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Faseroptische Sensoren funktionieren gut in beengten Bereichen und in Anwendungen mit einem hohen Maß an elektrischem Rauschen, aber bei der Spezifizierung dieser kritischen Komponenten ist Vorsicht geboten.
Die Erkennung von Bauteilen in Maschinen, Vorrichtungen und Förderbändern ist ein wichtiger Bestandteil der industriellen Automatisierung. Die Fehlervermeidung in der Montage und die Steuerung von Abläufen basierend auf der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Bauteils sind häufig erforderlich. In vielen Fällen kann man nicht einfach davon ausgehen, dass sich das Bauteil am vorgesehenen Ort befindet oder die Vorrichtung wie erwartet leer ist. Daher muss ein Anwesenheitssensor zur Überprüfung eingesetzt werden.
Es gibt viele verschiedene Sensortypen, darunter induktive, magnetische, kapazitive und fotoelektrische Sensoren. Jeder Typ hat je nach Anwendung seine Stärken und Schwächen. Fotoelektrische Sensoren bieten jedoch die größte Vielfalt an Typen und Technologien sowie das breiteste Anwendungsspektrum.
Fotoelektrische Sensoren sind mit verschiedenen Lichtemissionsarten (Infrarot, sichtbares Rot, Laser Klasse 1 und 2), Sensortechnologien (diffus, Hintergrundunterdrückung, reflektierend, Durchlicht) und Gehäusekonfigurationen (Fotozelle oder Glasfaser) erhältlich. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Spezifikation und Anwendung von Glasfasersensoren, die erweiterte Funktionen und Konfigurationsmöglichkeiten bieten und sich hervorragend für beengte Bereiche eignen, die für Fotozellen zu klein sind.
Glasfasertechnologie
Faseroptische Sensoren, manchmal auch faseroptische fotoelektrische Sensoren genannt, umfassen zwei Geräte, die typischerweise separat spezifiziert werden: den Verstärker, oft auch Elektronik oder faseroptischer fotoelektrischer Verstärker genannt; und das faseroptische Kabel, das den optischen Sensorkopf und das Glasfaserkabel umfasst, das Licht zum und vom Verstärker überträgt.
Die grundlegende Funktionsweise aller fotoelektrischen Sensoren ist recht einfach. Jede Fotozelle besitzt einen Lichtsender, der das Quellsignal erzeugt, und einen Empfänger, der dieses Signal erfasst. Es gibt viele verschiedene Technologien zur Erfassung und Messung des zum Empfänger übertragenen Lichts. Beispielsweise messen Sensoren mit Hintergrundausblendung den Einfallswinkel des Lichts, während Standard-Fotozellen die Menge des zum Sensor zurückkehrenden Lichts, die sogenannte Überschussverstärkung, messen. Andere Sensoren erfassen die Laufzeit des Lichts und ermöglichen so die Entfernungsmessung.
Es ist eine Vielzahl von Glasfaserverstärkern mit einfachen bis hin zu komplexen Konfigurationsmöglichkeiten erhältlich.
Lichtschranken vereinen Sender und Empfänger entweder in einem einzigen optischen Sensorkopf (wie bei diffusen und reflektierenden Einheiten) oder in zwei optischen Sensorköpfen (wie bei Durchlichtsensoren). Faseroptische Sensoren hingegen integrieren die gesamte Elektronik in ein einziges Gehäuse. Die optischen Köpfe für Sender und Empfänger sind vom Elektronikgehäuse getrennt und über ein Glasfaserkabel mit diesem verbunden. Das ausgesendete und empfangene Licht wird durch diese Glasfaserkabel übertragen, ähnlich wie Hochgeschwindigkeitsdaten in Glasfasernetzen.
Ein Vorteil dieser Trennung besteht darin, dass nur der Sensorkopf an der Maschine montiert werden muss. Das integrierte Glasfaserkabel wird zum Verstärker geführt und dort angeschlossen. Der Verstärker kann an einem sicheren Ort (typischerweise einem Schaltschrank) montiert werden und ist somit vor den oft rauen Bedingungen der Fertigungsumgebung geschützt.
Die Auswahl an Verstärkern und Glasfaserkabeln ist riesig. Verstärker reichen von einfachen bis hin zu hochentwickelten Modellen, und Maschinenbauer fordern stetig mehr Funktionen, darunter Logik- und Kommunikationsfähigkeiten.
