Revolutionierung der industriellen Automatisierung mit modernen fotoelektrischen Sensortypen

1. Was sind fotoelektrische Sensoren und warum sind sie in der industriellen Automatisierung wichtig?

Als Experte für industrielle Automatisierung habe ich die transformative Wirkung von photoelektrischen Sensoren aus erster Hand miterlebt. Diese Geräte sind wesentliche Komponenten in der modernen Fertigung und fungieren als „Augen“ automatisierter Systeme. 

Optoelektronische Sensoren erkennen berührungslos die Anwesenheit, Abwesenheit oder Entfernung von Objekten, indem sie einen Lichtstrahl aussenden und das reflektierte Licht analysieren. Ihre Fähigkeit, präzise und zuverlässige Daten zu liefern, macht sie in vielen Anwendungen unverzichtbar.

Im Rahmen der industriellen Automatisierung spielen fotoelektrische Sensoren eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Effizienz, Verbesserung der Qualitätskontrolle und Gewährleistung der Sicherheit.

Durch die präzise Erkennung von Objekten ermöglichen diese Sensoren automatisierten Systemen, Aufgaben wie das Zählen, Sortieren, Positionieren und Prüfen von Produkten mit bemerkenswerter Geschwindigkeit und Genauigkeit auszuführen.

Da die Fertigungswelt zunehmend automatisiert wird, steigt die Nachfrage nach anspruchsvollen Sensorlösungen wie photoelektrischen Sensoren weiter an. Eine Fallstudie von Omron zeigte beispielsweise, dass der Einsatz von photoelektrischen Sensoren in einer Verpackungslinie den Durchsatz um 20 % erhöhte und gleichzeitig die Fehlerquote um 15 % reduzierte.

2. Wie funktionieren fotoelektrische Sensoren?

Optoelektronische Sensoren arbeiten nach einem einfachen, aber effektiven Prinzip. Sie bestehen aus einer Lichtquelle (Sender) und einem lichtempfindlichen Detektor (Empfänger). Der Sender sendet einen Lichtstrahl aus, normalerweise Infrarot- oder sichtbares Licht, und der Empfänger misst die Lichtmenge, die von einem Objekt zurückreflektiert oder unterbrochen wird. 

Je nach Sensortyp bestimmt die Art und Weise, wie das ausgesendete Licht mit dem Objekt interagiert und vom Empfänger verarbeitet wird, wie der Sensor die Anwesenheit, Position oder andere Eigenschaften des Objekts erkennt.

Es gibt drei Hauptmethoden, mit denen fotoelektrische Sensoren ein Objekt erkennen: Einweglichtschranke, diffuse Lichtschranke und retroreflektierende Lichtschranke. Einweglichtschranken verwenden zwei separate Gehäuse – eines für den Sender und eines für den Empfänger – die einander gegenüberliegen. 

Bei diffusen Sensoren befinden sich Sender und Empfänger im selben Gehäuse und sie nutzen das vom Objekt reflektierte Licht. Bei retroreflektierenden Sensoren befinden sich Sender und Empfänger ebenfalls im selben Gehäuse, sie nutzen jedoch einen Reflektor, um das Licht zum Empfänger zurückzuwerfen.

Jede Methode hat ihre Vorteile und eignet sich für unterschiedliche Anwendungen. Der diffuse Modus eignet sich beispielsweise hervorragend zum Erkennen von Objekten mit unterschiedlichem Reflexionsgrad, während der Einwegmodus sich zum Erkennen undurchsichtiger Objekte eignet.

3. Was sind die wichtigsten Arten von fotoelektrischen Sensoren?

Um den richtigen Sensor für Ihre spezifische Anwendung auszuwählen, ist es wichtig, die verschiedenen Arten von Lichtschranken zu kennen. Jeder Typ bietet einzigartige Funktionen und ist für unterschiedliche Sensorszenarien konzipiert. Hier werden wir uns die einzelnen primären Sensortypen genauer ansehen.

