Automaatiojärjestelmien suunnittelijat etsivät jatkuvasti tunnistusratkaisuja. Jo markkinoilla olevien anturien suuri määrä kertoo siitä, miten suunnattoman monenlaisia esineitä, materiaaleja ja nesteitä on havaittava. Tämän lisäksi on tehtävä valintoja, jotka koskevat liitäntää muihin järjestelmiin sekä sitä, miten anturin käyttöympäristö vaikuttaa kotelon valintaan.

Monissa tilanteissa tarvitaan yksinkertaisesti jonkin esineen havaitseminen, esimerkiksi liukuhihnalla, pöydällä tai kuljetusvaunussa. Välttämättä ei kuitenkaan ole mahdollista kiinnittää heijastinta retroheijastusanturin tai läpäisevän säteen anturin vastaanottavan pään yhteyteen. Jos havaittava esine on häiritsevän taustan edessä, vastaus voisi olla diffuusianturi, jossa on taustan vaimennus.

Nämä anturit hyödyntävät kolmiointia halutun kohteen heijastaman valon tehon sekä sen etäisyyden mittaamiseen. Tämän jälkeen ne määrittävät esineen vähimmäiskoon käytössä olevan valokeilan mittojen mukaan. Etäisyys esineeseen määritetään asetusruuvin avulla, mutta joissain edistyksellisissä ratkaisuissa on käytettävissä opetusmenetelmä.

Kuva 1: Tilanteissa, joissa läpäisevän säteen anturi ei ole käytännöllinen (vasemmalla), taustan vaimennustoiminnolla varustettu diffuusianturi (oikealla) voisi olla sopiva vaihtoehto.

Tämä punaista valoa lähettävä valonlähde tekee säätämisestä helppoa myös silloin, kun käsiteltävänä on pieniä esineitä. Laserpohjaiset anturit pystyvät havaitsemaan esineitä, joiden koko on vain 0,1 mm, kun taas kohdistusdiodeihin perustuvien anturien keskipisteessä on läpimitaltaan 2 mm:n valopiste. Niiden suunnittelu mahdollistaa sen, että havaittavan esineen väri ja materiaali voivat vaihdella havaitsemiskyvyn kärsimättä, eivätkä taustalla liikkuvat esineet aiheuta tahattomia havaintoja.

Erinomainen esimerkki lujasta IP67-kotelointiluokan ratkaisusta on Baumerin valosähköisten anturien FHDK 14P5104 -sarja. Ne on pakattu 14,8 mm × 43 millimetrin kokoisen kotelon sisään, ja niitä on saatavana langallisella liittymällä, 4-nastaisella M8-tai M12-liittimellä varustettuna, ja niiden tunnistusetäisyys Tw on 30–500 mm. Lisäksi ne ovat sähköisesti kestäviä, sillä niissä on sekä oikosulku- että käänteispolariteettisuojaus ja PNP-lähtö, joka mahdollistaa jopa 100 mA:n lähtövirran sekä valo- että pimeätoimintaa varten. Etuosan optiikka on valmistettu PMMA:sta, ja integroitu elektroniikka hyödyntää vilkkuvaa keltaista LED-valoa, joka ilmoittaa sekä kohdistukseen liittyvistä ongelmista että likaantuneesta linssistä.

Jotkin visuaalisen havainnoinnin ratkaisut edellyttävät havaittavan kohteen tarkempaa arviointia. Tavoitteena voi olla määrittää, onko etiketti kiinnitetty oikein tai onko tuote säilynyt ehjänä. IP-pohjaiseen verkkokameraan ja teollisuustietokoneeseen perustuvat teollisuuskäyttöiset hahmontunnistusjärjestelmät ovat yksi lähestymistapa. Tehtävään erityisesti tarkoitettu ratkaisu voi kuitenkin olla sopivampi. Prosessointitehon ja muistin jatkuvasti kasvaessa saatavana on hahmontunnistusjärjestelmiä, joissa tehokas hahmontunnistus on pakattuna normaalin videokameran koteloon.

Kuva 2: Baumerin FHDK 14P5104 hyödyntää punaista LED-pulssivaloa diffuusianturissaan.

Yksi tällainen ratkaisu on Omronin ZFV-konenäköjärjestelmät. Nämä erittäin nopeat CCD-kamerat voidaan asentaa kiinteään asentoon tai integroida robottivarsijärjestelmään. Käyttökohteen mukaisesti kameran säätö tukee tunnistusaluetta 5 × 4,6 mm:stä 50 × 46 mm:iin. Kussakin kamerassa on omana valonlähteenä kahdeksan punaista LED-valoa, jotka tuottavat pulssivaloa, ja kotelolla on IP65-luokitus.

Kuva 3: Omronin ZFV on täydellinen hahmontunnistusjärjestelmä, joka pystyy havaitsemaan esineiden oikean asennon ja sijainnin.

