócenia elektryczne dochodzące do 100V/m, wykrywaniem prędkości zerowej, możliwością przełączania przy wysokiej częstotliwości od 0Hz do 15kHz oraz posiada pierścień uszczelniający, który zapewnia bezpieczny montaż. Omawiane czujniki są zgodne z napięciami zasilania od 4,5V do 24V i posiadają certyfikat CE.

Ilustracja 5: czujnik radarowy K50RF-8060-LDQ firmy Banner Engineering. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Seria czujników radarowych R-GAGE K50R firmy Banner Engineering to przykład jednego z najbardziej rozbudowanych asortymentów czujników zbliżeniowych, dostępnych w firmie DigiKey. Czujniki te stanowią solidne i ekonomiczne rozwiązanie do stosowania zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynków. Idealnie sprawdzają się w zastosowaniach takich jak pojazdy kierowane automatycznie (AGV), zarządzanie poziomem w zbiornikach oraz wykrywanie pojazdów w stacjach ładowania pojazdów elektrycznych (EV) i są dostępne są w wersjach 40° x 30° zapewniających precyzję porównywalną z czujnikami ultradźwiękowymi oraz 80° x 60° o szerszym pokryciu. Seria K50R zapewnia prostą integrację za pośrednictwem oprogramowania Banner Measurement Sensor i oferuje opcje dwóch wyjść dyskretnych i analogowych, a także różne akcesoria montażowe zapewniające elastyczność instalacji. Dzięki stopniowi ochrony IP67 omawiane czujniki są chronione przed deszczem, śniegiem, mgłą, parą, wiatrem i światłem słonecznym, zapewniając znakomite działanie w każdych warunkach środowiskowych. Są one odporne na kurz, brud i parę wodną, w minimalny sposób reagują na temperaturę, co zapewnia stabilne pomiary, a także oferują duży zasięg pomiarowy 5m z małą strefą martwą 50mm. Ponadto pozwalają na montaż wielu czujników w pobliżu, nie powodując zakłóceń dzięki brakowi przesłuchów.

Ilustracja 6: kompaktowe przetworniki ciśnienia z serii Cerabar PMC21 firmy Endress+Hauser. (Źródło ilustracji: Endress+Hauser)

Kompaktowe przetworniki ciśnienia z serii Cerabar PMC21 firmy Endress+Hauser zawierają ceramiczne, bezolejowe czujniki zaprojektowane z myślą o trwałości i odporności na wstrząsy ciśnieniowe. Ich ogniwa ceramiczne doskonale sprawdzają się w zastosowaniach niskociśnieniowych i próżniowych. Seria PMC21 mierzy zarówno ciśnienie bezwzględne, jak i względne w zakresie od 100mbar do 40bar. Komunikacja odbywa się głównie dzięki sygnałowi 4-20mA, podłączanemu za pomocą wtyczki M12 lub wtyczki zaworowej. Zasięg czujników i przyłącza technologiczne powinny być dostosowane do potrzeb konkretnego zastosowania. Omawiane przetworniki zostały zaprojektowane z myślą o wymagających środowiskach przemysłu przetwórczego i charakteryzują się stopniem ochrony do IP68, posiadają bardzo trwałą membranę Ceraphire oraz obudowę ze stali nierdzewnej 316L. Dzięki licznym certyfikatom, w tym aprobatom do stosowania w strefach niebezpiecznych i morskich, są odpowiednie do szerokiego zakresu zastosowań. Potencjalne korzyści dla użytkowników to m.in. łatwość użycia, wysokie parametry działania, długoterminowa stabilność i doskonała jakość materiałów.

Firma DigiKey oferuje swym klientom również znakomite czujniki optyczne, jak np. przemysłowe kamery zdarzeń VOC firmy Pepperl+Fuchs® lub czujniki z serii CLV69x firmy SICK.

