Automatyka dla początkujących – poradnik Balluff – część 1

Rozwój automatyki przemysłowej to przyszłość przedsiębiorstw. Rozwiązania z tego zakresu wpływają na niezliczoną liczbę obszarów w funkcjonowaniu zakładów produkcyjnych: od procesu produkcji, poprzez kontrolę jakości, na logistyce skończywszy. Zanim jednak rozwiązania te zostaną wprowadzone do użytku, należy poznać podstawy automatyki, bez których zrozumienie funkcjonowania poszczególnych urządzeń i systemów byłoby niemożliwe.

Przemysł 4.0  niesie ze sobą nowe wyzwania w obszarze automatyzacji i przez najbliższe lata trend ten będzie ukierunkowywał rozwój całej branży. Aby za nim nadążać, konieczna jest wszechstronna i rozległa wiedza z zakresu automatyki przemysłowej. Na jej zdobyciu rozwój się jednak nie kończy.

Wiedzę tę należy cały czas poszerzać i aktualizować, ponieważ zmiany i innowacje dokonują się niemal na naszych oczach. Firma Balluff ma pełną świadomość tego, że każdy mistrz był kiedyś uczniem. I właśnie z myślą o osobach początkujących stworzyliśmy poradnik „Podstawy automatyki”, w którym znajdują się najważniejsze informacje dotyczące różnych obszarów tej dziedziny – od detekcji, poprzez identyfikację obiektów, technologię czujników i RFID, aż po IO-Link.

Nasze opracowanie podstaw automatyki przemysłowej skierowane jest przede wszystkim do młodej kadry inżynierskiej, rozpoczynającej swoją karierę w przedsiębiorstwach, a także dla studentów kierunków inżynierskich inżynieryjnych oraz pasjonatów automatyki przemysłowej. W pierwszej części artykułu przybliżymy odbiorcom sposób opracowania zagadnień z zakresu detekcji, identyfikacji obiektów oraz pomiaru różnych parametrów za pomocą najnowocześniejszych rozwiązań. Wszystkie materiały dostępne są tutaj. Jesteśmy pewni, że ich różnorodność (formaty tekstowe i video) pomogą przyswoić wiedzę oraz jak najlepiej zrozumieć podstawy automatyki.

Zrozumienie podstaw automatyki przemysłowej to pierwszy krok do kariery młodego inżyniera

Podstawy automatyki – lekcja 1: Detekcja. Czujniki widzą, słyszą i porozumiewają się we własnym języku

Aby lepiej zrozumieć na czym polega automatyka przemysłowa i funkcjonowanie rozwiązań z jej zakresu, trzeba zdać sobie sprawę z tego, że działanie poszczególnych elementów (czujników, sieci, sterowników) jest analogiczne do działania ludzkich zmysłów. Niewiarygodne? A jednak! Jeśli przyjrzymy się temu zagadnieniu bliżej, to dostrzeżemy pewne podobieństwa pomiędzy ludźmi i maszynami. Jest to nieco futurystyczne podejście, jednak nie należy się tego obawiać – służy bowiem lepszemu poznaniu sposobu, w jaki funkcjonują rozwiązania z zakresu automatyki przemysłowej.

Przykładowo – zmysłom wzroku, smaku, węchu czy dotyku odpowiada działanie szeregu czujników – optoelektronicznych, do pomiaru ciśnienia, wizyjnych, pojemnościowych. Z kolei odpowiednikiem siatki nerwowej będą połączenia sieciowe, za pomocą których przesyłane są dane – od jednostki sterującej do wykonawczej. Mózg maszyny to sterownik logiczny PLC, jej uszami jest czujnik ultradźwiękowy, a mięśnie to różnego rodzaju silniki i napędy. Dzięki takiemu ujęciu budowy maszyny oraz podstaw automatyki przemysłowej, nawet osoby początkujące będą mogły zrozumieć zasady działania poszczególnych rozwiązań, skrojonych na miarę przemysłu 4.0. Na pierwszy rzut oka może wydawać się, że jest to trywialne porównanie, jednak należy pamiętać o tym, że ludzki organizm to perfekcyjna w swym działaniu maszyna, która tak naprawdę jest niedoścignionym wzorem dla połączeń, sterowników i innych elementów. Kiedy jednak ta analogia stanie się zrozumiała, to reszta tematów z zakresu automatyki dla początkujących stanie się dużo jaśniejsza.

