Uspešne senzorske rešitve za avtomatizacijo proizvodnje in logistike Božidar ZAJC ■ 1 Uvod Kot eden od vodilnih svetovnih proizvajalcev na področju industrijskih senzorjev z več kot šestdesetle-tnimi izkušnjami ima Sick verjetno najobsežnejšo zbirko izdelkov in tehnologij in je tudi vodilni na področju inovacij. S svojimi izdelki uspešno podpira tri pomembna področja avtomatizacije: • avtomatizacijo v industriji s senzorji za zaznavanje, štetje, razvrščanje in pozicioniranje predmetov ter z varnostnimi senzorji, varnostno programsko opremo in servisom; • avtomatizacijo v logistiki, ki vključuje avtomatsko identifikacijo optičnih in RFID-kod za razvrščanje in nadzor ter laserske merilne sisteme za merjenje volumna, pozicije in obrisa; • avtomatizacijo procesov s celovitimi sistemi za analizo plinov, meritve prašnih delcev in merjenje pretoka plinov. V svojem programu imajo vrsto naprednih tehničnih rešitev na področju standardnih in naprednih industrijskih senzorjev, ki se uspešno uveljavljajo v praksi. ■ 2 Razdelitev senzorjev Za avtomatizacijo v industriji so bili razviti in se v praksi uspešno uporabljajo številni senzorji (tabela 1). Posebno skupino senzorjev predstavljajo industrijski varnostni sistemi: Tabela 1. Različni tipi senzorjev Standardni industrijski Napredni industrijski Dajalniki impulzov senzorji senzorji (enkoderji) • induktivni senzorji • ultrazvočni senzorji • sistemi za krmiljenje • kapacitivni senzorji • kontrastni senzorji motorjev • magnetni senzorji • barvni senzorji • absolutni in • magnetni cilindrični • luminiscenčni inkrementalni senzorji senzorji dajalniki • svetlobna tipala • viličasti senzorji • potezni dajalniki • refleksne svetlobne • svetlobne mreže za • absolutni zapore avtomatizacijo brezkontaktni • enosmerne • detektorji in merilniki merilniki svetlobne zapore razdalje • absolutni • naprave za prenos pozicionirni pogoni podatkov • strojni vid (industrijske kamere) Božidar Zajc, univ. dipl. inž., Sick, d. o. o., Ljubljana • varnostni laserski skenerji, • varnostne svetlobne zavese in mreže, • varnostni sistemi na osnovi kamere, • enosmerne varnostne svetlobne zapore, • varnostna stikala z ločenim akti-vatorjem, • varnostna končna stikala, • stikala z zaklepanjem, • brezkontaktna varnostna stikala, • varnostni releji, • varnostni krmilniki, • omrežne varnostne rešitve, • safexpert ekspertna varnostna programska oprema. Za avtomatizacijo v logistiki pa se uporabljata dve skupini senzorjev: • sistemi za avtomatsko identifikacijo - stacionarni bralniki in sistemi za branje črtne kode, "omni" sistemi in visokozmogljivi sistemi s kamerami, bralniki dvodimenzionalne črtne kode, ročni bralniki, RFID; • laserska merilna tehnologija na osnovi laserskih skenerjev. ■ 3 Napredne rešitve pri magnetnih cilindričnih senzorjih Prvi magnetni cilindrični senzorji so uporabljali reed releje, ki so zaznali prisotnost magneta v batu cilindra in se kot enostavne in cenovno ugodne rešitve še vedno uporabljajo, le da so oblike ohišij posodobljene in omogočajo enostavnejšo montažo. Prav enostavna in zanesljiva pritrditev in nastavitev se je izkazala za veliko prednost pri cilindričnih senzorjih. Predvsem pri cilindričnih senzorjih za T-utor se pojavlja veliko različnih načinov pritrjevanja, ki so se bolj ali Slika 1. Pritrditev senzorja MZ2Q-T položaja bata v cilindru, pri tem pa ohranja prej omenjene prednosti glede majhnih dimenzij, enostavne in