Czujniki pozycji – analiza rynku

Czujniki pozycji wykorzystywane są najczęściej w sterowaniu ruchem urządzeń, na liniach produkcji ciągłej oraz przy procesach produkcji seryjnej. Do najczęściej wykorzystywanych w tym zakresie urządzeń i technologii należą: wyłączniki krańcowe, czujniki indukcyjne oraz wyłączniki bezpieczeństwa. Coraz większego znaczenia w tej branży nabierają również wszelkiego typu systemy wizyjne.
Niezwykle różnorodne urządzenia i technologie czujników pozycji wydają się mieć ugruntowaną pozycję w już istniejących aplikacjach przemysłowych. Ponad 95% respondentów przeprowadzonej w ostatnim czasie ankiety stwierdza, iż w ciągu najbliższego roku będzie korzystać z tej samej lub też nieco zwiększonej liczby urządzeń tego typu. Do najpopularniejszych należą tu: wyłączniki krańcowe, czujniki indukcyjne oraz wyłączniki bezpieczeństwa; wciąż wzrasta również znaczenie systemów wizyjnych jako elementów śledzenia pozycji.
W ankiecie przeprowadzonej na rynku amerykańskim przez redakcję Control Engineering, przy współpracy z Reed Corporate Research wśród prenumeratorów tegoż czasopisma, zajmujących się specyfikacją i rekomendacją w branży czujników pozycji lub też sprzedających/kupujących tego typu urządzenia, 55% z nich czyniło to ze względu na potrzeby własnego zakładu, 46% na potrzeby OEM, zaś 22% zewzględu na oba te czynniki. Wśród aplikacji gdzie stosowane są czujniki pozycji, 52% respondentów wymieniło sterownie ruchem urządzeń, 43% linie produkcji ciągłej, 37% procesy produkcji seryjnej, 29% różnego typu roboty, a 27% zastosowanie do pozycjonowania urządzeń i narzędzi produkcyjnych. Do dziesiątki najpopularniejszych zastosowań praktycznych zaliczyć można: pakowanie, przenoszenie materiałów, produkcję elementów dyskretnych, obsługę procesów chemicznych i przenoszenie środków chemicznych, produkcję elementów plastikowych oraz oczywiście pakowanie towarów na paletach (owijanie, związywanie). 
Rodzaje stosowanych technologii
Osiemdziesiąt sześć procent ankietowanych używa obecnie wyłączników krańcowych, a 81% czujników indukcyjnych. Wyniki ankiety wskazują na to, iż w najbliższym czasie wyłączniki krańcowe utrzymają swoją pozycję najpopularniejszych urządzeń w tej branży. W ciągu nadchodzącego roku przewiduje się również wzrost udziału w rynku czujników pozycji systemów wizyjnych, z 7% przyrostem, do poziomu 49%. – Pomiędzy czujnikami fotoelektrycznymi i wizyjnymi pojawiła się ostatnio nowa klasa produktów: czujniki obecności, nieuwzględniona w niniejszej ankiecie – stwierdza John Keating, kierownik produkcji w firmie Cognex. – Urządzenie o nazwie Cognex Checker wykrywa oraz identyfikuje elementy dzięki rozpoznaniu ich wyglądu, bez konieczności precyzyjnego ich pozycjonowania. Czujniki fotoelektryczne wykorzystują zaś światło odbite, które może niekiedy prowadzić do błędnych rezultatów. Cognex Checker może rozpoznać ustalone wcześniej wzory oraz inne charakterystyczne elementy wyglądu elementów, dając jednoznaczny wynik rozpoznania, pozytywny bądź negatywny. Nie jest tu więc potrzebna dodatkowa, skomplikowana logika i stosowanie sterowników PLC, w celu otrzymania wyników.