Zagadnienia, które przybliżamy w pierwszym rozdziale „poradnika”, a które łączą się z wyżej przytoczoną analogią to:

• Funkcja, budowa i technologia czujników. Omówienie zawiera opis tego, w jaki sposób działają czujniki i z jakich elementów są zbudowane. Dodatkowo odbiorcy mogą poznać podstawowy podział na czujniki indukcyjne, pojemnościowe, optoelektroniczne, ultradźwiękowe, pola magnetycznego czy przetworniki liniowe. Nie przekazujemy „suchych” faktów – prezentujemy każdy rodzaj czujnika na przykładzie produktów, które dostępne są w ofercie firmy Balluff.
• Drugie zagadnienie to wszystko, co związane jest z elektroniką czujników. Omawiamy rodzaje wyjść (PNP, NPN), styki zwierne, rozwierne i antywalentne. Podpowiadamy, jak dobrać konkretne rozwiązanie do zdefiniowanych potrzeb oraz szczegółowo wyjaśniamy różnice pomiędzy nimi – a to wszystko uzupełniamy prostymi, schematycznymi rysunkami.
• Trzeci temat dotyczy różnic pomiędzy czujnikami przełączającymi a pomiarowymi. Omawiamy istotne kwestie rodzajów sygnałów na wyjściu, a także pokazujemy przykładowe zastosowania w praktyce.
• Kolejny temat dotyczy zagadnień rozdzielczości, odchyłki liniowości oraz dokładności w automatyce przemysłowej. Są to najważniejsze cechy czujnika pomiarowego, bez których zrozumienie istoty jego funkcjonowania byłoby niemożliwe.
• Ostatni temat to omówienie sposobów zasilania czujników, czyli przekazanie szczegółowych informacji o tym, skąd czujnik czerpie napięcie. Pokazujemy, w jaki sposób przebiega przetwarzanie napięcia, a także prezentujemy produkty z portfolio firmy Balluff, które wpisują się w to zagadnienie.

Automatyka dla początkujących – zaczynamy naukę!

Podstawy automatyki – lekcja 2: Wykrywanie i identyfikacja obiektów. Czujniki w ruch!

Detekcja to kolejny, niezwykle ważny temat, któremu przyglądamy się w ramach projektu „Podstawy automatyki”. Sensoryka wykorzystywana jest w zakładach produkcyjnych i przedsiębiorstwach na wielu różnych polach: w trakcie procesu produkcji, podczas kontroli jakości czy pakowaniu produktów.

Detekcja polega przede wszystkim na identyfikacji obiektów, a także na ich pozycjonowaniu. Za pomocą odpowiednich czujników można wykrywać nie tylko ciała stałe (metalowe i niemetalowe), ale również ciecze. Do identyfikacji obiektów stosuje się różnorakie technologie, takie jak detekcja pola magnetycznego, a także rozwiązania oparte na właściwościach światła i dźwięku, które zamknięte są w reprezentatywnych dla automatyki przemysłowej urządzeniach – czyli czujnikach.

Wyżej wspomniane urządzenia można sklasyfikować według prostego podziału: czujniki indukcyjne (które służą do detekcji wszystkich metalowych obiektów, które znajdują się w odległości kilku lub kilkudziesięciu mm), czujniki pojemnościowe (wykrywają wszystko, co ma określoną pojemność w bliskim zasięgu), czujniki optoelektroniczne (dzielą się na czujniki odbiciowe, optoelektroniczne refleksyjne lub działają na zasadzie bariery jednokierunkowej – za ich pomocą detekcja obiektów jest możliwa na większe odległości) oraz czujniki ultradźwiękowe (służą do detekcji niemal wszystkich obiektów na większe odległości).

Aby ułatwić odbiorcom przyswojenie podstaw automatyki przemysłowej oraz tematyki czujników i identyfikacji obiektów, firma Balluff zaproponowała następujący podział zagadnień:

• Rozpoznawanie, wykrywanie i pozycjonowanie metalowych obiektów za pomocą czujników. W tym zagadnieniu omawiamy technologie czujników (indukcyjne, pojemnościowe, optoelektroniczne, ultradźwiękowe) które mogą zostać wykorzystane do identyfikacji obiektów metalowych. Wskazujemy również przykładowe zastosowania wyżej wymienionych urządzeń i prezentujemy produkty z portfolio firmy Balluff, które odpowiadają omawianemu zagadnieniu.
• Rozpoznawanie, wykrywanie i pozycjonowanie niemetalowych obiektów za pomocą czujników. Do tego typu działania może służyć czujnik pojemnościowy, optoelektroniczny bądź czujnik ultradźwiękowy, w związku z czym zaznaczamy, że nie każdy rodzaj czujnika nadaje się do wykrywania obiektów niemetalowych. Prezentujemy praktyczne przykłady zastosowania oraz produkty wpisujące się w powyższe zagadnienie.
• Wykrywanie tłoczyska w siłowniku pneumatycznym za pomocą czujników pola magnetycznego. W ramach tego zagadnienia omawiamy warunki i wymagania, które muszą zostać spełnione, by czujnik mógł efektywnie pracować, a także prezentujemy jego zastosowania w praktyce.
• Ustalanie poziomu cieczy i substancji stałych za pomocą czujników. W tej sekcji omawiamy technologie czujników pojemnościowych i ultradźwiękowych, które idealnie nadają się do pomiaru poziomu cieczy i innych substancji. Pokazujemy praktyczne zastosowania i podpowiadamy, na jakie parametry pracy czujnika ultradźwiękowego lub pojemnościowego zwrócić uwagę, by urządzenie pracowało bez zarzutu.