Kameroita käytetään vahvistinyksikön yhteydessä. Kun järjestelmä on koulutettu, se pystyy antamaan positiivisen tunnistusvasteen 4–15 millisekunnissa tunnistettavan kuvan tyypin mukaisesti. Vahvistinyksikköjä voidaan myös asentaa ryhminä. Tällöin voidaan käyttää kahta tai useampaa kameraa analysoimaan vierekkäisiä esineitä, kuten integroitua piiriä, ja varmistaa tuotteen suuntaus tai pullojen ja niiden viivakoodien oikea sijainti. Koska vahvistinyksikön luokitus on vain IP20, se täytyy asentaa asianmukaisesti. Onnistunut tunnistus voi laukaista NPN- tai PNP-lähdön, ja kuvia voidaan lisäksi kirjata muistikorttiin.

Säiliöissä ja putkissa olevien nesteiden tunnistus tuo mukanaan omat haasteensa. Jotkin nesteet vaahtoavat, kun taas toiset, viskositeetiltaan alhaisemmat pyrkivät kiinnittymään pintoihin. Tästä voi aiheutua ongelmia tunnistuksen laadussa. Baumerin CleverLevel LBFH -sarja sisältää pienikokoisia tasokytkimiä, joissa on anturin tilan ilmaiseva kirkas ympärisäteilevä LED-valo. Nämä IP69K-kotelossa toimitettavat kytkimet sopivat elintarvike- ja lääkealan käyttöön sekä kemiallisiin käyttökohteisiin. Kapasitiivisen resonanssipiirin mittaustekniikan avulla ne hyödyntävät taajuusmuutoksia, joita ilmenee havaittavan materiaalin läsnä ollessa.

Kuva 4: Baumerin tasoanturien LBFH-sarja toimii hyödyntämällä kapasitiivisen resonanssipiirin periaatetta.

Anturit voidaan määrittää myös erilaisia kytkentäikkunoita varten öljyn, veden, vaahdon ja nesteen erottamiseksi. Lisäksi ne pystyvät suojaamaan putkien ja säiliöiden tyhjenemiseltä ja havaitsemaan tahnamaisen aineen ja kiinteät materiaalit, kuten jauhon tai muovigranulaatin. Vaativimpia vaahtoavia tai kiinnittyviä materiaaleja varten Baumerilla on myös FlexProgrammer 9701. Tämä ohjelmointityökalu voidaan yhdistää tietokoneeseen sen USB-liitännän kautta. Helppokäyttöisen ohjelmiston kautta voidaan käyttää erilaisia apuvalikkoja ja määrittää anturi täyttämään käyttökohteen vaatimukset. Mitatut tiedot voidaan lisäksi visualisoida, mikä mahdollistaa muita parametrien säätöjä, kuten aikavakiot vaimennustoiminnoissa ja kytkentälähdön logiikan invertoinnin.

Kuva 5: Hajautetun tilan ultraäänianturi voidaan määrittää havaitsemaan tietyllä etäisyydellä oleva esine.

Joissain ympäristöissä havaittavan esineen havaitseminen luotettavasti ei ole mahdollista esineen värivaihtelujen tai valmistusmateriaalin takia. Myös muovikalvojen, lasipullojen ja muiden läpinäkyvien materiaalien havaitsemisessa on haasteita. Näissä tilanteissa joko läpäisevän säteen muotoa tai heijastusmuotoa käyttävät ultraäänianturit ovat ihanteellinen vaihtoehto. Yksi vaihtoehto on Pepperl+Fuchsin UB800-sarja, joka on lyhyessä 40 mm:n mallissa oleva yksittäisen pään järjestelmä.

Anturit pystyvät havaitsemaan kohteita 50–800 mm:n alueella, ja kuollut alue on 0–50 mm. Ne antavat välittömästi ilmoituksen tilastaan: vihreä ilmaisin osoittaa, että anturi saa virtaa, ja keltainen ilmaisin osoittaa, että arviointialueella on esine. Opetussyöte on yksinkertainen menetelmä määrittää arviointialueen ylä- ja alarajat. Anturi antaa 20 mA:n tehon havaitulle esineelle, 4 mA:n tehon, kun esineitä ei ole sekä edestakaisen muutoksen, kun esineet liikkuvat rajojen välillä. Anturi on rakennettu IP67-luokiteltuun koteloon.

Kun Industry 4.0 ja lisääntyvä digitalisaatio tuovat mukanaan lisää verkkoon liitettyjä automatisoituja valmistusjärjestelmiä, yhä useampia antureita tarvitaan näiden alustojen kehittämiseen. Koska tarkkailtavat materiaalit, nesteet ja esineet ovat äärimmäisen moninaisia, on vaikeaa määrittää tarkasti, mikä anturi täyttää käyttökohteen tarpeet parhaiten. Toimittajat tarjoavat laajan valikoiman ratkaisuja, joihin on sisällytetty enemmän ominaisuuksia. Erittäin näkyvät ilmaisimet antavat visuaalisen palautteen siitä, onko virta kytkettynä ja onko anturi havainnut esineen. Ne ovat myös yhä enemmän määritettävissä huippuluokan kamerapohjaisista hahmontunnistusjärjestelmistä melko yksinkertaisiin etäisyyden ja nesteen tunnistaviin antureihin. Riippumatta siitä, mitä on tarkoitus havaita, on erittäin todennäköistä, että tarjolla on tehtävän tarpeisiin sopiva tunnistusratkaisu.

Artikkeli on Distrelec Ltd:n tuottama.