Ilustracja 7: urządzenie VOC10M-F256-B12-V1D-CR03 oferowane przez firmę Pepperl+Fuchs. (Źródło ilustracji: Pepperl+Fuchs)

Przemysłowa kamera zdarzeń VOC firmy Pepperl+Fuchs jest przeznaczona do sterowanej zdarzeniami rejestracji obrazu do 60 sekund przed i po sygnale wyzwalającym, co ułatwia ukierunkowaną zdalną diagnostykę i automatyczną dokumentację. Kamera rejestruje wideo w przypadku usterki, wstępnie zdefiniowanego statusu lub procesu, automatycznie oznacza znacznikiem czasu i posiada interfejs protokołu datagramów użytkownika (User Datagram Protocol) do tworzenia dynamicznych nakładek tekstowych, co przyspiesza i ułatwia pobieranie plików. Idealnie sprawdza się w monitorowaniu zautomatyzowanych magazynów wysokiego składowania oraz w zastosowaniach bezpieczeństwa. Posiada interfejs sieciowy umożliwiający dostęp do plików wideo i transmisji strumieniowych na żywo, pierścieniowy bufor wideo do automatycznego nagrywania oraz wyzwalanie za pośrednictwem protokołu UDP, interfejsu API REST lub cyfrowego wejścia sprzętowego w celu integracji. Omawiana kamera ma minimalny odstęp montażu wynoszący 0,05m do nieskończoności. Obsługuje rozdzielczości do 1280 x 720 (HD) i może przechowywać maksymalnie 10 tysięcy zdarzeń na karcie microSD o pojemności 8GB. Działa przy napięciach od 18V= do 28V= i wykorzystuje takie protokoły jak TCP/IP, HTTP, FTP) oraz RTSP, a także posiada stopień ochrony IP65.

Ilustracja 8: model CLV690-1000 (po lewej) i model CLV691-0000 (po prawej) firmy SICK. (Źródło ilustracji: SICK)

Seria skanerów kodów kreskowych CLV69x firmy SICK wykorzystuje wbudowaną technologię rekonstrukcji kodów SMART+, która umożliwia odczytywanie nawet zanieczyszczonych i uszkodzonych kodów kreskowych. Omawiane stacjonarne skanery kodów kreskowych 1D zapewniają znakomite parametry odczytu, szybkość przetwarzania i wysoką dokładność. Posiadają one funkcję automatycznego nastawiania ostrości, która wykorzystuje wbudowany pomiar odległości do niezależnego od wysokości odczytu kodów w polu skanowania. Ponadto przyjazny dla użytkownika system operacyjny SOPAS ET zapewnia prostotę parametryzacji. Dzięki zintegrowanemu śledzeniu, skaner może realizować swoje standardowe zastosowania bez konieczności używania dodatkowego kontrolera systemowego. Nowatorska łączność, w tym wbudowana pamięć parametrów, pozwala na szybką wymianę skanera i łatwą integrację w różnych zastosowaniach. Kluczowe funkcje obejmują automatyczne nastawianie ostrości w czasie rzeczywistym zapewniające dużą głębię ostrości, elastyczną technologię wtyczek klonujących, magistralę CAN, łączność Ethernet i komunikację szeregową, a także zaawansowane funkcje sortowania, filtrowania i logiczne. Użyteczność zwiększa zintegrowany bargraf LED z przyciskami.

Podsumowanie

Dzięki szerokiemu wyborowi czujników przemysłowych dostępnych w firmie DigiKey klienci mogą znaleźć czujnik odpowiadający ich konkretnym potrzebom i dający niezrównaną wartość w branży automatyki. Firmy SICK i Banner znane są z zaawansowanych czujników oraz innowacyjnego wkładu w integrację z Internetem rzeczy (IoT). Firma Pepperl+Fuchs przoduje w komunikacji czujników, podczas gdy Endress+Hauser jest liderem w dziedzinie oprzyrządowania pomiarowego, zwłaszcza do pomiaru ciśnienia i płynów. Chociaż firma Honeywell jest mniejszym graczem, to oferuje wyspecjalizowane czujniki wzbogacające zróżnicowane portfolio firmy DigiKey, któremu nie dorównują oferty konkurencji.

Źródło: Dobór odpowiednich czujników przemysłowych do produktu

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.