zanesljive pritrditve in možnosti enostavne nastavitve začetne in končne točke merjenja (slika 3). Slika 2. Pritrditev senzorja MZ2Q-C manj uspešno izkazali v praksi. Pri Sicku so se poleg standardne rešitve uveljavili predvsem senzorji, ki se potisnejo v utor »od zgoraj« in nato zasukajo in pritrdijo. Na slikah 1 in 2 vidimo nekaj primerov pritrditve. V vseh primerih gre za kompakten senzor in enostaven postopek pritrditve, ki pa hkrati zagotavlja, da ostane senzor tudi v primeru vibracij in po daljšem času delovanja na svojem mestu, hkrati pa sta sam senzor in tudi del priključnega kabla ob senzorju skrita v utoru cilindra in tako tudi mehansko zaščitena. Poleg mehanskih prednosti pa prihaja do novih rešitev tudi v samem elektronskem vezju, ko senzor ni le bolj občutljiv in natančen, kot so bili reed senzorji, ampak elektronsko vezje omogoča tudi nastavitev in zaznavanje dveh položajev bata, s čimer lahko nadomestimo dva senzorja. Še korak naprej pa predstavlja senzor, ki poleg tega omogoča tudi daljinsko nastavitev dveh točk in spremljanje delovanja s pomočjo lO link povezave, ki bo podrobneje predstavljena v nadaljevanju. Na slikah 1 in 2 vidimo senzorja z možnostjo nastavitve dveh delovnih točk MZ2Q za T- in C-utor. Novost pa je magnetni pozicionirni senzor (MPS), ki z analognim izhodom omogoča natančno zaznavanje ■ 4 Napredne pri tret otoelektričnih resitve generaciji senzorjev Tretja generacija fotoelektričnih senzorjev postavlja nove standarde na področju točnosti in lastnosti delovanja. Pri tretji generaciji fotoelektričnih senzorjev, ki jo Sick postopoma uvaja v posamezne družine senzorjev, so najbolj napredne rešitve vgrajene v svetlobna tipala s posebnim ASIC (application-specific integrated circuit) vezjem in senzorskim poljem (slika 4). S tem senzorskim poljem je prvič omogočena precizna elektronska nastavitev razdalje z doslej nedosegljivo točnostjo, in to brez mehanskih elementov za nastavitev, kar je bilo do sedaj nujno (slika 5). Nastavitev delovne točke je tako možna hitro in bolj precizno, pa naj bo to v varianti Slika 4. Vezje ASIC pri seriji WT18-3 Slika 3. Magnetni pozicionirni senzor z analognim izhodom Slika 5. Elektronska nastavitev razdalje Slika 6. Izločanje motnje zaradi odboja svetlobe iz ozadja z vrtljivim gumbom ali pa z eno ali dvema »teach-in« tipkama z dodatno fino nastavitvijo. Reševanje zahtevnih aplikacij v avtomatizaciji zahteva zmožnost delovanja pri velikih hitrostih procesov in visoko zanesljivost tudi v izredno zahtevnih pogojih delovanja. Tako je bila dodatno izboljšana neobčutljivost na svetlobne motnje iz okolice (slika 6) kot tudi na medsebojne interferenčne motnje. Tudi ohišja so optimizirana, odprtine za montažo so ojačene ali pa tudi dodane nove, signalne LED so vidne iz vseh smeri, ravna optika pa omogoča lažje čiščenje. Poleg mehanske trdnosti je izboljšana tudi odpornost na visokofrekvenčne vibracije, predvsem pa je izboljšana odpornost na elektromagnetne in pasivne izvore interferenčnih motenj. Pri novi generaciji je veliko pozornosti namenjene tudi kompatibilnosti s predhodnimi serijami, tako da so nove serije električno in mehansko kompatibilne s prejšnjimi, kar omogoča enostavno nadgradnjo oziroma zamenjavo. Poleg širšega temperaturnega obsega delovanja in nasploh večje robustnosti ohišja (IP69K, Ecolab testi) pa se pri nekaterih najnovejših tipalih uporablja tudi tako imenovana PinPoint LED-tehnologija, ki