Jste zde

Světelné mříže = Light grid

Antonín Vojáček, 7. Říjen 2006 - 20:22

Jsou aplikace, kde jednoduché jednopaprskové optozávory nepostačují. Pak je možné použít složitější systém zvaný světelné mříže. Ty umožňují spolehlivě detekovat objekty různých velikostí, včetně těch, co mají složité tvary, jako jsou lidé nebo zvířata. Co to jsou světelné mříže a jak fungují se dozvíte v následujícím článku...

Ne vždy si aplikace vystačí pouze s jednoduchou světelnou závorou, tvořenou pouze jedním paprskem. Přítomnost velkých nebo tvarově složitých předmětů a produktů, včetně lidí a zvířat, je však vhodnější detekovat systémem s více paprsky - tzv. světelnými mřížemi. Zatímco jednoduchá optozávora neumožňuje rozlišovat různé předměty podle jejich rozměrů, světelná mříž umožňuje například rozlišovat výšku krabice. S klasickou optozávorou se může stát, že na velké předměty nastavená optozávora nezareaguje na ty malé nebo naopak.

Světelná mříž, jak lze vidět níže, je rozšířenou verzí obvyklých světelných závor (optozávory). Samotný funkční princip je prakticky shodný jako u optozávor, pouze je jejich více umístěných jakoby nad sebou a zabudované do jednoho pouzdra obvykle ve tvaru vysokého kvádru nebo "sloupů". Podobně jako by jste umístily například 15 klasických válcových optozávor do nějakého soklu nad sebe. Čtenáře scifi literatury se jistě vybavený použití ve formě zabezpečení vstupů a prostor v kosmických lodí.

Použití světelné závory

Jako náhrada klasické optozávory:

spolehlivější detekce předmětů různých rozměrů
hlídání většího prostoru
zabezpečovací zařízení
hlídání vchodů a a vjezdů
atd. (viz. obrázek 1.)

Dvojrozměrný detekční rozsah je vhodný pro mnoho aplikací:

identifikace a počítání nepravidelných objektů
měření a třídění objektů různých výšek
kontrola přítomnosti a překročení určité výšky
kontrola průvěsu pásových materiálů
atd. (viz. obrázek 1.)

Příklady použití světelných mříží firmy SICK

Princip světelné mříže

Světelná mříž je optoelektronický senzor složený z vysílače optických paprsků a jejich přijímače. V případě provedení typu jednocestná závora je na jedné straně detekovaného prostoru připevněn vysílač, který vysílá mnoho paralelních paprsků, a na druhé straně přijímač tvořený strukturou fotodiod, přičemž každá je určená pro příjem jednoho konkrétního paprsku. Vznikne tak tzv. detekční pole (detection field), v jehož prostoru je přítomnost předmětů zjištěna.

Základní princip funkce světelné mříže

V zásadě lze v nabídkách firem, jako je například SICK, nalézt následující typy:

Jednocestné standardní systémy světelných mříží (ELG v nabídce firmy SICK ) - jsou tvořené oddělenou lištou/sloupem vysílače a přijímače
Modulární systémy (MLG v nabídce firmy SICK) - oba moduly-sloupy vysílají i přijímají světelné paprsky. Princip funkce se dá přirovnat k "obousměrné jednocestné závoře"
Reflexní systémy (WLG v nabídce firmy SICK) - jsou tvořené modulem sdružených vysílačů a přijímačů a dlouhou obdélníkovou odrazkou. Princip tak odpovídá reflexní optozávoře

Jednocestná světelná mříž (vlevo) a reflexní mříž (vpravo) firmy SICK

Celá světelná mříž obsahuje několik funkčních bloků vykonávající různou funkci:

Vysílač/zdroj světla
Přijímač/vyhodnocení přítomnosti, resp. nepřítomnosti světla
Vyhodnocovací obvody a logika
Výstupní obvody (spínací u digitálního/logického výstupu, sériové komunikační rozhraní např. Profibus)

Příklad struktura světelné závory firmy SICK (vysílač, přijímač, Profibus komunikace atd.) a propojení Profibus komunikace

Charakteristické parametry světelných mříží

Hlavními parametry optických senzorů přiblížení, které se obvykle uvádí i v katalogu (datasheetu) nebo v popisu senzoru, jsou:

