Senzory pro průmyslovou automatizaci

V průmyslové automatizaci musí PLC, případně jiné řídící obvody dostávat informace z vnějšku. Podle nich se větví program, provádějí různé úkony apod. Kromě měření elektrických veličin je často nutné sledovat polohy pístnic, umístění přípravků, nebo sledovat a měřit výrobek. Pokud se nejedná o vyloženě speciální jednoúčelové snímače, mají tyto standardní napěťové/proudové úrovně, datovou komunikaci, standardizované napájení, odolnost proti rušení a v neposlední řadě i sjednocený tvar napříč různými výrobci.

V tomto článku bych chtěl přiblížit alespoň „základní sortiment“ průmyslových snímačů, aby člověk měl alespoň nějaké povědomí co a jak se vlastně používá. Popsané parametry určitě nebudou vyčerpávající a nebudou pokrývat veškerý dostupný sortiment…

Napájení snímačů

Většina standardních snímačů je vybavena dvou až pětižilovým kabelem, nebo tří až pětipinovým konektorem M8, nebo M12. Napájení je provedeno napětím 24 V (obvyklá napěťová hladina je 9 až 30 V v závislosti na typu snímače). Napětí je obvykle stejnosměrné, ale dost snímačů umožňuje připojení i střídavého napájecího napětí. Většinou však stroje mají spínaný zdroj 230(400)/24 V dc, takže střídavé napájení je spíše výjimečné. Pokud není psáno jinak, v článku vždy myslím snímač s napájecím napětím 24 V dc.

Kabely pro snímače jsou v různém provedení v závislosti na okolním prostředí. Většinou jde o jemně slaněné vodiče (např. pro bezproblémové použití v energořetězech). Průřez vodičů je od cca 0,08 (AWG40) do 0,34 mm².

Obvyklé čísla pinů konektoru a barvy připojovacích vodičů jsou:

+24 V – hnědá barva* – pin č. 1
0 V – modrá barva* – pin č. 3
Výstup 1 – černá barva* – pin č. 4
Výstup 2 (pokud je jím snímač vybaven) – bílá barva – pin č. 2
Ostatní (např. synchronizace, …) – šedá barva – pin č. 5

*Pokud je snímač pouze dvouvodičový, barevné označení vodičů záleží na napájecím napětí. Často je hnědá (+) a modrá (výstup) u ac/dc snímačů a hnědá (+) a černá (výstup) u dc snímačů. Pozor tedy na připojení hnědá (+), modrá (-). Při sepnutí snímače by došlo ke zkratu napájecího zdroje.

Přímo na snímači, nebo na konci kabelu může být osazen konektor M8, nebo M12. Jde o kulatý konektor se závitem, který při připojení umožňuje docílit dobré těsnosti spoje. Oba konektory jsou v podstatě rovnocenné, akorát se liší velikost a mírně i rozložení pinů.

Konektor M8 – varianta 3 pin, 4 pin
Konektor M12 – varianta 3 pin, 4 pin, 5 pin
Jiný typ konektoru – více pinů, barvy vodičů často dle normy DIN 47100, ale neplatí to vždy!

Propojení s nadřazeným systémem

Výstup snímačů je řešen buď digitálním, analogovým signálem, nebo některou ze sběrnic.

Digitální výstup

Snímače můžou být buď spínací, nebo rozpínací – přiblížení detekovaného materiálu výstup buď sepne, nebo vypne. U čtyřpinových snímačů (zejména optických) je běžný spínací i rozpínací výstup (piny 2 a 4) zároveň, případně lze funkci modifikovat nastavovacím prvkem.

Drtivá většina u nás používaných snímačů má PNP výstup – při sepnutí se na výstupu objeví +24 V (propojí se svorka +24 a výstup). Výstup takového čidla se připojí přímo na vstup PLC, nebo jiného nadřazeného systému.
Dalším způsobem provedení je výstup NPN – při sepnutí se „propojí“ svorky „mínus“ a výstup. V klidovém stavu je výstup buď s kladným napájením, nebo jako otevřený kolektor. Tento druh snímačů je poměrně běžný u asijských řídících systémů.

