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Los sensores de fibra óptica funcionan bien en espacios reducidos y en aplicaciones con un alto grado de ruido eléctrico, pero se debe tener cuidado al especificar estos componentes críticos.
La detección de la presencia de piezas en máquinas, utillajes y transportadores es un componente importante de la automatización industrial. A menudo se requiere la detección de errores en el ensamblaje y el control de la secuencia según la presencia o ausencia de una pieza. En muchos casos, no se puede asumir que la pieza está donde debería estar o que el nido está vacío como se espera, por lo que se debe utilizar un sensor de presencia para la verificación.
Existen muchos tipos de sensores, incluyendo inductivos, magnéticos, capacitivos y fotoeléctricos. Cada uno presenta sus propias ventajas y desventajas según la aplicación. Sin embargo, los sensores fotoeléctricos ofrecen la mayor variedad de tipos y tecnologías, así como la gama más amplia de aplicaciones.
Los sensores fotoeléctricos se ofrecen con diversos tipos de emisión de luz (infrarroja, roja visible, láser de clase 1 y 2), tecnologías de detección (difusa, supresión de fondo, reflectante, barrera) y configuraciones de carcasa (fotocélula o fibra óptica). Este artículo se centra en la especificación y aplicación de sensores de fibra óptica, que ofrecen capacidades avanzadas y opciones de configuración, y son ideales para espacios reducidos que resultan demasiado pequeños para un sensor fotoeléctrico.
Tecnología de fibra óptica
Los sensores de fibra óptica, a veces llamados sensores fotoeléctricos de fibra, incluyen dos dispositivos que normalmente se especifican por separado: el amplificador, a menudo llamado amplificador electrónico o fotoeléctrico de fibra; y el cable de fibra óptica, que incluye el cabezal del sensor óptico y el cable de fibra que transmite luz hacia y desde el amplificador.
La teoría básica de todos los sensores fotoeléctricos es bastante simple. Cada célula fotoeléctrica cuenta con un emisor de luz que produce la señal fuente y un receptor que la busca. Existen diversas tecnologías para detectar y medir la luz transmitida al receptor. Por ejemplo, los sensores de supresión de fondo detectan el ángulo de retorno de la luz, mientras que las células fotoeléctricas estándar detectan la cantidad de luz, denominada ganancia excesiva, que regresa al sensor. Otros sensores monitorizan el tiempo que tarda la luz en regresar, lo que permite medir la distancia.
Hay una variedad de amplificadores de fibra óptica disponibles, con opciones de configuración desde simples hasta avanzadas.
Los fotocélulas alojan el emisor y el receptor en un solo cabezal óptico, como el utilizado en las unidades de difusión y reflexión, o en dos cabezales ópticos, como los utilizados en las unidades de barrera. Los sensores de fibra óptica integran toda la electrónica en una sola carcasa, con los cabezales ópticos del emisor y el receptor separados y conectados a la carcasa electrónica mediante un cable de fibra. La luz emitida y recibida viaja a través de estos cables de fibra, de forma similar a los datos de alta velocidad en las redes de fibra óptica.
Una ventaja de esta segregación es que solo es necesario montar el cabezal del sensor en la máquina. El cable de fibra óptica integrado se enruta y se conecta al amplificador, que puede montarse en un lugar seguro (normalmente una caja de control), protegiéndolo del entorno de fabricación, a menudo hostil.
La variedad de opciones disponibles, tanto para amplificadores como para cables de fibra óptica, es enorme. Los amplificadores varían desde los más básicos hasta los más avanzados, y los fabricantes de máquinas siguen demandando más funciones, incluyendo capacidades lógicas y de comunicación.
Amplificadores de sensores de fibra óptica
Los amplificadores de fibra óptica varían desde aquellos con electrónica básica y funcionalidad plug-and-play hasta modelos con electrónica totalmente configurable (Fig. 1). Algunos incluso cuentan con unidades electrónicas que pueden gestionar hasta 15 entradas de fibra en una configuración similar a la de un colector. La indicación de salida es muy recomendable en la electrónica de fibra óptica, ya que indica el correcto funcionamiento del sensor, pero se deben especificar otras funciones básicas (Tabla 1). El formato de salida y la conexión a los amplificadores son importantes porque definen la interfaz con el controlador, y la programación de los puntos de ajuste de encendido y apagado es parte integral de la configuración del amplificador.
Normalmente abierto o normalmente cerrado, así como conmutación mediante sumidero, fuente o contrafase. Esto permite que el dispositivo sumidero o fuente de la señal automáticamente, dependiendo del cableado del circuito. Las opciones de conexión eléctrica suelen estar precableadas con un cable de al menos dos metros de longitud, o con una desconexión rápida con un conector multipin estándar M8 o M12. La configuración de los interruptores se programa mediante un potenciómetro o digitalmente mediante pulsadores.