– Koszty zakupu urządzeń systemów wizyjnych wciąż spadają, a same czujniki wizyjne są prostsze w obsłudze i dlatego też coraz więcej ludzi decyduje się na wykorzystanie tej technologii w aplikacjach czujników pozycji. Systemy wizyjne dają większe możliwości lokalizacji elementów, niezależnie od ich orientacji względem czujnika, rozmiaru i ewentualnych zmian kształtu czy wyglądu – podkreśla Bryan Boatner, również kierownik produkcji firmy Cognex, komentując tak znaczne zainteresowanie respondentów ankiety systemami wizyjnymi.
– Systemy wizyjne maszyn mogą zaoferować większą dokładność pozycjonowania, redukując starty i zwiększają wydajność produkcji – stwierdza Robert Lee, kierownik strategii marketingu firmy Obron Electronics. – Oczekiwania klientów związane z wysoką jakością produktów finalnych to podstawowy czynnik potęgujący wysiłki i starania producentów, ukierunkowane ku uczynieniu własnych produktów najlepszymi w swojej klasie – podkreśla Robert Lee.
Na podstawie wyników ankiety inny znaczący wzrost, po systemach wizyjnych, odnotowano w zakresie zastosowań czujników magnetostrykcyjnych. Według prognoz w nadchodzącym roku wyniesie on 5%, zwiększając udział tej technologii w rynku do poziomu 26%. Tendencje zwyżkowe wśród urządzeń stosowanych w aplikacjach czujników pozycji, odnotowano również w dziedzinie czujników laserowych, zbliżeniowych ultradźwiękowych oraz czujników stosowanych przy wszelkiego typu zwijarkach, tzw. reel sensor.
– Dzięki pojawieniu się nowych i ulepszonych technologii można dostrzec tendencje do przejścia tej branży ku rozwiązaniom bezkontaktowym – wyjaśnia L. Filipowski, kierownik produkcji firmy AutomationDirect. – Najpopularniejsze z czujników: wyłączniki krańcowe zawsze stosowane były powszechnie we wszystkich niemal aplikacjach, dobierane niejednokrotnie na zasadzie prób i błędów. Mają jednak one pewne ograniczenia natury fizycznej, uniemożliwiające ich wykorzystanie w niektórych aplikacjach. Czujniki typu zbliżeniowego indukcyjne, pojemnościowe, czujniki fotoelektryczne i ultradźwiękowe stosowane są obecnie w coraz to nowszych, bardziej wyszukanych aplikacjach tam, gdzie wcześniej było to całkowicie niemożliwe – zaznacza L. Filipowski.

Do pomiaru pozycji, położenia wykorzystuje się różnego typu technologie. Wśród nich, zdaniem respondentów, największy procentowy wzrost udziału w rynku w ciągu nadchodzącego roku odnotują systemy wizyjne i czujniki magnetostrykcyjne
– Nowe technologie pozwoliły na zmniejszenie obudów indukcyjnych czujników zbliżeniowych, przy jednoczesnym zwiększeniu ich zasięgu penetracji oraz umożliwiły wykrywanie wyuczonych wcześniej elementów. Odnotowano również radykalny spadek cen czujników ultradźwiękowych, a w samych czujnikach wprowadzono liczne zmiany technologiczne, związane z wykorzystaniem nowych pasm ultradźwięków – dodaje L. Filipowski. – Wśród właściwości czujników, branych pod uwagę przy ich zakupie, jako najważniejszą respondenci wskazali ich wysoką wytrzymałość, odporność mechaniczną. Aż trzy czwarte z nich wskazało ten czynnik jako bardzo ważny.
Inne czynniki, uporządkowane w kolejności od najbardziej znaczących to: ochrona przeciwzwarciowa, pomoc w zakresie doboru nastaw, odporność na korozję, obecność kontrolek LED informujących o statusie urządzenia. W pierwszej dziesiątce znalazły się również: wyposażenie w wyjścia cyfrowe, zabezpieczenie przed zmianą polaryzacji napięć, dodatkowe wskaźniki diagnostyczne LED, inteligentny system doboru nastaw oraz ochrona przed zmywaniem i zalaniem.
