Czujniki i wyłączniki krańcowe: zastosowanie i zasada działania

Współczesna automatyka przemysłowa i technologia opierają się na precyzyjnych i niezawodnych komponentach, wśród których kluczową rolę odgrywają czujniki i wyłączniki krańcowe. Urządzenia te, choć często działające w tle, są niezbędne do poprawnego funkcjonowania maszyn, systemów sterowania i wielu innych aplikacji. Zadaniem czujnika ruchu jest wykrycie poruszającego się obiektu, który wszedł w pole jego widzenia. Te urządzenia elektroniczne sygnalizują detekcję ruchu, na przykład człowieka, a następnie dają na swoim wyjściu informację w postaci zwarcia odpowiednich styków, co może załączyć jakieś urządzenie elektryczne - na przykład oświetlenie.

Wyłącznik krańcowy, zwany potocznie krańcówką, to elektromechaniczne urządzenie sterujące, które działa jako przełącznik wykrywający pozycję lub obecność obiektu poprzez fizyczny kontakt. Urządzenie aktywuje się, gdy poruszający się obiekt dotknie jego elementu wykonawczego i przekroczy punkt krańcowy.

Rodzaje czujników i zasada ich działania

Na rynku dostępnych jest kilka rodzajów czujników, z których każdy działa na odmiennej zasadzie. Proste układy elektroniczne nie posiadają kamer, które rejestrowałyby obraz, a następnie analizowały jego zmiany - taki wariant czujnika ruchu byłby bardzo drogi w realizacji, choć umożliwiałby odróżnienie dorosłego człowieka od kota lub bawiących się dzieci.

Czujniki pasywne i aktywne

Wśród czujników ruchu wyróżniamy modele pasywne i aktywne. Czujniki pasywne, takie jak popularne i zarazem najtańsze czujniki PIR (Passive Infrared), działają na zasadzie pomiaru natężenia promieniowania podczerwonego, jakie emituje każdy organizm stałocieplny - czyli człowiek, ale zwierzęta również. Emitują one sygnał, gdy wykryją zmianę w natężeniu promieniowania podczerwonego w swoim polu widzenia. Ich wadą jest reagowanie na zwierzęta, przez co biegający po podwórku pies lub kot mogą je aktywować, włączając niepotrzebnie reflektor.

Z kolei czujniki mikrofalowe (zwane również radarowymi) emitują swoją wiązkę fal elektromagnetycznych o bardzo wysokiej częstotliwości. Są znacznie bardziej czułe od czujników na podczerwień i potrafią również „widzieć” przez materiały nieprzewodzące prądu, takie jak szkło, tworzywa sztuczne czy płyty kartonowo-gipsowe. Wykrywają ruch na podstawie zmian w odbiciu wysyłanych przez nie fal.

Czujniki ultradźwiękowe

W czujnikach ultradźwiękowych nie jest wysyłana wiązka fal radiowych, lecz ultradźwięków - czyli sygnałów akustycznych o bardzo wysokiej częstotliwości, niesłyszalnych dla ludzkich uszu. Działają na zasadzie analizy echa odbitego od obiektów. Nie są one tak czułe jak czujniki mikrofalowe. Mają jeszcze jedną wadę: niektóre zwierzęta, zwłaszcza psy, mogą reagować agresywnie przebywając w ich pobliżu.

Czujniki laserowe

Ta grupa czujników, obejmująca również czujniki odległości, wykorzystuje wiązkę światła laserowego. Wiązka światła laserowego jest emitowana w przestrzeń, po czym układ analizuje czas, który mija do jej powrotu. Jeżeli na drodze tej wiązki stanęła przeszkoda (np. noga przechodzącego człowieka), wraca ona szybciej lub nie robi tego w ogóle, jeżeli została w całości pochłonięta lub rozproszona na boki. Taki czujnik działa jedynie w linii prostej, podczas gdy pozostałe czujniki, zwłaszcza PIR, obejmują swoim zasięgiem szeroki kąt. Dlatego można go zamontować na takiej wysokości, aby rejestrował jedynie ludzi, a nie zwierzęta czy roboty sprzątające.