Faseroptische Sensorverstärker
Die Bandbreite an Glasfaserverstärkern reicht von Modellen mit einfacher Elektronik und Plug-and-Play-Funktionalität bis hin zu solchen mit vollständig konfigurierbarer Elektronik (Abb. 1). Einige verfügen sogar über Elektronikeinheiten, die bis zu 15 Glasfasereingänge in einer verzweigten Konfiguration verarbeiten können. Eine Ausgangsanzeige ist bei Glasfaserelektronik äußerst wünschenswert, da sie die korrekte Funktion des Sensors signalisiert. Weitere Basisfunktionen (Tabelle 1) müssen jedoch spezifiziert werden. Das Ausgangsformat und der Anschluss an die Verstärker sind wichtig, da sie die Schnittstelle zum Controller definieren. Das Anlernen der Ein- und Ausschalt-Sollwerte ist ein integraler Bestandteil der Verstärkerkonfiguration.
Normalerweise offen oder normalerweise geschlossen – sowie Schaltvorgänge über Senken, Quellen oder Push-Pull. Dadurch kann das Gerät das Signal je nach Verdrahtung des Stromkreises automatisch entweder aufnehmen oder abgeben. Die elektrischen Anschlussmöglichkeiten sind in der Regel mit mindestens zwei Metern Kabellänge vorverdrahtet oder mit einer Schnellkupplung mit einem Standard-M8- oder M12-Mehrpolstecker ausgestattet. Die Schalteinstellungen werden über ein Potentiometer oder digital über Drucktasten programmiert.
Über die grundlegenden Funktionen hinaus bieten fortschrittliche Verstärkerfunktionen erhebliche Flexibilität, beispielsweise durch Impulsausgänge, Ein-/Ausschaltverzögerungen und die Möglichkeit, intermittierende Signale zu eliminieren. Diese hochentwickelte Elektronik ermöglicht es Maschinenbauern, die Verstärkerparameter detailliert und anwendungsspezifisch anzupassen.
Ein-/Ausschaltverzögerungen sind oft erwünscht, um die Reaktion des Regelsystems auf Änderungen der Messparameter zu verlangsamen. Bei intermittierenden Signalen liefern manche Anwendungen dem Sensor kurzzeitige Störsignale, die nicht mit den allgemeinen Betriebsbedingungen übereinstimmen. Die Möglichkeit, diese Signale am Sensor zu eliminieren, entlastet den Regler von dieser Aufgabe.
Die meisten Modelle verfügen über Status-LEDs, einige bieten zudem abgestufte Displays zur groben Anzeige von Signalstärke und Ausgangsstatus. Fortgeschrittenere Geräte besitzen mehrzeilige OLED-Displays mit individueller Diagnose- und Programmierfunktion.
Bei höheren Abtastraten ist die Filterung oft erforderlich, da sie eine robustere und weniger anfällige Messung gegenüber Umgebungsbedingungen ermöglicht. Dieses stärkere Signal erfordert jedoch einen Betrieb des Geräts mit niedrigeren Schaltfrequenzen. Impulsausgänge ermöglichen die Dehnung des Eingangssignals, was hilfreich sein kann, wenn die Betriebsfrequenz für einen SPS-Eingang zu hoch ist. Ein-/Ausschaltverzögerungen ermöglichen es Maschinenbauern, Timer für den Start und Stopp des Ausgangssignals hinzuzufügen.
Moderne Einheiten bieten erweiterte Programmieroptionen, wie z. B. Empfindlichkeitseinstellungen. Mithilfe dieser Optionen können Maschinenbauer der Maschine beibringen, das Fehlen oder Vorhandensein eines Werkstücks zu erkennen – selbst bei schwierigen Materialien wie Glas. Diese Programmierfunktion reduziert oder eliminiert den Programmieraufwand für die Steuerung. Sie können den Ausgang auch so programmieren, dass er innerhalb von zwei Schaltpunkten ein- und ausgeschaltet wird. Beispielsweise könnte bei der Werkstückpositionierung ein Schalter an einer Position ein- und an einer anderen Position ausgeschaltet werden, etwa bei einem Füllstandssignal für eine Pumpenanwendung.