• Einweglichtschranken: Diese gelten als die zuverlässigste Art von Lichtschranken. Sie haben die längsten Erfassungsbereiche und werden am wenigsten von den Eigenschaften des zu erkennenden Objekts beeinflusst. In der Verpackungsindustrie werden sie beispielsweise regelmäßig eingesetzt, um das Vorhandensein von Kartons auf einem Förderband zu erkennen.
• Diffuse Sensoren: Diese sind ideal für Situationen, in denen nur eine Seite des Zielobjekts zugänglich ist. Sie funktionieren besonders gut bei Objekten mit einer stark reflektierenden Oberfläche, wie Metall oder weißem Papier. Eine typische Anwendung wäre die Erkennung von Teilen in einem Behälter.
• Retroreflektierende Sensoren: Diese eignen sich hervorragend zum Erkennen glänzender oder transparenter Objekte. Sie bieten größere Erfassungsbereiche als diffuse Sensoren, sind jedoch weniger präzise als Einweglichtschranken. Ein häufiger Anwendungsfall ist das Erkennen von Flaschen auf einem Förderband.
• Konvergente Strahlmodussensoren: Konvergente Strahlmodussensoren verwenden eine Linse, um den emittierten Lichtstrahl auf einen kleinen Punkt zu fokussieren. Dadurch kann der Sensor kleine Objekte innerhalb eines bestimmten Bereichs präzise erkennen.
• Diffuser Modus mit Sensoren zur Hintergrundausblendung: Der diffuse Modus mit Sensoren zur Hintergrundausblendung nutzt die Triangulation, um die Entfernung zu einem Objekt zu bestimmen und ignoriert Objekte jenseits einer bestimmten Entfernung, wodurch er sich ideal für die Erkennung von Objekten vor einem reflektierenden Hintergrund eignet.

Hier ist eine Tabelle mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Arten von fotoelektrischen Sensoren:

4. Was ist Einweglichtschranken-Sensortechnologie und wie verbessert sie die Erkennung?

Die Einweglichtschranken-Sensortechnologie, auch als Durchgangsstrahl- oder Gegenlichtsensortechnologie bekannt, ist eine äußerst effektive Methode zur Objekterkennung in industriellen Umgebungen.

Bei dieser Technik kommen zwei separate Sensoreinheiten zum Einsatz: ein Sender und ein Empfänger, die einander gegenüberliegen. Der Sender sendet einen kontinuierlichen Lichtstrahl in Richtung des Empfängers.

Wenn ein Objekt zwischen Sender und Empfänger hindurchgeht, unterbricht es den Lichtstrahl, wodurch eine Änderung der vom Empfänger erkannten Lichtintensität verursacht wird. Diese Änderung signalisiert die Anwesenheit eines Objekts.

Einer der Hauptvorteile von Einweglichtschranken ist ihre große Reichweite. Da Sender und Empfänger getrennt und direkt ausgerichtet sind, kann der Lichtstrahl eine beträchtliche Distanz zurücklegen, ohne nennenswert an Intensität zu verlieren.

Dadurch eignen sich Einweglichtschranken ideal für Anwendungen, bei denen ein großer Sensorbereich abgedeckt werden muss, wie etwa das Erkennen großer Objekte auf einem Förderband oder die Überwachung der Ein- und Ausgänge einer Produktionslinie.

Beispielsweise Mitsubishi PLC können so programmiert werden, dass sie auf der Grundlage der Signale dieser Sensoren reagieren und so integrierte Steuerungslösungen bereitstellen.

Darüber hinaus sind Einweglichtschranken für ihre Zuverlässigkeit bekannt. Da die Erkennung auf der Unterbrechung eines Lichtstrahls und nicht auf der Reflexion von Licht basiert, sind diese Sensoren weniger anfällig für Schwankungen der Oberflächeneigenschaften des Objekts wie Farbe, Textur oder Reflexionsgrad.

Dadurch eignen sie sich für die Erkennung einer breiten Palette von Objekten, darunter undurchsichtige, transparente und sogar unregelmäßig geformte Objekte.