omogoča pri svetlobnih tipalih z vidno rdečo svetlobo in zelo ozkim svetlobnim snopom doseganje dometov, ki so bili do sedaj možni le z infrardečimi senzorji, kjer pa je svetlobni snop precej širši, predvsem pa ni viden, kar otežuje nastavitev. Poleg vsega omenjenega pa omogoča nova tehnologija tudi I/O-povezavo teh senzorjev in s tem dvosmerno komunikacijo s senzorjem. ■ 5 I/O-Link - od nadzornega nivoja do senzorja in nazaj Leta 2006 je bil na Sickovo pobudo osnovan tehnološki trend - I/O-Link odprti standard, ki so ga podpirali številni proizvajalci senzorjev in ga je GEC (German Electrotechnical Commission) predlagala lEC (International Electrotechnical Commission) za standardizacijo. Najpomembnejše prednosti, ki jih ponuja I/O-Link, so povečana razpoložljivost proizvodne linije, obsežna zmožnost diagnosticiranja na daljavo, avtomatsko dokumentiranje in možnost vrednotenja kompletnih strojev, kar je še posebej pomembno za kemijsko in farmacevtsko industrijo. Prava vrednost nove omrežne tehnologije je v sposobnosti dodajanja ali izboljšanja dostopa do informacij v končnih napravah. S tehnologijo I/O-Linkje bila prinesena inteligenca v enostavne naprave. Senzorji I/O-Link se lahko povežejo na standardna vodila (npr. Profibus) preko modula za povezavo, ki omogoča zaznavanje, komunikacijo in priklic informacije o stanju s kontrolne plošče stroja ali pa z oddaljenega nadzornega mesta (slika 7). Senzorje I/O-Link lahko brez modula uporabljamo kot standardne senzorje, poleg tega pa lahko na modul I/O-Link povežemo tudi standardne senzorje, ki pa prenašajo na modul in naprej na vodilo le standardni izhod (povezavo signalov I/O-Link vidimo na sliki 8). Slika 7. Povezava senzorjev I/O-Link Slika 8.1/O-Link pri trožilni in dvožilni povezavi Do sedaj pasivni funkcijski elementi bodo tako postali aktivni udeleženci v dialogu s kontrolnim nivojem, ki lahko poleg preklopnih signalov avtonomno sporočajo napake in pošiljajo informacije o stanju. ■ 6 INSPECTOR -inteligenten vizualni senzor za kontrolo z enostavnim načinom uporabe Inspector je kompakten, uporabniku prijazen in natančen dvodimenzionalni vizualni senzor z vgrajeno osvetlitvijo, vgrajenimi algoritmi za vrednotenje slik ter vmesnikom Ethernet, ki je bil prvič predstavljen na industrijskem sejmu v Hannovru aprila lani. Inspector lahko pregleda izdelke v katerikoli poziciji ali orientaciji in v realnem času zanesljivo določi, ali izdelek zadovoljuje danim kriterijem. Slika 9. Inspector: primer uporabe v prehrambni industriji osvetlitvijo v kupoli s tako imenovano »dome light« osvetlitvijo (slika 10) - vse skupaj je integrirano v kovinsko ohišje z IP67. Kupolasta osvetlitev ima prednost, ko delamo s predmeti, ki imajo zelo bleščečo in odsevno površino. Ta omogoča zelo robustno sliko, kar je ključ pri reševanju aplikacij s kamerami. Z drugimi vizualnimi senzorji na trgu je to možno samo v kombinaciji z dovršenimi in dragimi zunanjimi viri svetlobe. Inspector ponuja več načinov nastavljanja - od enostavnega »teach-in« signala na sponki do nastavljanja s pomočjo PC-programa, ki pa je tudi preprost za uporabo. Nastavljanje s »teach-in« signalom je zadovoljivo pri zelo enostavnih aplikacijah za prepoznavanje obrisov. Nastavljanje parametrov preko računalnika pa ponuja mnogo več opcij - vendar tudi vtem primeru program omogoča nastavitev Inspectorja le v nekaj korakih. Kdor pa želi doseči maksimalni učinek, lahko za