Lichtblicke dank Glasfaserkabel
Glasfaserkabel leiten keinen Strom, sondern übertragen Licht. Sie sind in verschiedenen Ausführungen mit unterschiedlichen Materialien und optischen Steckertypen erhältlich (Abb. 2). Tabelle 2 listet einige der Kriterien auf, die bei der Spezifizierung von Glasfaserkabeln zu berücksichtigen sind.
Für Glasfaserkabel und -köpfe gibt es eine Vielzahl von Optionen; die richtige Auswahl hängt stark von den Anwendungsanforderungen ab.
Diffuse Glasfaserkabel besitzen zwei Adern, die in den Verstärker für Sender- und Empfängerlicht eingeführt werden. Die beiden Adern sind in der Nähe des optischen Kopfes zusammengeführt. Durchlicht-Glasfaserkabel bestehen aus zwei separaten, identischen Kabeln, die jeweils mit einem eigenen optischen Kopf an den Verstärker angeschlossen werden. Ein Kabel überträgt das Sendelicht, das andere das Empfangslicht. Ein häufiger Fehler ist die Bestellung nur eines Durchlicht-Glasfaserkabels, da manche Anbieter nur ein Kabel pro Artikelnummer liefern, während andere die benötigten zwei Kabel verpacken.
Fasermaterialien bestehen in der Regel entweder aus Kunststoff oder Glas. Kunststofffasern sind dünner, kostengünstiger und ermöglichen einen engeren Biegeradius, während Glasfasern robuster sind und höhere Betriebstemperaturen vertragen. Kunststofffasern lassen sich mit einem speziellen Einwegschneider auf die gewünschte Länge zuschneiden; Glasfasern können nach Erhalt vom Lieferanten nicht mehr gekürzt werden. Auch das Material des Fasermantels kann variieren – von einfachem extrudiertem Kunststoff bis hin zu Edelstahlgeflecht für zuverlässigen Betrieb selbst unter härtesten Bedingungen.
Die Auswahl des optischen Sensorkopfes ist der wichtigste Aspekt bei der Spezifikation faseroptischer Sensoren, da sie die Detektion kleiner stationärer oder beweglicher Teile in den meisten Anwendungen maßgeblich beeinflusst. Die Auswahl des Sensorkopfes unterscheidet sich hinsichtlich der Ausrichtung der Sender- und Empfängeroptik in Bezug auf Winkel und Dispersion zum zu detektierenden Objekt. Sensorköpfe können runde Faserbündel zur Erzeugung eines kreisförmigen Strahls aufweisen oder sich zu einer horizontalen, bandartigen Projektion ausbreiten.
Runde Faserbündel in einem Diffusorkopf können strikt in zwei Hälften geteilt werden, wobei sich alle Sende- und alle Empfangsfasern auf der einen Hälfte befinden. Dies ist gängige Praxis, kann aber bei der Erfassung von Teilen, die sich senkrecht zur Teilungslinie bewegen, zu Verzögerungen führen. Alternativ können die Sende- und Empfangsfasern gleichmäßig im Kopf verteilt werden, um einen homogeneren Lichtstrahl zu erzeugen. Durch die homogene Fasermischung wird eine gleichmäßige Belichtung von Sende- und Empfangslicht erreicht, wodurch die Detektion unabhängig von der Bewegungsrichtung des Teils erfolgt.
Die Reichweite von Glasfasersensoren hängt vom Verstärker, der Glasfaserkabellänge und dem Typ des optischen Messkopfes ab. Daher lässt sich die genaue Reichweite meist nur schwer bestimmen, Hersteller geben jedoch in der Regel eine Schätzung an. Im Allgemeinen hat die Durchlichtmessung eine größere Reichweite als die diffuse Messung. Je länger das Glasfaserkabel, desto geringer die Reichweite. Moderne Verstärker hingegen senden in der Regel stärkere Signale und erzielen damit auch größere Reichweiten.
Verbindung von faseroptischen Sensoren
Der Einsatz von verteilten Ein-/Ausgabegeräten und verteilten intelligenten Geräten hat in der Maschinenautomatisierung stetig zugenommen, und faseroptische Sensoren bilden hier keine Ausnahme. Die Verbindung mehrerer faseroptischer Sensorkabel mit einem einzigen Elektronikverteiler bietet einige Vorteile.