Większość respondentów ankiety wykorzystuje czujniki pracujące w zamkniętych pętlach sterowania (82%, bez konieczności interwencji operatora). Standardowe czujniki z dodatkowym modułem interfejsu sieciowego, umieszczonym przy urządzeniu, wykorzystuje 59% ankietowanych, 41% używa czujników z wbudowaną komunikacją sieciową. Wśród korzystających z komunikacji sieciowej aż 84% stosuje standard Ethernet, 60% zaś DeviceNet. 43% respondentów korzysta z sieci Profibus, 20% z sieci AS-i oraz 20% ze standardu Interbus. Analizując wyniki ankiety można stwierdzić, iż w najbliższym czasie Ethernet pozostanie najczęściej wykorzystywanym standardem komunikacji sieciowej w tej branży.
Przeciętnie każdy z respondentów zakupił w ostatnim roku 128 czujników. Średnie wydatki każdego z nich na ten cel wyniosły 29 108 USD. Według szacunków sporządzanych przez ankietowanych, 31% z nich zwiększy w najbliższym roku wydatki związane z zakupem czujników pozycji, u 65% utrzymają się one na tym samym poziomie, a u 5% spadną.
PRODUKTY
Maleńki magnetoindukcyjny czujnik pozycji
Firma Balluff opracowała nowy magnetoindukcyjny, analogowy, liniowy czujnik pozycji BIL, umożliwiający precyzyjny, bezkontaktowy i ciągły monitoring pozycji chwytaków pneumatycznych. Ten wszechstronny oraz innowacyjny w swych rozwiązaniach technicznych czujnik, cechujący się niewielkimi rozmiarami i zoptymalizowany pod kątem dostarczania informacji na temat położenia, znajduje zastosowanie przede wszystkim w systemach ciągłego monitoringu pozycji i położenia. Dzięki analogowemu sygnałowi wyjściowemu możliwe jest prowadzenie w czasie rzeczywistym monitoringu – z ustaleniem właściwego, bezpiecznego położenia elementów znajdujących się w szczękach chwytaka pneumatycznego. Maleńka główka czujnika (przeznaczona do montażu w tzw. t-slocie umieszczonym na mechanizmie chwytaka) podłączana jest przez kabel do niewielkiego modułu elektronicznego, zawierającego odpowiednią elektronikę firmy Balluff, związaną z obsługą technologii magnetoindukcyjnej. Czujnik ten wykrywa ruch małego magnesu, przytwierdzonego do ramienia chwytaka i przekazuje precyzyjne informacje o zmianach pozycji do 10 mm poprzez skompensowany temperaturowo sygnał analogowy. Dostępne są czujniki z wyjściowym sygnałem napięciowym bądź prądowym. Cały układ nie ma żadnych ruchomych elementów (oczywiście poza magnesem umieszczonym na chwytaku), a główka czujnika oraz inne elementy mają certyfikat kategorii IP 65 w zakresie odporności na uderzenia, wibracje, wilgoć i zanieczyszczenia. Czujnik BIL uważany jest przez producenta za wysocewydajne urządzenie, przeznaczone do zastosowania w tradycyjnych układach ciągłego pomiaru położenia o krótkich przemieszczeniach. www.balluff.pl
Balluff
Niewielkie i wytrzymałe wyłączniki krańcowe
Rodzina wyłączników krańcowych firmy Allen-Bradley o symbolu 802B opracowana została z myślą o zastosowaniu najbardziej wymagających współczesnych środowiskach przemysłowych. Dostępne w trzech odmianach (różne typy obudów) – kompaktowej, precyzyjnej i o ograniczonej precyzji – wyłączniki rodziny 802B mogą być montowane w miejscach zbyt małych dla tradycyjnych wyłączników krańcowych standardu NEMA. Każdy model wyłącznika ma trwałą obudowę – wykonaną w formie jednolitego odlewu, o wymiarach zgodnych ze standardami przemysłowymi. Charakterystyki pracy tych urządzeń gwarantują ich wysoką elastyczność i możliwość optymalizacji pracy w różnych zastosowaniach. Wyłączniki z obudową typu kompakt mają standardowo wyprowadzenie sygnałów trzymetrowym kablem, a sama obudowa ma atesty zgodności stopni ochrony i szczelności NEMA 6 i IP 67. www.rockwellautomation.pl