doseganje optimalnih rezultatov nastavi posebne parametreza fine nastavitve. Napreden PC-vmesnik (slika 11) ponuja poleg preprostosti tudi opazovanje, branje statistike, snemanje slike in testiranje na slikah za popoln nadzor proizvodnje. Za pregledovanje z Inspectorjem ni potrebno, da so predmeti vseskozi enako orientirani. Ne glede na po- Inspector lahko uporabimo v različnih panogah industrije. Zaradi robustnega in zanesljivega dizajna je idealen za delo v najtežjih razmerah, kot so na primer v avtomobilski industriji. Inspector uporablja inteligentne in hitre algoritme, ki mu omogočajo, da lahko sledi tudi največjim hitrostim katerekoli proizvodne linije v pakirni industriji. Inspector je zmogljiv kot kamera in enostaven za uporabo kot standardni fotoelektrični senzor. Senzor ima svoj izvor svetlobe, ki je lahko izvedena na dva različna načina: v standarni obliki z osvetlitvijo v krogu okoli optike ali z Slika 10. Inspector: standardna in kupolasta verzija Slika 11. Program za nastavitev parametrov Slika 12. Preverjanje tiska ložaj in orientacijo predmeta algoritmi v programu senzorja ovrednotijo obris, robne točke ali število sivih točk za vsak predmet posebej v času nekaj milisekund. Prav tako ni potrebe po signalu za proženje - takoj ko predmet pride v vidno polje, se slika predmeta zajame. Hitro ovrednotenje zajete slike predmeta omogoča kontrolo tudi pri zelo velikih hitrostih procesov, kot so: kontrola nalepk, tiska in končnih procesov pri pakiranju in polnjenju pijač. Osnovna področja uporabe so pre-hrambna in avtomobilska industrija, pomembna pa so tudi farmacevtska in kozmetična industrija, elektronska industrija in pakiranje. Inspector je idealen za preverjanje etiket. Istočasno lahko preverja npr. prisotnost podatkovne kode in loga (slika 12). Glede na napreden iskalni algoritem najde podrobnosti ne glede na orientacijo in pri velikih hitrostih. Dodatna prednost je tudi visoka hitrost vmesnika Ethernet, ki omogoča popoln nadzor celotne proizvodnje preko omrežja. Uporaba Inspectorja za preverjanje tipa krogličnega ležaja je prikazana na sliki 13. Inspector z lahkoto razlikuje med različnimi oznakami, utori in velikostmi krogličnih ležajev. Inspectorjev spomin lahko shrani do 16 različnih referenčnih objektov, ki so potem izbrani s pomočjo 4 vhodov. Glavna prednost Inspectorja pri tem tipu aplikacij je unikatno integrirana kupolasta osvetlitev, ki premaguje težavnosti visoko odsevnih kovinskih površin. ■ 7 Zaključek Standardni industrijski senzorji postajajo z razvojem novih tehnologij vse bolj zmogljivi, hkrati pa tudi vse bolj enostavni za uporabo. Po drugi strani pa se v aplikacijah, kjer so bili še pred nedavnim potrebni zmogljivi sistemi industrijskega vida, danes uporabljajo vizualni senzorji, ki se, čeprav gre za industrijske kamere, po načinu uporabe in tudi po velikosti in robustnosti približujejo naprednejšim standardnim senzorjem. Za oboje pa velja, da se kaže vse večja potreba po povezovanju preko standardnih podatkovnih vodil. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Slika 13. Preverjanje tipa krogliinega ležaja Grad, Škerlj, Vitorovič, Veliki angleško-slovenski slovar, DZS 1997. Poženel, Trojezični elektrotehniški slovar, TZS 1999. Priročni slovar tujk, CZ 2005. Revija Avtomatika, 82/2008. SICKinsight, 2/2007. SICKinsight, 1/2008. SICKinsight, Packaging 2008. Machine Vision Products, A new Dimension in Vision, Sick/IVP, 4/2008.