Analogový výstup

Některé snímače mají výstup spojitý, který lze použít i pro odměřování polohy, vzdálenosti apod. Výstup těchto snímačů je buď napěťový, nebo proudový. Běžný napěťový výstup má výstupní napětí 0 – 10 V, běžný proudový výstup je 0-20, nebo častěji 4 – 20 mA.

Pokud je potřeba zkalibrovat výstup snímače s analogovým výstupem se skutečnou naměřenou hodnotou, je možné použít aplikaci pro výpočet zisku a posunu.

Nastavení zisku a posunu v modulu Siemens Logo!

Výhodou napěťového výstupu je, že většina řídících systémů (i frekvenčních měničů) má už v základu možnost připojení napěťového signálu 0 – 10 V. Např. k modulu Siemens Logo! je možné připojit až 4 napěťové signály bez nutnosti nakupování dalších externích modulů. Nevýhodou napěťového signálu je úbytek při dlouhých vedeních a možná nepřesnost vzniklá rušením.
Proudová smyčka má výhodu v odolnosti proti rušení i při velkých délkách vedení, případně je možné snímač i tímto způsobem napájet. Běžný rozsah proudu je 4 až 20 mA. Při menším procházejícím proudu je detekováno rozpojení. Více o proudové smyčce najdete v článku Proudový zdroj – princip a zapojení stabilizátoru LM317. Pro připojení snímače s proudovým výstupem je většinou nutný externí převodník, nebo vstupní karta, která připojení podporuje.

Snímač podporující sběrnici

Poměrně obvyklé se stávají i snímače podporující připojení po některé z průmyslových sběrnic. Výhodou je možnost nastavování a čtení více parametrů přímo v rozhraní PLC, připojení pouze několika málo vodiči, vzdálená diagnostika, připojení více snímačů pomocí jedné sběrnice apod. Často je možné snímač použít i jako běžný snímač s digitálním/analogovým výstupem, protože konektor pro připojení je stejný. Záleží na výrobci, jaké rozhraní použije, standardní jsou IO-Link, AS-Interface, ale také i ProfiBus, ProfiNet, …

Snímač (laserový dálkoměr) podporující sběrnici IO-Link. Ale připojit ho lze jako standartní snímač s digitálním a analogovým výstupem. Konektor je M12 – 5pin.

Druhy snímačů

Podle použití lze snímače řadit do několika skupin podle principu činnosti a tvaru.

Mechanické snímače

Nejjednodušší skupina snímačů, většinou bez potřeby složité elektroniky. Často se jedná pouze o mikrospínač, nebo jazýčkové relé zapouzdřené do tvaru snímače. Reaguje na mechanický dotyk/stisknutí pohyblivé části. Může se ale jednat i o indukční snímač (viz níže) s mechanickou konstrukcí která umožňuje dotyk s detekovaným předmětem.

U drobnějších snímačů se používají kontakty ve tvaru testovací jehly. Principiálně se jedná o mikrospínač, konstrukčně jde o testovací jehlu s nějakou (vysokou) přesností a opakovatelností.

Mechanické spínače – ve tvaru běžných snímačů a ve tvaru kontaktovacích jehel

Indukční a kapacitní snímače

Konstrukčně se jedná asi o nejuniverzálnější snímače. Vyrábí se v různých pouzdrech, s různým dosahem a osazené buď konektorem, kabelem, nebo konektorem na kabelu.

Indukční i kapacitní snímače mají na čele detekční plochu a uvnitř vyhodnocovací elektroniku. Přiblížení detekovaného předmětu vyhodnotí elektronika sepnutím výstupu. Indukční snímač reaguje na feromagnetický materiál (kovy), citlivost na hliník, nebo slitiny mědi je většinou o něco nižší. Kapacitní snímače reagují i na nekovové materiály – vhodným nastavením citlivosti je možné detekovat předmět i přes plastovou stěnu (typická aplikace při hlídání hladiny přes stěnu plastové nádoby).

Konstrukční provedení je asi nejběžnější ve válcovém těle od průměru 3 mm do 32 mm. Snímače o průměru 8 a 12 mm lze zašroubovat do běžného M8/M12 konektoru (viz výše).

Tělo snímače je hladké, nebo se závitem s jemným stoupáním. Snímač pak lze jednoduše připevnit zašroubováním a dotažením kontramatky. Nejsou ale výjimky i hranatá pouzdra s detekcí z boku, nebo i jiné provedení.

Běžné typy snímačů. Vpravo je průletové čidlo, které detekuje průlet šroubu v plastové hadici.

Magnetické snímače

Magnetické snímače reagují na intenzitu magnetického pole. Nejčastější využití těchto snímačů je u detekce polohy pneumatických/hydraulických pístnic. Přímo na pístnici je umístěný magnet, jehož pozice je přes tělo válce snímána. U starších snímačů se tak dělo pomocí jazýčkového relé – snímače tedy běžně byly dvouvodičové, případně třívodičové, pokud měly na sobě indikaci sepnutí**

Moderní magnetické snímače v sobě mají Hallovu sondu a vyhodnocovací elektroniku. Snímač tedy může mít jakýkoliv druh výstupu, je možné aby jedno čidlo snímalo dvě polohy, nebo byl jeho výstup analogový. Je možné zakoupit snímače, které mají nastavovací prvek – pístnice se nastaví do jedné polohy, stisknutím tlačítka se nastaví první výstup, poté se pístnice nastaví do druhé polohy a tlačítkem se nastaví druhý výstup. Adekvátně je možné toto provést u snímače s analogovým výstupem, kde se nastavuje minimum a maximum.

**Existují i dvouvodičové snímače s indikační LED. Tato je napájena „parazitně“ a může způsobovat i ve vypnutém stavu malý procházející proud. Pokud je takový snímač připojen k PLC může ovlivňovat kvalitu signálu (stále sepnutý vstup, pozdější vypínání apod.).

Snímače do drážky pístnic. Čtvrtý snímač zleva v sobě integruje dva snímače – má dva nastavitelné digitální výstupy. Snímač zcela vpravo dokáže odměřovat pozici pístnice – má analogový výstup.

Umístění různých senzorů v drážkách pístnice

Optické snímače

Obrovskou skupinou jsou optické snímače. Tato skupina by mohla zahrnovat vše kde je k detekci využita optika. Optické snímače vysílají paprsek při nějaké frekvenci a na tuto frekvenci světla jsou citlivé. Lze je tedy provozovat i při poměrně velké intenzitě okolního světla.

Reflexní snímače – integrují v sobě vysílač (LED světlo, nebo laser) a přijímač světelného paprsku. Jeho odraz od nějakého materiálu detekují.
Retroreflexní snímače – podobně jako výše, ale detekují odraz od odrazka. Reagují na přerušení paprsku nějakým předmětem. Samotný odraz od předmětu nedetekují.
Optické závory – Snímač může být v jednom pouzdru, nebo rozdělen na dvě části. Jedna slouží jako vysílač, druhá jako přijímač. Je detekováno přerušení paprsku.
Snímače barvy – Snímač svítí bílým světlem a detekuje odraz od předmětu. Vyhodnocuje jeho barvu, podle které spíná výstup, nebo data odesílá po sběrnici.
Dálkoměrné snímače – Snímač svítí laserovým paprskem u kterého vyhodnocuje podle doby „letu“, úhlem dopadu apod. vzdálenost předmětu. Výstup může být digitální (nastaví se funkce přímo ve snímači), analogový, nebo datový.
Snímače s vláknovou optikou – K vyhodnocovací jednotce jsou přivedeny světlovody, které je možné umístit do stísněných prostor. Samotné vyhodnocení signálu probíhá mimo testovaný prostor. Snímače mohou být reflexní, retroreflexní, jako optická závora, ale i dálkoměr, detekce barvy apod.
Měřící senzory – Většinou laserové snímače, které měří tloušťku, polohu, profil, … výrobku a ten vyhodnocují. Výstup může být pouze digitální (OK/NOK), případně datová sběrnice.
Čtečky kódů – Mohou to být jednoduché čtečky čárových kódů s laserovým paprskem, ale i kamerové systémy, které dokáží rozeznat různé 2D kódy. Odesílání kódu je časté přes RS-232, nebo jinou sběrnici. Ale je možný i digitální výstup spínaný podle nastavených pravidel, který musí kód splňovat.
Kamerové systémy – Tento typ snímačů má kameru a software, který vyhodnocuje různé aspekty zachyceného obrazu. Může to být tvar, barva, vzdálenost, počet přechodů, kontrasty, 1D, 2D kód, apod. Existují kamery s umělou inteligencí, které se naučí správný a špatný kus bez složitého nastavování.