Kilka rodzajów czujników daje możliwość wyboru tego, który najlepiej sprawdzi się w danym miejscu. Każdy z nich działa nieco inaczej i ma inne zalety oraz wady.

Wyłączniki krańcowe: definicja i zasada działania

Wyłącznik krańcowy, nazywany potocznie krańcówką, to elektromechaniczne urządzenie sterujące, które pełni rolę przełącznika. Jego podstawowym zadaniem jest wykrywanie pozycji lub obecności obiektu poprzez fizyczny kontakt. Aktywacja następuje, gdy poruszający się obiekt dotknie jego elementu wykonawczego i przekroczy punkt krańcowy.

Zasada działania wyłącznika krańcowego jest prosta, ale bardzo efektywna. Gdy obiekt dotyka elementu wykonawczego wyłącznika krańcowego, element ten mechanicznie się przemieszcza. Ten ruch powoduje otwarcie lub zamknięcie styków elektrycznych, zmieniając stan obwodu. Przesyłane są wówczas dane do systemu przetwarzania logicznego, dotyczące:

• Obecności lub braku obiektu.
• Przejścia obiektu.
• Pozycjonowania.
• Zakończenia podróży.

Rodzaje wyłączników krańcowych

Wyłączniki krańcowe są dostępne w różnych wersjach, co pozwala dopasować je do specyficznych potrzeb aplikacji przemysłowych. Ich klasyfikacja opiera się na rodzaju elementu wykonawczego oraz warunkach pracy.

• Wyłączniki krańcowe elektromechaniczne: Stanowią najpopularniejszą i najliczniejszą kategorię. Wyróżniają się prostą budową i niezawodnością. Elementem wykrywającym przeszkodę jest ruchoma dźwignia mechaniczna.
• Wyłączniki krańcowe z rolką: W tym typie dźwignia jest wyposażona w małą rolkę na końcu, co minimalizuje tarcie podczas interakcji z ruchomymi częściami maszyny.
• Wyłączniki krańcowe membranowe: Wykorzystywane w trudnych warunkach (wysokie/niskie temperatury, wilgotność, pył). Działają na zasadzie deformacji elastycznej membrany, która zmienia stan styków.
• Wyłączniki krańcowe indukcyjne i magnetyczne: Wykorzystują zasady indukcji magnetycznej do wykrywania pozycji. Działają bezdotykowo, minimalizując zużycie mechaniczne.
• Wyłączniki krańcowe optyczne: Używają wiązki światła i fotodetektora do wykrywania pozycji, co pozwala na bezkontaktowe i precyzyjne działanie.

Zastosowanie czujników i wyłączników krańcowych

Zarówno czujniki, jak i wyłączniki krańcowe znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, od przemysłu po urządzenia domowe.

Zastosowanie przemysłowe

W środowiskach przemysłowych, dzięki swojej niezawodności i wszechstronności, wyłączniki krańcowe są wykorzystywane w niemal każdej zautomatyzowanej instalacji. Ich podstawowym zadaniem jest wykrywanie obecności, braku lub pozycji obiektu oraz przesyłanie sygnału do systemu sterowania.

Główne zastosowania w przemyśle obejmują:

• Monitorowanie pozycji: Wyłączniki krańcowe są zintegrowane z obwodami w celu monitorowania pozycji określonych komponentów w linii produkcyjnej, np. w systemach taśmociągowych do śledzenia ruchu i lokalizacji przedmiotów, a także w sprzęcie robotycznym do identyfikacji pozycji ramion mechanicznych lub innych ruchomych części.
• Systemy bezpieczeństwa: Odgrywają kluczową rolę w zapewnianiu bezpieczeństwa maszyn, zatrzymując ich działanie w razie potrzeby, np. wyłączając maszyny w przypadku otwarcia drzwi lub zatrzymując urządzenia przy usunięciu osłon bezpieczeństwa.