Más allá de lo básico, las capacidades avanzadas del amplificador ofrecen una gran flexibilidad con funciones como salidas de pulsos, retardos de encendido/apagado y la posibilidad de eliminar señales intermitentes. Esta electrónica avanzada permite a los fabricantes de máquinas ajustar los parámetros del amplificador según las necesidades de la aplicación.
Los retardos de encendido/apagado suelen ser deseables para ralentizar la reacción del sistema de control a los cambios en los parámetros detectados. En el caso de señales intermitentes, algunas aplicaciones presentan al sensor señales espurias y de corta duración que no son coherentes con las condiciones generales de funcionamiento. La posibilidad de eliminar estas señales en el sensor libera al controlador de esta tarea.
La mayoría de los modelos incluyen LED de estado de salida, mientras que algunos ofrecen pantallas graduadas para ofrecer una visión general de la intensidad de la señal y el estado de salida. Las unidades más avanzadas cuentan con pantallas OLED multilínea con diagnóstico y programación personalizados.
El filtrado es una opción que suele necesitarse con frecuencias de muestreo más altas, ya que proporciona una medición más resistente y menos susceptible a las condiciones ambientales. Sin embargo, esta señal más potente requiere que la unidad funcione a frecuencias de conmutación más lentas. Las salidas de pulsos permiten el estiramiento de la señal de entrada, lo que puede ser útil cuando la frecuencia de operación es demasiado rápida para una entrada de PLC. Los retardos de encendido/apagado permiten a los fabricantes de máquinas añadir temporizadores cuando la señal de salida se inicia y se detiene.
Las unidades avanzadas ofrecen más opciones de programación, como ajustes de sensibilidad. Con estas opciones, los fabricantes de máquinas pueden programar la máquina para que detecte la ausencia o presencia de piezas, o ambas, incluso con materiales difíciles como el vidrio. Esta función de programación reduce o elimina la necesidad de programar el controlador para realizar estas funciones. También pueden programar la salida para que se active o desactive dentro de dos puntos de conmutación. Por ejemplo, para el posicionamiento de piezas, un interruptor podría activarse en una posición y desactivarse en otra, como en la señal de nivel de llenado de una bomba.
Viendo la luz con el cable de fibra
Los cables de fibra óptica no conducen electricidad, sino que transmiten luz. Vienen en diversas configuraciones con diferentes tipos de materiales y estilos de cabezal óptico (Fig. 2). La Tabla 2 enumera algunas de las decisiones que deben tomarse al especificar un cable de fibra óptica.
Existen muchas opciones de cables y cabezales de fibra óptica; hacer la selección adecuada depende en gran medida de los requisitos de la aplicación.
Los cables de fibra óptica difusa tienen dos conductores que se insertan en el amplificador para la luz del emisor y del receptor, unidos cerca del cabezal óptico. Los cables de fibra óptica de barrera son dos cables idénticos e independientes que se conectan al amplificador, cada uno con su propio cabezal óptico. Un cable transmite la luz de emisión y el otro la luz de recepción. Un error común es pedir solo un cable de barrera, ya que algunos proveedores pueden proporcionar una pieza por número de pieza, mientras que otros empaquetan los dos cables necesarios.
Los materiales de fibra suelen ser de plástico o vidrio. Las unidades de plástico son más delgadas, más económicas y ofrecen un radio de curvatura más estrecho, mientras que las de vidrio tienden a ser más resistentes y soportan temperaturas de funcionamiento más altas. Las fibras de plástico se pueden cortar a la longitud deseada con una cortadora especial de un solo uso; las fibras de vidrio no se pueden cortar una vez recibidas del proveedor. El material de la cubierta de la fibra también puede variar desde un plástico extruido básico hasta un trenzado de acero inoxidable para funcionar de forma fiable en los entornos más exigentes.
La selección del cabezal óptico es crucial en la especificación de un sensor de fibra óptica, ya que afecta significativamente la detección de las pequeñas piezas fijas o móviles presentes en la mayoría de las aplicaciones. La selección del cabezal difiere en la orientación angular y la dispersión de la óptica del emisor y del receptor respecto al objeto a detectar. Los cabezales pueden tener haces de fibra redondeados para proyectar un haz circular, o bien extenderse para formar una proyección horizontal en forma de cinta.
Los haces circulares en un cabezal difuso pueden bifurcarse estrictamente, con todas las fibras emisoras en una mitad y todas las fibras receptoras en la otra. Esto es común, pero puede causar un retraso en la lectura de una pieza que se mueve perpendicularmente a la línea de bifurcación. Otra opción es tener las fibras emisoras y receptoras distribuidas uniformemente en el cabezal para producir un haz más homogéneo. La mezcla homogénea de fibras proporciona una exposición igual a la luz emisora y receptora, y proporciona detección independiente de la dirección de desplazamiento de la pieza.