Typ světla - infračervené neviditelné, viditelné světlo obvykle červené paprsky
Detekční rozsah/vzdálenost X (Range) - max. vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem, příp. odrazkou
Detekční výška světelné závory
Počet paprsků světla
Vzdálenost paprsků (Beam separation) - vzdálenost mezi jednotlivými paprsky světla - určuje MDO
MDO (Minimum Detectable Object Size) - určuje rozměry nejmenšího objektu, který může být detekován
Minimální vzdálenost mezi mřížemi Y - minimální vzdálenost mezi dvěmi nezávislými mřížemi tak, aby se vzájemně neovlivňovali
Minimální vzdálenost spodního povrchu "a" - nejmenší vzdálenost lesklého předmětu od paprsku, již nebyl detekován
Spínání na světlo/na tmu - spínání nebo detekce objektu při průchodu paprsku/přerušení paprsku
Výstup - spínaný PNP nebo NPN, digitální sériová komunikace
Napájení - stejnosměrné/střídavé

Příklad výběru jednocestných světelných mříží firmy SICK řady MLG

Příklad světelných mříží s křížovou detekcí firmy SICK řady MLG

Minimální vzdálenost lesklého objektu, který nemá být detekován

Závislost minimální vzdálenosti Y dvou nezávislých světelných mříží na detekčním dosahu X

Provedení optických senzorů

Z důvodu větší rozmanitosti výrobků různých výrobců se v uvedeném přehledu budu opírat hlavně o nabídku firmy SICK. Většina informací však platí i pro ostatní optické senzory v průmyslovém provedení.

Elektrické vlastnosti

Některé vlastnosti jsou podobné s optozávorami. Napájení je obvykle stejnosměrným (DC) napětím v rozsahu 10 až 50 V nebo střídavým (AC) napětím v rozsahu 20 až 265 V. Připojení senzoru k dalšímu systému je obvykle přes pevně ze senzoru vyvedený kabel, častěji však konektorem stejným jako u optozávor, ale zde je větší rozmanitost co se počtu pinů týče.

Na výstupu světelných mříží jsou totiž velmi různé konfigurace signálů. Informace o detekovaném předmětu se buď dává jedním spínaným výstupem, který je nahozen vždy při přerušení/uvolnění jakéhokoliv z mnoha paprsků, to se pak např. využívá 4pinový konektor, nebo každý jednotlivý paprskem má vlastní spínaný výstup, pak se používá mnoha pinový konektor (např. až 10 pinový), nebo se vše řeší plně digitálně a informace o přerušení jednotlivých paprsků se přenáší prostřednictvím průmyslové sběrnice (např. Profibus, RS485). Typy signálů a jejich rozložení na pinech je už různé a je nutné je vyhledat v příslušném manuálu nebo katalogovém listu senzoru.

Spínaný výstup má obvykle volitelné nastavení připojení zátěže NPN/PNP.

Příklad připojení kabelu přes konektor senzoru

Další konektory vyskytující se pouze u světelných mříží (mnoho výstupů Q nebo RS485)

Příklad vývodů senzorů se signálem Q, učícím vstupem TI (Teach-in) a ukázka připojení zátěže při nastavení spínání na "světlo" nebo "tmu".

Nastavení okamžiku sepnutí logického výstupu, tzv. Učení senzoru (teach mode), je obdobné jako u optozávor. Systém učení však může mít každý výrobce odlišné. Obvykle se však provádí různými stisky tlačítek umístěných přímo na senzoru. Někdy je doplňuje indikace z LED nebo jednoduchý displej.

Mechanické vlastnosti

Z pohledu tvarového provedení pouzdra lze obvykle senzory pro světelné mříže nalézt v tzv. sloupovém válcovém nebo podlouhlém kvádrovém provedení, které se připevňují na konstrukci. Jejich výška bývá od cca 100 mm až do cca 1000 mm. Optické senzory přiblížení se často se vyrábí s vysokou mechanickou ochranou IP65 až IP67, mj. z důvodu obecné velké citlivosti optoelektroniky na vlhkost prostředí.

Praktický příklad provedení světelných mříží firmy SICK

Závěr

Světelné mříže jsou zajímavým avšak zatím málo rozšířeným typem optozávor, kterými však lze realizovat velké množství aplikací. V mnoha případech sice lze použít jen jednopaprskové klasické optozávory, ale ty nemusí postihovat všechny detekovatelné stavy. Použití světelné mříže sice vychází dražší, ale detekce je preciznější a spolehlivější. Pro bližší informace o zde uvedených senzorech firmy SICK odkazuji na stránky firmy www.sick.cz plné informací.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz