Czujniki od podstaw: wejścia systemu sterowania

Myślenie o czujnikach jako fizycznych wejściach do systemu sterowania pomaga inżynierom odkryć więcej możliwości ich zastosowania.

Większość inżynierów specyfikujących sprzęt w projektach myśli o czujnikach jako o cyfrowych lub analogowych urządzeniach zbliżeniowych, fotoelektrycznych, czujnikach przepływu lub ciśnienia, termoparach i tym podobnych. Jeśli zapytamy o klasyfikacje czujników, to najczęściej dzielimy je na analogowe lub cyfrowe, lokalne lub zdalne do systemu sterowania, optyczne lub indukcyjne itd.

Ale czujniki można postrzegać również jako fizyczne sygnały do systemu sterowania. Szersze myślenie o tym, czym jest czujnik, otwiera wiele nowych możliwości. Czy przycisk jest czujnikiem? Tak – wykrywa i przekazuje decyzję operatora o wykonaniu jakiegoś działania. A przekaźnik? Też jest czujnikiem – przekazuje stan urządzenia lub maszyny.

Innym kryterium klasyfikacji czujników niż zasada działania jest ich funkcjonalność. Większość czujników należy do dwóch kategorii: takich, które wykrywają stan maszyny (np. krańcówki, enkodery, fotokomórki, czujniki wibracji) i takich, które wykrywają stan procesu (np. czujniki przepływu i ciśnienia, wizja maszynowa, czujniki zbliżeniowe).

Taki sposób myślenia o czujnikach uświadamia nam, że nie wszystkie one mogą być charakteryzowane w prosty sposób, jak na przykład analogowe lub cyfrowe. Dobrym przykładem są tutaj systemy wizyjne. Współczesne metody identyfikacji wykorzystują systemy optyczne oraz miliony indywidualnych pikseli obrazu. Współczesne wejście do systemu sterowania może być prostym sygnałem dwustanowym „tak/nie” lub ciągiem sygnałów cyfrowych, które muszą być odkodowane. Ale konieczne jest zrozumienie technologii wizji maszynowej, zanim ją wyspecyfikujemy na obiekt.

Inne przykłady to enkoder i resolver. Sygnały wyjściowe mogą tu przybierać kształt cyfrowych impulsów lub analogowego sygnału sinusoidalnego, ale sygnałów tych nie można bezpośrednio przesłać na cyfrowe lub analogowe karty wejściowe systemu sterowania. Musi to być wzięte pod uwagę wraz z analizą użytych czujników i całkowitymi kosztami, gdy specyfikujemy karty wejściowe systemu.

Termopary są również elementami analogowymi, ale nie można ich podłączyć bezpośrednio do standardowych kart wejściowych systemu. Karty wejściowe dedykowane dla termopar zawierają algorytm, który określa charakterystykę podłączonej termopary. Co więcej, ze względu na naturę pomiaru nie można podłączyć termopary bezpośrednio do listwy zaciskowej, a następnie miedzianymi przewodami dalej z kartą wejściową.

Przykłady innych nietypowych czujników przemysłowych:

→ Czujnik prądów wirowych: czujnik indukcyjny wkładany do otworu w elemencie maszyny w celu kontroli naciętego gwintu.

→ Pojemnościowy próbnik przenikania jonów: naładowany elektrycznie próbnik oraz elektroda odniesienia, umieszczane po obu stronach elementu plastikowego w celu określenia, czy porowatość plastiku umożliwia przenikanie jonów przez badany element.

→ Spektrometr masowy: system pomiarowy przeznaczony do wykrywania np. obecności trujących substancji.

→ Kamera UV: aplikacja z dziedziny wizji maszynowej – gumowa uszczelka pokryta czułą na promieniowanie ultrafioletowe cieczą, filmowana w ultrafiolecie w celu stwierdzenia, czy kształt uszczelki został uformowany prawidłowo.

→ Kontrola prawidłowego montażu głowicy silnika samochodowego: system składający się z niezależnych transformatorów różnicowych, określających położenie płaszczyzny pokrywy do sprawdzenia, czy uszczelka głowicy została założona poprawnie.

Niezależnie od tego, czy mówimy o analizie awarii istniejącego sprzętu, czy o projektowaniu nowych urządzeń, zrozumienie tego, jak wszystkie występujące w projekcie czujniki współpracują z systemem sterowania jest istotnym elementem dobrze rozumianej wiedzy.


Frank Lamb jest założycielem Automation Consulting Services Inc.