Оптоволоконные датчики в системах промышленной автоматизации

Определение присутствия детали на конвейере автоматизированной линии, получение информации о работе осветительного прибора, управление компактным, но эффективным станком.. Везде требуется минимум ошибок в управлении процессом, а если вышел отказ, то важно знать причину отказа, чтобы впредь ошибок не повторялось, ведь современные технологические процессы не терпят низкого качества. Вот здесь то и приходят на помощь датчики.

Есть множество типов датчиков: магнитные, индуктивные, фотоэлектрические, емкостные, - каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Фотоэлектрические — одни из наиболее универсальных. Здесь и лазерные и инфракрасные, и однолучевые, и светоотражающие. Но рассмотрим мы оптоволоконные датчики, ведь именно они обладают широчайшими возможностями для конфигурирования и отлично подходят даже для самых труднодоступных мест.

Оптоволоконный датчик разделен на пару устройств: волоконно-фотоэлектрический усилитель и оптоволоконный кабель с оптической головкой. Кабель пропускает от усилителя свет.

Принцип здесь прост. Излучатель и приемник совместно работают: приемник обнаруживает световую волну, излученную излучателем. Технологически этот процесс реализуем по-разному: отслеживание угла световой волны, измерение количества света, или измерение времени возврата световой волны с целью измерения расстояния до предмета.

Оптические источник и приемник могут располагаться просто в головке (диффузные или отражательные единицы), либо могут быть выполнены по отдельности — две головки (однолучевые единицы). Головка оптоволоконного датчика содержит внутри электронику, приемник при этом соединен с электроникой именно посредством оптоволокна. Принимаемые и излучаемые волны проходят через волокно подобно тому, как это происходит при высокоскоростной передаче данных в оптоволоконных сетях.

Достоинство данного разделения в том, что приемник устанавливается на измеряемом объекте. Волоконно-оптический кабель прокладывают и подключают к усилителю, который расположен в специальном шкафу управления, защищающем усилитель от внешней, часто жесткой, окружающей среды производственного предприятия. Выбор вариантов разнообразен. Усилители бывают простыми и сложными, в частности - многофункциональными, обладающими возможностями выполнения логических и коммутационных операций.

Усилители волоконно-оптических датчиков базовой комплектации имеют минимум электронных компонентов и функциональных возможностей, а наиболее сложные отличаются принципом «подключи и работай», электроника в них полностью индивидуально настраивается. Электронные блоки некоторых датчиков способны обрабатывать более 10 входных сигналов с волокон. Безусловно, имеется и индикация. Индикаторы показывают, корректно ли работает датчик. Кроме того имеются и другие функции.

Интерфейс для контроллера определяется форматом вывода. Здесь предусмотрены как настройка датчика, так и сброс настроек усилителя. Выходы бывают нормально разомкнутыми, нормально замкнутыми, коллекторными, эмиттерными, пуш-пуллными. Соединения монтируются посредством кабеля с многоконтактным разъемом. Программирование осуществляется при помощи кнопок или просто потенциометром.

Дополнительную гибкость дают такие опции датчиков как: задержка вкл/выкл, импульсные выходы, исключение прерывистых сигналов, - для достижения большей свободы в детализации и корректировке параметров усилителя в зависимости от индивидуальных требований производственного процесса. Задержки позволяют замедлить реакцию рабочего органа, прерывистые сигналы — служат знаком к тому, что условия работы нарушены. Все настраивается индивидуально.

Светодиодная индикация выходного состояния, либо наличие дисплея со сведениями о сигналах и состояниях выхода — вот продвинутые опции, позволяющие проводить диагностику и программировать датчик на месте.

Для более устойчивых измерений в условиях изменяющейся окружающей среды - подойдет датчик с увеличенной частотой дискретизации и с фильтрацией сигнала. Блок хоть и будет работать все так же на низкой частоте, тем не менее для ПЛК это будет полезно. Задержки вкл/выкл помогут согласовать выходные и входные сигналы.

Применение вспомогательных блоков расширит возможности программирования, например можно подстроить чувствительность измерительного элемента при работе с особыми материалами, такими как стекло, или запрограммировать выключение/включение между точками переключения: отслеживание положения детали и ее позиционирование в пространстве.