5. Wie funktioniert die Diffuse-Sensing-Technologie bei der Objekterkennung?

Die diffuse Sensortechnologie, auch als Näherungs- oder Reflexionsmodus bekannt, ist eine weitere weit verbreitete Methode bei photoelektrischen Sensoren. Im Gegensatz zu Einweglichtschranken sind bei diffusen Sensoren Sender und Empfänger in einem einzigen Gehäuse untergebracht.

Der Sender sendet einen Lichtstrahl aus, und wenn ein Objekt in den Sensorbereich eintritt, reflektiert er einen Teil dieses Lichts zurück zum Empfänger. Der Sensor erkennt dann die Anwesenheit des Objekts anhand der empfangenen Lichtmenge.

Diffuse Sensoren sind besonders nützlich, wenn nur ein Zugriff auf eine Seite des Zielobjekts möglich ist. Sie sind auch dann effektiv, wenn die Position des Objekts innerhalb des Erfassungsbereichs variieren kann.

Die Wirksamkeit diffuser Sensoren kann jedoch durch die Oberflächeneigenschaften des Objekts beeinflusst werden. Objekte mit hohem Reflexionsgrad, wie glänzende oder helle Oberflächen, reflektieren mehr Licht und sind daher leichter zu erkennen. Umgekehrt absorbieren dunkle oder matte Objekte mehr Licht und können schwieriger zu erkennen sein.

Es gibt verschiedene Varianten innerhalb der diffusen Sensortechnologie. Beispielsweise verwendet der konvergente Strahlmodus einen fokussierten Lichtstrahl, um die Erkennung kleiner oder transparenter Objekte zu verbessern.

Dieser Modus konzentriert das Licht in einem schmalen Strahl und erhöht dadurch die Lichtintensität in einer bestimmten Entfernung. Dadurch können Objekte mit geringer Reflektivität leichter erkannt werden.

6. Was ist retroreflektierende Sensortechnologie?

Die retroreflektierende Sensorik ist eine spezielle Form der reflektierenden Sensorik, die im Vergleich zur standardmäßigen diffusen Sensorik erweiterte Funktionen bietet. In dieser Konfiguration sendet der fotoelektrische Sensor einen Lichtstrahl in Richtung eines speziellen Reflektors, der gegenüber dem Sensor angebracht ist.

Der Reflektor ist so konzipiert, dass das Licht auf demselben Weg direkt zum Sensor zurückgeschickt wird. Wenn ein Objekt den Lichtstrahl zwischen Sensor und Reflektor unterbricht, erkennt der Sensor eine Verringerung der empfangenen Lichtmenge und weist so auf die Anwesenheit eines Objekts hin.

Einer der Hauptvorteile von Reflexionslichtschranken besteht darin, dass sie transparente oder durchscheinende Objekte zuverlässiger erkennen können als diffuse Lichttaster.

Dies liegt daran, dass selbst klare Objekte eine gewisse Lichtdämpfung oder -streuung verursachen, wenn sie den Strahl unterbrechen.

Durch die Erkennung dieser subtilen Änderungen der Lichtintensität können retroreflektierende Sensoren Objekte effektiv erfassen, die von anderen Sensortypen möglicherweise übersehen werden. Eine häufige Anwendung ist die Erkennung von durchsichtigen Flaschen oder Plastikfolien auf einem Förderband.

Darüber hinaus bieten Reflexionslichtschranken im Allgemeinen eine größere Erfassungsreichweite als diffuse Lichttaster, da das Licht effizienter vom Reflektor reflektiert wird.

Sie haben jedoch keine so große Reichweite wie Einweglichtschranken. Es ist wichtig zu beachten, dass die Leistung von retroreflektierenden Sensoren durch die Ausrichtung zwischen Sensor und Reflektor beeinträchtigt werden kann.

Die ordnungsgemäße Installation und Ausrichtung sind für einen optimalen Betrieb von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus können Staub, Schmutz oder andere Verunreinigungen auf dem Reflektor oder der Sensorlinse die Menge des reflektierten Lichts verringern und möglicherweise zu falschen Messwerten führen.