El alcance de detección de la fibra óptica se verá afectado por el amplificador, la longitud del cable de fibra y el tipo de cabezal óptico. Por lo tanto, suele ser difícil determinar un alcance de trabajo exacto, pero los proveedores suelen proporcionar una estimación. En general, la fibra óptica de barrera tiene mayor alcance que la difusa. Cuanto más largo sea el cable de fibra, menor será el alcance, y los amplificadores avanzados suelen ofrecer señales de emisión más potentes y también mayores alcances.
Conexión de sensores de fibra óptica
El uso de E/S distribuidas y dispositivos inteligentes distribuidos ha aumentado en la automatización de máquinas, y los sensores de fibra óptica no son la excepción. Conectar varios cables de sensores de fibra óptica a un único colector electrónico tiene sus ventajas.
Los amplificadores de fibra óptica suelen ser unidades independientes de un solo canal. Gracias a sus carcasas delgadas y su montaje en riel DIN, se pueden colocar fácilmente en un panel. Una desventaja puede ser el cableado de las conexiones eléctricas de cada amplificador.
Otra opción es utilizar un colector de fibra óptica, que agrupa múltiples canales de fibra en un punto central de control y eléctrico (Fig. 3). Estos colectores de fibra óptica suelen utilizar una pantalla OLED con menús que permiten programar cada canal de fibra. Cada canal de fibra puede configurarse por separado, como el encendido con luz o en oscuridad, y la histéresis de conmutación. Este control central también permite agrupar las salidas mediante lógica AND/OR básica, lo que puede reducir y simplificar la señal de salida al PLC.
Los colectores de fibra óptica con electrónica de expansión simplifican y reducen la cantidad de cables que llegan al controlador de la máquina al convertir las señales de los sensores en datos digitales y combinarlas lógicamente si se desea. En la imagen se muestra el nuevo colector de fibra óptica OPT2042 de tres canales de AutomationDirect, ampliable a 15 canales. Admite diversas fibras ópticas de plástico y vidrio, y transmite y recibe datos a través de IO-Link para permitir diagnósticos completos de 15 canales en un solo conector de 4 pines. También se puede conectar con dos conectores M12 de 8 pines para cablear cada canal si es necesario, por ejemplo, en aplicaciones donde el controlador no es compatible con IO-Link.
Aplicaciones y problemas
La fibra óptica funciona bien y se usa comúnmente en aplicaciones donde se genera un ruido eléctrico significativo debido a fuentes como la soldadura automatizada, los variadores de frecuencia y los motores. El cableado de fibra es inmune al ruido eléctrico y los componentes electrónicos pueden instalarse en una carcasa blindada, lejos del ruido.
Otra aplicación muy común es el ensamblaje de piezas pequeñas. Estas operaciones suelen estar completamente automatizadas y, por lo tanto, requieren múltiples sensores para confirmar la colocación de la pieza (asentada) y la verificación del ensamblaje para confirmar la finalización de la operación. Normalmente, las piezas entran y salen rápidamente de una plataforma sobre transportadores o una mesa de indexación. Dado que la tolerancia de desplazamiento es mínima, la medición precisa de la posición se vuelve esencial.
Una solución de fibra óptica ofrece diversas opciones de tamaño de cabezal, orientación y dispersión de luz para lograr el enfoque de luz más pequeño y preciso para cada aplicación, independientemente del tamaño de la carcasa eléctrica. Gracias a la lógica integrada, un canal de un sensor de dos canales puede confirmar que una pieza está en su lugar para activar el ensamblaje, mientras que el otro canal confirma que el ensamblaje se ha completado.
Un problema común en las instalaciones de fibra óptica es la flexión excesiva de las fibras. Dado que los cables de fibra óptica están compuestos por haces de fibras individuales, suelen ser bastante flexibles, lo que permite al instalador doblarlas fácilmente más allá del radio de curvatura máximo recomendado. Esto puede causar una deformación plástica irrecuperable de las fibras, lo que reducirá la transmisión de luz o, en el peor de los casos, la cortará por completo. El radio de curvatura máximo, indicado para todas las fibras, varía según el material de la fibra, el tamaño del haz y la dispersión de las fibras en el haz, y debe respetarse en todos los casos.
Independientemente de la aplicación, los fabricantes de máquinas deben seleccionar la tecnología de sensores adecuada. Si se utilizan sensores de fibra óptica, los amplificadores y cabezales de fibra óptica deben seleccionarse cuidadosamente para la aplicación a fin de proporcionar un rendimiento de detección robusto.
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