Вся прелесть волоконно-оптических кабелей в том, что они вместо тока пропускают свет. Возможны конфигурации из различных материалов, с разными степенями чувствительности головок.

Диффузный оптоволоконный кабель состоит из пары шпон, одна из которых идет на усилитель, вторая — на чувствительную головку. С чувствительной головкой при этом соединено два кабеля — один для источника света, второй — для электроники.

Однолучевой оптоволоконный кабель содержит пару одинаковых кабелей, каждый из которых подключается к усилителю и обладает своей оптической головкой. Один кабель служит для передачи света, второй — для приема.

Само волокно, обычно, стеклянное либо пластиковое. Пластиковое — тоньше, дешевле, гибче. Стеклянное прочнее, и может работать при более высоких температурах. Пластик можно отрезать на требуемую длину, а стеклянное режут лишь на стадии изготовления. Оболочка волокна — от экструдированного пластика до оплетки из нержавейки, для суровых условий эксплуатации.

Наиболее важно при выборе оптоволоконного датчика — правильно выбрать оптическую головку. Ведь именно с чувствительностью головки связана точность обнаружения частей, маленьких, неподвижных или подвижных. Под каким углом будут расположены приемник и излучатель по отношению к объекту, какова допустимая дисперсия. Требуется ли круглый пучок волокна для получения кругового луча или протяженный — для получения горизонтальной проекции.

Что касается круглых пучков, то в диффузной головке они могут быть ровно разветвлены со всеми волокнами источника на одной половине, и с волокнами приемника — на другой. Данная конструкция встречается часто, но может вызывать запаздывание считывания информации с части, движущейся под прямым углом к линии бифуркации.

Вариант с равномерным распределением волокон источника и приемника дает более равномерные лучи. Равномерные лучи позволяют выравнивать воздействия отправки и получения волн, и обнаружение получится независимым от направления движения объекта.

Тип оптической головки, длина кабеля и усилитель оказывают значительное влияние на расстояние срабатывания оптики. Точную оценку дать трудно, но производители эти данные указывают. Однолучевой датчик обладает большим диапазоном нежели диффузный. Длиннее волокно — короче диапазон. Совершеннее усилитель — сильнее сигнал, больше диапазон.

Все чаще используется в промышленной автоматизации распределенный ввод/вывод, и возможно подключить несколько оптоволоконных кабелей датчиков к одному коллектору.

Оптоволоконные усилители зачастую — автономные одноканальные устройства с креплением на DIN-рейку, они легко монтируются в панели, и недостаток разве что в маршрутизации соединений от отдельных усилителей.

Коллектор может группировать множественные каналы волокна в едином центре управления: коллекторы оснащены дисплеями с меню, и каждый канал программируется индивидуально. Сконфигурированные каналы могут использоваться через И/ИЛИ логику, которая сильно упрощает управление ПЛК.

Применение волоконной оптики хорошо показывает себя в системах работающих в условиях сильного электрического шума. Оптоволокно не воспринимает электрический шум, а электронный усилитель защищен шкафом. Небольшие сборочные линии с автоматизацией обнаружения деталей на конвейерах в процессе сборки устройств — еще одно весьма перспективное и уже довольно распространенное направление использования оптоволоконных датчиков.

Головки с различной ориентацией, разного размера, отличные по дисперсии для обеспечения нужной степени точности фокуса независимо от размера датчика, - все это в совокупности с логикой управления открывает огромный потенциал возможностей. Например, один датчик определяет наличие детали в месте начала сборки, а второй подтверждает окончание сборки.

В прочем, независимо от сферы применения, важно подобрать датчик и головку с параметрами подходящими для требуемого приложения потребителя: по дисперсии, расстоянию, дискретизации, опциональности касательно настроек и программирования.

Единственный, пожалуй, минус — нельзя чрезмерно перегибать волокна. Стоит перегнуть немного больше, и случится непоправимая пластическая деформация волокон, пропускная способность понизится или вовсе пропадет. Допустимый радиус изгиба зависит от типа волокна, размера и дисперсии волокон в пучке. Эти характеристики необходимо учитывать при выборе датчика для ваших задач.

Источник: http://electricalschool.info/automation/1842-optovolokonnye-datchiki-v-sistemakh.html