7. Wie verbessert die Hintergrundausblendung die Genauigkeit photoelektrischer Sensoren?

Die Hintergrundunterdrückung ist eine erweiterte Funktion einiger fotoelektrischer Sensoren, die deren Genauigkeit insbesondere in anspruchsvollen Umgebungen erheblich verbessert.

Mithilfe dieser Technologie kann der Sensor Objekte jenseits einer festgelegten Entfernung (der sogenannten Grenzdistanz) ignorieren und gleichzeitig Objekte innerhalb der gewünschten Erfassungsreichweite zuverlässig erkennen.

Es gibt zwei Hauptarten der Hintergrundunterdrückung:

• Mechanische Hintergrundausblendung: Bei dieser Methode wird die Grenzdistanz mithilfe einer mechanischen Einstellung, z. B. einer Schraube, eingestellt. Der Sensor reagiert nur auf reflektiertes Licht, das innerhalb eines bestimmten Zeitfensters zurückkehrt, das der eingestellten Distanz entspricht. Von Objekten jenseits der Grenzdistanz reflektiertes Licht kommt außerhalb dieses Fensters an und wird ignoriert.

• Elektronische Hintergrundausblendung: Diese anspruchsvollere Methode verwendet Triangulation, um die Entfernung zum Objekt zu bestimmen. Der Sensor enthält zwei Empfangselemente, die den Winkel erkennen, in dem das reflektierte Licht zurückkommt. Basierend auf diesem Winkel berechnet der Sensor die Entfernung zum Objekt. Wenn die berechnete Entfernung den eingestellten Grenzwert überschreitet, ignoriert der Sensor das Objekt.

Die Hintergrundunterdrückung ist insbesondere dann nützlich, wenn der Hintergrund reflektierend ist oder wenn Objekte mit unterschiedlicher Farbe oder Reflektivität vor einem einheitlichen Hintergrund erkannt werden müssen.

Beispielsweise kann bei einer Anwendung, bei der Kartons unterschiedlicher Farbe auf einem Förderband vor einem glänzenden Metallhintergrund bewegt werden, ein Sensor im diffusen Modus mit Hintergrundausblendung die Kartons zuverlässig erkennen und dabei Reflexionen vom Förderband ignorieren.

Wenn Sie Hintergrundunterdrückung in Ihre Abläufe integrieren möchten, bieten wir spezialisierte Schneider HMI Panels, die mit diesen fortschrittlichen Sensoren integriert werden können.

8. Welche Schlüsselfaktoren beeinflussen die Leistung eines fotoelektrischen Sensors?

Die Leistung und Zuverlässigkeit von photoelektrischen Sensoren kann von mehreren Faktoren beeinflusst werden. Das Verständnis dieser Faktoren ist wichtig, um den geeigneten Sensor für eine bestimmte Anwendung auszuwählen und einen optimalen Betrieb sicherzustellen.

• Objekteigenschaften: Größe, Form, Farbe, Oberflächenstruktur und Reflexionsgrad des Zielobjekts können die Erkennung erheblich beeinflussen. Beispielsweise können kleine, dunkle oder unregelmäßig geformte Objekte schwieriger zu erkennen sein als große, helle oder regelmäßig geformte. Ebenso können Objekte mit matten Oberflächen mit diffusen Sensoren schwieriger zu erfassen sein als Objekte mit glänzenden Oberflächen.

• Umgebungsbedingungen: Faktoren wie Umgebungslicht, Temperatur, Feuchtigkeit, Staub, Schmutz und chemische Einflüsse können die Sensorleistung beeinträchtigen. So kann beispielsweise eine hohe Umgebungslichtintensität die Fähigkeit des Sensors beeinträchtigen, Änderungen der Lichtintensität zu erkennen. Ebenso können extreme Temperaturen oder der Kontakt mit Feuchtigkeit oder Chemikalien den Sensor beschädigen oder seine Leistung mit der Zeit beeinträchtigen. So bietet beispielsweise unser Sortiment an Omron-Sensoren sind so konzipiert, dass sie rauen Umgebungsbedingungen standhalten und eine zuverlässige Leistung gewährleisten.

• Erfassungsabstand: Der Abstand zwischen dem Sensor und dem Zielobjekt sowie der Gesamterfassungsbereich des Sensors sind wichtige Überlegungen. Verschiedene Sensortypen haben unterschiedliche Erfassungsbereiche. Beispielsweise haben Einweglichtschranken normalerweise die größte Reichweite, während diffuse Sensoren eine kürzere Reichweite haben. Die Auswahl eines Sensors mit einem für die Anwendung geeigneten Erfassungsbereich ist für eine zuverlässige Erkennung von entscheidender Bedeutung.

• Ausrichtung und Installation: Die richtige Ausrichtung und Installation sind für eine optimale Sensorleistung entscheidend. Eine Fehlausrichtung kann zu verpassten Erkennungen oder Fehlauslösungen führen. Darüber hinaus kann die Gewährleistung einer sicheren Montage und des Schutzes des Sensors vor Vibrationen oder Stößen dazu beitragen, seine Genauigkeit und Langlebigkeit aufrechtzuerhalten.

• Reaktionszeit: Die Geschwindigkeit, mit der ein Sensor ein Objekt erkennen und ein Ausgangssignal erzeugen kann, wird als Reaktionszeit bezeichnet. Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen, wie z. B. dem Zählen von Objekten auf einem schnell laufenden Förderband, ist ein Sensor mit schneller Reaktionszeit unerlässlich, um mit der Produktionsrate Schritt zu halten.

9. Was sind die typischen Anwendungen von fotoelektrischen Sensoren in verschiedenen Branchen?

Optoelektronische Sensoren sind unglaublich vielseitig und finden in einer Vielzahl von Branchen Anwendung. Ihre Fähigkeit zur berührungslosen Erkennung macht sie in zahlreichen Automatisierungsprozessen von unschätzbarem Wert. Hier sind einige gängige Beispiele:

• Verpackungsindustrie: In der Verpackungsindustrie spielen diese Sensoren eine entscheidende Rolle, um sicherzustellen, dass Produkte richtig positioniert, gezählt und verpackt werden. Beispielsweise können Einweglichtschranken das Vorhandensein von Kartons auf einem Förderband erkennen, während retroreflektierende Sensoren das Vorhandensein von Etiketten oder Siegeln überprüfen können. Diffuse Sensoren können zur Füllstandserkennung in Trichtern oder zur Erkennung des Vorhandenseins von Artikeln in einem Paket verwendet werden.

• Materialhandhabung: Optoelektronische Sensoren sind wesentliche Komponenten in automatisierten Materialhandhabungssystemen. Sie können verwendet werden, um fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs) zu steuern, den Materialfluss auf Förderbändern zu kontrollieren und die Position von Paletten oder anderen Lasten zu erkennen. Beispielsweise können Sensoren verwendet werden, um sicherzustellen, dass ein AGV zum Be- oder Entladen an der richtigen Stelle anhält.

• Automobilindustrie: In der Automobilherstellung werden fotoelektrische Sensoren häufig zur Teileerkennung, Positionierung und Prüfung eingesetzt. Sie können das Vorhandensein von Komponenten auf einem Fließband erkennen, die korrekte Ausrichtung von Teilen überprüfen und sogar auf Defekte prüfen. So können Sensoren beispielsweise sicherstellen, dass eine Autotür richtig ausgerichtet ist, bevor sie angeschweißt wird.

• Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Diese Branche nutzt fotoelektrische Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Flaschenerkennung, Verschlusserkennung, Füllstandserkennung und Etikettenüberprüfung. Beispielsweise können retroreflektierende Sensoren verwendet werden, um das Vorhandensein von klaren Flaschen auf einer Abfüllanlage zu erkennen, während diffuse Sensoren sicherstellen können, dass Behälter bis zum richtigen Füllstand gefüllt sind. Als Ergänzung zu diesen Anwendungen bieten wir robuste Proface HMI Panels, die einen reibungslosen Betrieb und eine reibungslose Überwachung Ihrer Produktionslinien gewährleisten.