Zastosowanie w windach i dźwigach

Wyłączniki krańcowe zapewniają bezpieczeństwo i precyzyjną pracę wind poprzez identyfikację pozycji piętra i zapobieganie zatrzymaniu się windy na nieprawidłowych poziomach.

Zastosowanie w automatyce bramowej

Wyłączniki krańcowe są często używane w systemach sterowania bramami, zarówno garażowymi, jak i przemysłowymi. Kiedy brama osiąga swoją maksymalną pozycję otwarcia lub zamknięcia, wyłącznik krańcowy zatrzymuje silnik, chroniąc go przed przeciążeniem.

Zastosowanie w robotyce

W robotyce wyłączniki krańcowe są wykorzystywane do kontroli ruchów robota, szczególnie w jego kończynach. Dzięki nim robot wie, kiedy osiągnął granicę swojego zakresu ruchu.

Zastosowanie w urządzeniach domowych

W wielu domowych urządzeniach, takich jak pralki czy zmywarki, wyłączniki krańcowe mogą być używane do kontroli różnych funkcji, na przykład otwarcia i zamknięcia drzwiczek lub zakończenia cyklu mycia.

Wyłączniki krańcowe i czujniki krańcowe - czym się różnią?

Warto zaznaczyć, że w przypadku tych dwóch określeń, stosowana nomenklatura może wprowadzać w błąd. Oba urządzenia pełnią funkcję wyłączników. W przypadku czujnika krańcowego, wzbogacono ten element o funkcję ostrzegania o zbliżaniu się do przeszkody, bądź informowania o dotarciu do danej przeszkody. Klasyczny wyłącznik krańcowy również przekaże informacje dotyczące położenia, jednakże nastąpi to dopiero w momencie dotarcia do danego punktu, za pomocą włączenia lub wyłączenia obwodu. Dodatkowe opcje dodawane są na zasadzie rozbudowania podstawowej wersji.

Wyłącznik krańcowy jest urządzeniem elektromechanicznym. Jego głównym zadaniem jest sygnalizacja osiągnięcia skrajnego położenia przez element ruchomy układu. Poprzez wykonywaną czynność, zabezpiecza przed przemieszczeniem się, z tego względu jest niezbędny w przypadku budowania bezpiecznych sieci elektrycznych. Ponadto znajduje zastosowanie w przypadku zamykania obwodu sterowanego po osiągnięciu określonej pozycji. Dzięki temu umożliwia dokonywanie przełączeń następujących pod wpływem modyfikacji związanych z położeniem obiektu.

Czujniki położenia w automatyce przemysłowej

Czujniki położenia to elektroniczne przetworniki, które są w stanie wykryć obecność obiektu w ich bezpośrednim sąsiedztwie, bez żadnego fizycznego kontaktu z samym obiektem. Funkcja ta, wraz z brakiem jakichkolwiek mechanicznych mechanizmów uruchamiających, sprawia, że takie urządzenia są wysoce niezawodne.

Rodzaje czujników położenia:

• Czujniki indukcyjne: Generują sygnał wyjściowy, gdy metalowy przedmiot (żelazo, aluminium, miedź, mosiądz) wchodzi w ich obszar wykrywania. Dostępne są w wersji cylindrycznej i prostokątnej.
• Czujniki indukcyjne pierścieniowe: Pozwalają wykryć obecność metalowych przedmiotów, które przechodzą przez obszar wewnątrz pierścienia.
• Czujniki pojemnościowe: Generują sygnał wyjściowy, gdy dowolny rodzaj materiału (drewno, metal, plastik, produkty ziarniste i proszkowe) wejdzie w obszar wykrywania bez bezpośredniego kontaktu.
• Czujniki fotoelektryczne: Emitują światło i zapewniają sygnał wyjściowy, gdy obiekt znajdzie się w ich obszarze wykrywania.
• Czujniki optyczne światłowodowe: Działają jak czujniki fotoelektryczne, ale światło jest transportowane przez światłowód, co pozwala na instalację w trudnodostępnych miejscach.
• Czujniki magnetyczne: Wykorzystują kontaktrony ze stykami chronionymi w szklanej bańce. Działanie polega na reakcji na pole magnetyczne.