Ostatní snímače

Výčet skupin snímačů by mohl být téměř nekonečný. Existují i jiné, méně časté snímače, které se používají ve specifických aplikacích. Rozhraní je podobné jako u předešlých skupin, ale mění se způsob a druh detekce.

Ultrazvukové senzory – Měří vzdálenost pomocí odrazu zvukové vlny. Jsou odolné vůči osvětlení, barvě a odrazivosti předmětu, vidí skrz mlhu. Výstup může být buď digitální (lze nastavit parametry sepnutí na snímači), nebo analogový.
Radarové senzory – Podobné jako ultrazvukové, ale pracují na principu odrazu radarového signálu. Používá se při měření vzdálenosti, měření hladiny v silech apod.
Vibrační hladinové snímače – Snímač má tvar ladičky, který vibruje určitou frekvencí. Při dotyku s měřeným materiálem se změní frekvence, na kterou vnitřní elektronika reaguje. Používá se při měření hladiny v silech.
Vibrační snímač – Snímá své vibrace a tím i vibrace okolí. Pomocí frekvenční analýzy dokáže detekovat opotřebení ložisek, nebo jiných pohyblivých součástí. Používá se k tzv. vibrodiagnostice.
Tlakový snímač – Buď jednoduchý membránový snímač, který porovnává dva tlaky (použití např. u vzduchotechniky na detekci zanesených filtrů), nebo tenzometr na membráně ke které je přiveden měřený tlak (princip podobný jako u váhy).
Průtokový snímač – Konstrukčně to může být přepážka v trubce proti pružině, vrtulka s magnetem v trubce. Přepážka, nebo magnet vrtulky je snímán běžným snímačem. Pozice přepážky, nebo otočení odpovídá určitému průtoku/množství látky. Ale mohou to být i ultrazvukové, termoelektrické, nebo jiné snímače založené na rozdílu tlaků měřené látky. Tento druh snímače má velké množství konstrukčních provedení. Více na Wikipedii.
Odměřování – Samostatná skupina snímačů, které slouží k přesnému odměřování poloh, úhlů apod. Přesnost těchto snímačů je již nějakým způsobem definovaná a hodně vysoká. Signály mohou být analogové, digitální i datové, záleží na principu a provedení snímače.

Jak je možné vidět, snímačů existuje ohromné množství. Vždy záleží na konkrétní aplikaci použití. Např. v místech, kde je silné magnetické pole (typicky při bodovém svařování) můžou mít některé typy snímačů nižší životnost – nelze zde dlouhodobě provozovat snímač s jazýčkovým relé, ale snímač s halovou sondou toto prostředí většinou bez problémů snáší. Pro konkrétní aplikace doporučuji navštívit web některého z výrobce a prohlédnout si „co je možné koupit“, případně prostudovat si nějaké aplikační příručky.

Výrobci snímačů (náhodný výběr):