• Pharmaindustrie: In der pharmazeutischen Produktion werden fotoelektrische Sensoren zur präzisen Objekterkennung in Prozessen wie dem Zählen von Pillen, dem Überprüfen des Vorhandenseins von Fläschchen oder Spritzen und der Überprüfung von Verpackungen auf Mängel eingesetzt. Ihre Fähigkeit, eine genaue und zuverlässige Erkennung zu gewährleisten, ist in dieser stark regulierten Branche von entscheidender Bedeutung.

10. Wie wählen Sie den richtigen fotoelektrischen Sensor für Ihre Anwendung aus?

Bei der Auswahl des richtigen optischen Sensors müssen mehrere Faktoren sorgfältig berücksichtigt werden. Hier finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, die Sie durch den Prozess führt:

1. Bestimmen Sie die Sensormethode: Entscheiden Sie anhand Ihrer Anwendung, ob die Einweg-, diffuse oder retroreflektierende Sensorik am besten geeignet ist. Berücksichtigen Sie Faktoren wie z. B., ob Sie Zugriff auf beide Seiten des Zielobjekts haben, die Oberflächeneigenschaften des Objekts und die erforderliche Sensorreichweite.

2. Berücksichtigen Sie die Objekteigenschaften: Bewerten Sie Größe, Form, Farbe und Reflexionsgrad der zu erkennenden Objekte. Wenn Sie beispielsweise kleine, transparente Objekte erkennen, könnte ein konvergenter Strahl- oder retroreflektierender Sensor geeignet sein. Für Objekte mit unterschiedlichen Farben oder Reflexionsgraden könnte ein diffuser Sensor mit Hintergrundausblendung eine gute Wahl sein.

3. Umgebungsbedingungen bewerten: Berücksichtigen Sie die Umgebung, in der der Sensor betrieben wird. Wenn übermäßig viel Staub, Schmutz oder Feuchtigkeit vorhanden ist, wählen Sie einen Sensor mit geeigneter IP-Schutzart und robustem Gehäuse. In Bereichen mit starkem Umgebungslicht sollten Sie einen Sensor mit guter Umgebungslichtunempfindlichkeit in Betracht ziehen oder eine Abschirmung verwenden.

4. Bestimmen Sie die erforderliche Reichweite: Messen Sie den Abstand zwischen der Stelle, an der der Sensor montiert wird, und der Stelle, an der die Objekte erkannt werden. Wählen Sie einen Sensor mit einer Reichweite, die diese Distanz problemlos abdeckt. Beachten Sie dabei, dass die angegebene Reichweite normalerweise auf idealen Bedingungen basiert.

5. Bewerten Sie die Reaktionszeit: Wenn Ihre Anwendung eine Hochgeschwindigkeitserkennung erfordert, z. B. das Zählen von Objekten auf einem sich schnell bewegenden Förderband, wählen Sie einen Sensor mit einer schnellen Reaktionszeit, der mit der erforderlichen Geschwindigkeit mithalten kann.

6. Berücksichtigen Sie den Ausgabetyp: Photoelektrische Sensoren bieten verschiedene Ausgabetypen, wie NPN, PNP, Relais oder analoge Ausgänge. Wählen Sie einen Ausgabetyp, der mit Ihrem Steuerungssystem oder Ihrer SPS kompatibel ist. Wir bieten Kompatibilität mit einer Vielzahl von Steuerungssystemen, darunter Omron SPS, um eine nahtlose Integration zu gewährleisten.

7. Montage und Installation: Überlegen Sie, wie der Sensor montiert und installiert werden soll. Einige Sensoren bieten flexiblere Montageoptionen als andere. Stellen Sie sicher, dass der Sensor sicher montiert und für optimale Leistung leicht ausgerichtet werden kann.

8. Sonderfunktionen: Je nach Anwendung benötigen Sie möglicherweise einen Sensor mit Sonderfunktionen wie Hintergrundausblendung, Vordergrundausblendung, einstellbarer Empfindlichkeit oder integrierten Timern.

Durch die systematische Bewertung dieser Faktoren können Sie den fotoelektrischen Sensor auswählen, der Ihren Anforderungen am besten entspricht und so eine zuverlässige und genaue Erkennung in Ihrer spezifischen Anwendung gewährleistet.