Rockwell Automation / Allen-Bradley
 Jeden czujnik wizyjny – różnorodne narzędzia
Czujnik PresencePlus P4 Omni zawiera w sobie wszystkie funkcje i narzędzia wizyjne standardu P4 w jednej, kompaktowej obudowie. Narzędzia takie jak: Blob, Gray Scale (skala szarości), Geo, Edge, Object oraz opcjonalnie Bar Code Leader (czytnik kodów paskowych) ułatwiają zmianę aplikacji, bez konieczności wymiany czujnika. Dzięki zastosowaniu techniki zdalnego uczenia czujnik może dostosować się do nowych zadań, bez konieczności podłączania go do komputera PC lub też wyłączania linii produkcyjnej, gdzie jest on zamontowany. Ceny czujników rozpoczynają się od poziomu ok. 6 000 zł. Model z matrycą 1,3 megapikseli cechuje się 100-krotnie większą rozdzielczością niż standardowe urządzenia Omni, gwarantując tym samym większe pole obserwacji oraz bardziej precyzyjny pomiar obserwowanych powierzchni i elementów. www.turck.pl
TURCK
Precyzyjny czujnik, odrzucający wadliwe elementy
Checker 101E to nowa rodzina czujników, uważana za pierwsze i jedyne jak dotąd na rynku rozwiązanie, wykorzystujące wzory obrazów do wykrywania oraz identyfikacji elementów, zapewniające niezwykłą wprost dokładność i niezawodność funkcjonowania. Pracownicy firmy Cognex przyznają, iż urządzenia rodziny Checker 101E oferują prostotę i funkcjonalność dostępną w oferowanych już wcześniej czujnikach Checker 101, a ponadto dzięki możliwości obróbki sygnałów z enkoderów pozwalają na wyeliminowanie logiki sterowników PLC przy śledzeniu i odrzucaniu wybrakowanych elementów z linii produkcyjnych, o zmiennych prędkościach.
Rejestr przesuwający czujnika działa automatycznie, umożliwiając dokładne śledzenie do 40 000 elementów, znajdujących się pomiędzy punktami kontroli i odrzucenia. Może on poddawać obróbce ponad 500 obrazów na sekundę i dzięki temu wyjątkowo precyzyjnie śledzić produkowane elementy i wykrywać wszelkie błędy, mankamenty pojawiające się w procesie produkcji. Przejrzysta procedura wprowadzania i doboru nastaw prowadzi użytkownika krok po kroku do zamierzonego celu. www.cognex.pl
Cognex
Ograniczenie kosztów dzięki wyłącznikom krańcowym
Wyłączniki krańcowe GLL stanowią rozszerzenie dotychczasowej oferty kompaktowych wyłączników krańcowych firmy Honeywell, spełniając wymagania stawiane przez duże aplikacje. Wyłączniki te dostarczane są w lekkich, kompaktowych obudowach, spełniających wymagania dyrektyw RoHS, a ich cena jest o około 40% niższa od innych, porównywalnych produktów na rynku. Wśród potencjalnych możliwych aplikacji wymienić należy: windy, schody ruchome, podnoszone platformy, sprzęt pakujący i wszelkiego typu drzwi. Wyłączniki GLL wymagają mniejszej liczby przewodów doprowadzających (podwójnie izolowana obudowa, bez konieczności stosowania uziemienia) oraz zapewniają bardzo łatwy dostęp do terminala łączeniowego, dzięki zastosowaniu uchylnej klapy, przy jednoczesnym spełnieniu wymagań klasy szczelności IP 65 i NEMA 13. Urządzenia te mają certyfikaty UL, CSA, CE oraz CCC. www.honeywell.com.pl
Honeywell
Kompaktowy czujnik fotoelektryczny
Firma Omron ogłosiła wprowadzenie do produkcji pierwszego na świecie czujnika fotoelektrycznego o symbolu E3ZM, z obudową ze stali nierdzewnej, spełniającą wszystkie rygorystyczne wymogi czystości i higieny, niezbędne dla zastosowań w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i produkcji napojów.