Detekcja to proces, może być realizowany z pomocą czujników: ultradźwiękowych, optoelektronicznych, pojemnościowych bądź indukcyjnych

Podstawy automatyki – lekcja 3: Pomiar położenia, odległości, ciśnienia

Precyzyjne pomiary parametrów (położenia, odległości, ciśnienia) wpływają w przedsiębiorstwie na wiele aspektów – w szczególności na produkcję oraz na możliwość jej optymalizacji. Ważnym jest, aby pomiary dokonywane były na bieżąco, z zachowaniem jak największej precyzji.

Dzięki rozwiązaniom z zakresu automatyki przemysłowej możliwy jest szczegółowy pomiar położenia obiektów, odległości, kątów czy ciśnienia – a wszystko to za sprawą odpowiednio dobranych urządzeń. Dla każdego parametru – ciśnienia, odległości, kątów czy pozycji – sposoby pomiaru są inne, dlatego przed doborem konkretnego rozwiązania należy dokładnie zdefiniować potrzeby, na jakie ma ono odpowiadać.

Do dokonywania pomiarów położenia i innych parametrów wykorzystywane są różne rozwiązania – jednym z przykładów jest przetwornik liniowy, który pozwala na pomiar kilku pozycji jednocześnie – i to w trudnych warunkach pracy.

Drugi typ to technologia kodowania magnetycznego (z której korzystają enkodery magnetyczne) – najlepiej sprawdza się w precyzyjnych pomiarach dokonywanych w czasie rzeczywistym.

Trzeci i czwarty typ (reprezentowany przez czujniki), to technologia indukcyjna (nadaje się do pomiarów w bliskich odległościach) i technologia optoelektroniczna (dokonuje pomiarów niezależnie od odległości, faktury obiektu oraz jego koloru). Jakie zagadnienia w tym temacie zostaną szczegółowo omówione?

• Pomiar odległości, który jest jednym z najczęstszych wyzwań stawianych przed rozwiązaniami z zakresu automatyki przemysłowej. Do jego wykonania może służyć czujnik indukcyjny, pojemnościowy bądź czujnik ultradźwiękowy, a także optoelektroniczny. W tej sekcji omawiamy również praktyczne przykłady zastosowania – np. nadzór, monitoring pracy hamulców w elektrowniach wiatrowych.
• Liniowy pomiar położenia, czyli pozycjonowanie obiektów w linii prostej – omawiamy technologie czujników służących do tego celu – przykładem mogą być takie elementy jak enkoder magnetyczny, indukcyjne systemy do pomiaru położenia i przetworniki liniowe. Podpowiadamy, która technologia sprawdzi się najlepiej w konkretnych zastosowaniach (np. do wbudowania w napęd liniowy czy hydrauliczny).
• Obrotowy pomiar pozycji, którego zastosowania podajemy na przykładzie maszyny drukująco-tnącej. Do tego typu pomiarów sprawdza się enkoder magnetyczny lub inklinometr, których parametry techniczne pozwalają osiągnąć wynik o wysokiej precyzji.
• Kontrolowanie stanów cieczy, gazów i substancji stałych – omawiamy technologie czujników, które nadają się do tego typu pomiarów (czujnik ultradźwiękowy, pojemnościowy czy czujnik liniowy) oraz sposoby ich montażu (co bezpośrednio wpływa na ich prawidłowe działanie). Przytaczamy również możliwe zastosowania w zbiornikach czy kotłach.

Przetwornik liniowy, enkoder magnetyczny, a może jeszcze inne rozwiązanie? Co wybrać do pomiaru położenia?

Automatyka przemysłowa jest skomplikowaną dziedziną – objaśnianie jej podstaw sprawia nam jednak wiele satysfakcji – zwłaszcza wtedy, gdy otrzymujemy od naszych odbiorców pozytywne informacje zwrotne. W kolejnym artykule z cyklu „Podstawy automatyki” omówimy sekcje dotyczące technologii RFID, połączeń sieciowych oraz interfejsu IO-Link.

Zapraszamy również na nasz profil na LinkedIn, na którym czytelnicy mogą pozostawić swój komentarz czy sugestię dotyczącą kolejnych tematów, o których chcieliby przeczytać na blogu Innovating Automation.