Glasfaserverstärker sind typischerweise einkanalige, eigenständige Geräte. Dank ihrer schlanken Gehäuse und der gängigen DIN-Schienenmontage lassen sie sich problemlos in einem Bedienfeld integrieren und stapeln. Ein Nachteil kann die Verlegung der elektrischen Anschlüsse für jeden einzelnen Verstärker sein.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Glasfaserverteilers, der mehrere Glasfaserkanäle an einem zentralen Steuer- und Anschlusspunkt bündelt (Abb. 3). Diese Glasfaserverteiler verfügen typischerweise über ein OLED-Display mit Menüs zur Programmierung jedes einzelnen Glasfaserkanals. Jeder Glasfaserkanal kann separat konfiguriert werden, beispielsweise durch Einstellen des Licht- oder Dunkelmodus und Aktivieren der Hysterese. Diese zentrale Steuerung ermöglicht zudem die Gruppierung von Ausgängen mittels einfacher UND/ODER-Logik, wodurch das Ausgangssignal für die SPS reduziert und vereinfacht werden kann.
Glasfaserverteiler mit Erweiterungselektronik vereinfachen die Verkabelung der Maschinensteuerung und reduzieren deren Anzahl, indem sie Sensorsignale in digitale Daten umwandeln und diese bei Bedarf logisch kombinieren. Abgebildet ist der neue dreikanalige Glasfaserverteiler OPT2042 von AutomationDirect, der auf 15 Kanäle erweiterbar ist. Er ist mit verschiedenen Kunststoff- und Glasfasern kompatibel und sendet und empfängt Daten über IO-Link, um die vollständige 15-Kanal-Diagnostik über einen einzigen 4-poligen Stecker zu ermöglichen. Alternativ kann er bei Bedarf auch mit zwei 8-poligen M12-Steckern verdrahtet werden, um jeden Kanal fest anzuschließen – beispielsweise in Anwendungen, in denen die Steuerung kein IO-Link unterstützt.
Anwendungen und Probleme
Glasfasertechnik eignet sich hervorragend und wird häufig in Anwendungen eingesetzt, in denen erhebliche elektrische Störungen durch Quellen wie automatisiertes Schweißen, Frequenzumrichter und Motoren entstehen. Glasfaserkabel sind unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen, und die Elektronik kann in einem abgeschirmten Gehäuse fernab der Störquellen montiert werden.
Eine weitere sehr häufige Anwendung ist die Montage von Kleinteilen. Diese Vorgänge sind in der Regel vollautomatisiert und erfordern daher mehrere Sensoren zur Bestätigung der Teilepositionierung (Einpassung) sowie eine Montageprüfung zur Bestätigung des Abschlusses eines Vorgangs. Typischerweise werden die Teile schnell auf Trägern oder einem Rundtisch in eine Positionsvorrichtung hinein- und herausbewegt. Da die Verfahrtoleranz minimal ist, ist eine präzise Positionsmessung unerlässlich.
Eine faseroptische Lösung bietet verschiedene Optionen hinsichtlich Kopfgröße, Ausrichtung und Lichtstreuung, um für jede Anwendung – unabhängig von der Größe des elektrischen Gehäuses – eine optimale und präzise Lichtfokussierung zu gewährleisten. Dank integrierter Logik kann ein Kanal eines Zweikanalsensors bestätigen, dass ein Bauteil positioniert ist und einen Montagevorgang auslösen, während der andere Kanal die erfolgreiche Montage bestätigt.
Ein häufiges Problem bei Glasfaserinstallationen ist die übermäßige Biegung der Fasern. Da Glasfaserkabel aus Bündeln einzelner Fasern bestehen, fühlen sie sich in der Regel sehr biegsam an, sodass Installateure die Fasern leicht über den empfohlenen maximalen Biegeradius hinaus biegen können. Dies kann zu irreversiblen plastischen Verformungen der Fasern führen, wodurch die Lichtübertragung reduziert oder im schlimmsten Fall die Faser vollständig durchtrennt wird. Der maximale Biegeradius, der bei allen Fasern angegeben ist, variiert je nach Fasermaterial, Bündelgröße und Faserdispersion im Bündel – und muss in jedem Fall eingehalten werden.
Unabhängig von der Anwendung müssen Maschinenbauer die geeignete Sensortechnologie auswählen. Werden faseroptische Sensoren verwendet, müssen Verstärker und faseroptische Sensoren sorgfältig auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden, um eine zuverlässige Sensorleistung zu gewährleisten.
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