Czujnik ten charakteryzuje się 200-krotnie dłuższym okresem żywotności w porównaniu z konwencjonalnymi czujnikami w obudowach plastikowych lub też w formie jednolitych odlewów.
Znaczne oszczędności związane z utrzymaniem sprawności tych urządzeń oraz ich wymianą przyczyniają się do zwiększenia ogólnej wydajności i opłacalności produkcji. Odporność obudowy na kontakt z różnego typu detergentami i chemicznymi środkami czystości, w połączeniu z ułatwioną zmywalnością powierzchni, umożliwiają utrzymanie właściwego poziomu higieny i tym samym wysokiej jakości procesów produkcyjnych (szczególnie istotne w przemyśle spożywczym). Hermetycznie zamknięta obudowa jest odporna na zmywanie wodą o wysokim ciśnieniu i spełnia wymogi klasy szczelności IP 69K. Dostępne są czujniki wykorzystujące różne technologie fotoelektryczne: bariery świetlne, czujniki retrorefleksyjne (ze zwierciadłem), odbiciowe od obiektu, z funkcją kompensacji wpływu tła. www.omron.com.pl
Omron Electronics
Osiągi porównywalne z czujnikami laserowymi
Czujniki fotoelektryczne serii 28 w wersjach cyfrowych i cyfrowo-analogowych mają wytrzymałe obudowy, spełniające kryteria klasy szczelności IP 67. Wprowadzono w nich doskonałą wręcz równowagę pomiędzy dokładnością czujników laserowych, idealną przy aplikacjach finalnego pozycjonowania elementów a bezpieczeństwem czujników z promieniami światła czerwonego. Wytwarzają one niewielką, widoczną plamkę (wiązkę) czerwonego światła o wymiarach 4 x 4 mm, o zasięgu do 250 mm i tłumieniu tła do 400 mm, co umożliwia zignorowanie powierzchni maszyn oraz innych obiektów spoza penetrowanego obszaru. Czujniki serii 28 mogą pracować w trybach załączonego/ wyłączonego oświetlenia z dwoma wyjściami typu PNP. Mają one mikrołącza typu M12 oraz dwie diody LED, informujące o statusie urządzenia, widoczne są z odległości do 1,5 metra. www.pepperl-fuchs.com
Pepperl+Fuchs
Sprężynowe czujniki pozycji typu dc-LVDT
 Sprężynowe czujniki pozycji dla aplikacji automatyki z liniami 24 V typu GHSE 750 upraszczają wprowadzenie do nich odpowiednich nastaw i dopasowanie do tychże aplikacji. Zapewniają jednocześnie bardzo dokładny pomiar pozycji. Dostępne są czujniki o różnym zakresie pomiarów od 2,5 do 100 mm, przy maksymalnym błędzie pomiaru liniowego rzędu 0,25% dla pełnej skali wyjściowej. Czujniki dostarczane są w kompletnych pakietach gotowych do użycia, co znacznie ułatwia ich zainstalowanie w konkretnych aplikacjach. Składają się one ze sprężynującego wałka umieszczonego w okrągłej, walcowej obudowie, połączonego z rdzeniem liniowego, różnicowego przetwornika przemieszczeń (LVDT). Dzięki takiej budowie czujnika jest on znacznie łatwiejszy w praktycznym montażu przy urządzeniach przemysłowych niż inne podobne czujniki. Zastosowanie hermetycznej obudowy ze stali nierdzewnej (średnica 19 mm) zapewnia wydłużoną żywotność tych czujników w takich aplikacjach, jak: wskaźniki położenia potencjometrów elektronicznych, określanie wymiarów produktów metalowych, różnego typu aparatura testowa oraz urządzenia do pomiaru dużych przemieszczeń wzdłuż osi, wału. Czujniki spełniają wymagania klasy szczelności IP 68. www.macrosensors.com
Macro Sensors 
Enkoder laserowy światłowodowy
System laserowego, światłowodowego enkodera to nieliniowy czujnik położenia o maksymalnej rozdzielczości 38 pikometrów. Umożliwia on producentom urządzeń precyzyjnych i medycznych, wytwórcom specjalizowanych elementów półprzewodnikowych oraz różnego typu laboratoriom spełnienie wszystkich, bardzo rygorystycznych wymagań co do dokładności pomiaru.
Przewody światłowodowe przesyłają światło lasera, pochodzące z jednego źródła światła, do dwóch osi pomiarowych, eliminując w ten sposób konieczność stosowania dodatkowych urządzeń rozdzielających (splitter) i uginających wiązkę (bender) oraz ruchomych mocowań.
Zdolność do prowadzenia pomiarów różnicowych oraz wysoka stabilność częstotliwości promienia lasera zapewniają najwyższą precyzję sterowania dwuosiowego X-Y. Rozdzielczość rzędu pikometrów możliwa jest do uzyskania przy prędkościach 1 m/s i długościach osi do 4 m.
Innowacyjne rozwiązania projektowe ograniczyły do minimum czynności związane z łączeniem i odpowiednim ustawieniem światłowodów. Tylko dwa elementy muszą być ustawione w celu sporządzenia kompletnego, dwuosiowego systemu pomiarowego, co przyczynia się do znacznych redukcji czasu instalacji oraz uproszczenia procedur dopasowania całego oprzyrządowania. Przewody światłowodowe pozwalają na swobodne lokowanie promieni lasera (do 3 metrów), tak by oszczędzić dostępną przestrzeń i odsunąć jak najdalej źródło światła laserowego od osi pomiarowych – w celu redukcji wpływu temperatury na wyniki pomiarów.
Sygnały wyjściowe z systemu dostępne są poprzez łącze RS-422 i/lub wyjścia typu sinus/ cosinus o napięciu międzyszczytowym 1 V. Wyjścia cyfrowe zapewniają rozdzielczość pomiaru do 10 nm, podczas gdy wykorzystanie wyjść analogowych, wraz z interpolatorami RGE firmy Renishaw lub nowymi interfejsami równoległymi RP120, pozwala na uzyskanie rozdzielczości na poziomie odpowiednio 0,39 nanometrów i 38 pikometrów. www.renishaw.pl
Renishaw
Ultradźwiękowy, analogowy czujnik zbliżeniowy
Ultradźwiękowy zbliżeniowy czujnik Superprox SM906 charakteryzuje się najmniejszym pasmem martwym, największym zasięgiem i najmniejszą obudową spośród wszystkich tego typu urządzeń dostępnych na rynku. Jego zasięg pomiarowy waha się od 203 mm do 8 m i czyni z niego idealne urządzenie do pomiaru bardzo długich przemieszczeń. Przy paśmie martwym długości właśnie 203 mm czujnik ten może być montowany bliżej kontrolowanych obiektów, w porównaniu z osiągami innych czujników o bardzo dużym zasięgu pomiarów. Ze względu na swoje wymiary zewnętrzne (30 mm średnicy i długość 118 mm) czujnik ten może być z powodzeniem montowany nawet w niewielkich, trudno dostępnych miejscach. Jest on wstępnie skonfigurowany przez producenta, może być jednak łatwo rekonfigurowany, w celu dostosowania do konkretnych aplikacji analogowych. Użytkownik ma możliwość określenia parametrów sygnału wyjściowego (napięciowy: od 0 do 10 VDC lub prądowy: 4-20 mA), bezpośredniego lub odwrotnie proporcjonalnego oraz wartość strat typu „echo”, w stosunku do całkowitej mocy sygnału. Czas reakcji (regulowany) to standardowe 250 ms (minimalny: 150 ms). Dostępne są również funkcje tłumienia za i przed tłem oraz komunikacja standardu Device- Net. Czujnik Superprox SM906 jest skompensowany temperaturowo w zakresie temperatur od -10OC do 60OC. www.schneider-electric.pl
Schneider Electric

Artykuł pod redakcją
Andrzeja Ożadowicza