Czujniki kontroli poziomu

Druga duża grupa czujników to czujniki kontroli poziomu. Są to elektroniczne lub mechaniczne przetworniki, które wykrywają obecność cieczy lub substancji stałych w postaci proszku lub granulatu w zbiornikach, silosach, lejach zasypowych itp.

Rodzaje czujników kontroli poziomu:

• Czujniki pojemnościowe poziomu: Szeroko stosowane do kontrolowania poziomu substancji stałych i płynnych, które mogą nie przewodzić prądu.
• Czujniki przewodnościowe poziomu: Pracują nad rezystywnością cieczy i wyczuwają poziom za pomocą elektrod.
• Rotacyjne czujniki poziomu: Służą do kontroli poziomu w pojemnikach zawierających produkt w postaci proszku lub granulatu. Działanie opiera się na obrotach silnika synchronicznego.
• Wibracyjne czujniki poziomu: Kontrolery wibracji służą do kontroli poziomu w silosach z materiałami sypkimi.
• Membranowe czujniki poziomu: Odpowiednie do kontrolowania maksymalnych i minimalnych poziomów w silosach i zbiornikach z materiałami sypkimi.
• Pływakowe magnetyczne czujniki poziomu: Wykorzystują kontaktron i magnes umieszczony w pływaku do wykrywania poziomu cieczy.

Czujniki magnetyczne i kontaktrony

Zestyk kontaktronowy to przełącznik, którego stan położenia styków zmienia się przez przyłożenie źródła pola magnetycznego. Gdy pole magnetyczne jest obecne, styki z materiału ferromagnetycznego zwierają się, umożliwiając przepływ prądu. Po oddaleniu źródła pola, styki rozwierają się, przerywając obwód.

Zarówno kontaktrony, jak i czujniki magnetyczne są często montowane w budynkach, a ich zadaniem jest aktywowanie alarmu lub dzwonka po otwarciu drzwi lub okien. Na stacjach pogodowych w anemometrach kontaktrony są przełączane w zależności od prędkości wiatru.

EHR - elektrohydrauliczne sterowanie w ciągnikach

W kontekście zastosowań rolniczych, istotne jest również EHR (Electro-Hydraulic Control), czyli elektrohydrauliczne sterowanie 3-punktowym układem zawieszenia ciągnika. Jest to system sterowania podnośnikiem, który stał się standardem w nowoczesnych ciągnikach rolniczych, znacząco ułatwiając operatorowi codzienną pracę.

Funkcje systemu EHR:

• Podnoszenie i opuszczanie podnośnika.
• Ustawienie szybkości podnoszenia i opuszczania podnośnika.
• Funkcja szybkiego opuszczania podnośnika.
• Ustawienie maksymalnej wysokości podnoszenia podnośnika.
• Ustawienie podnośnika w tryb stały i pływający.
• Regulacja siłowa - automatyczna.
• Zabezpieczenie transportowe (uniemożliwia samoczynne opuszczenie się podnośnika).

Dodatkową zaletą EHR jest możliwość sterowania podnośnikiem przy pomocy przycisków umieszczonych na błotniku ciągnika, co jest niezwykle przydatne podczas samodzielnego podczepiania zawieszanej maszyny.

Zasada działania systemu EHR

W układzie EHR sprężyny do pomiaru wielkości siły zostały zastąpione czujnikami tensometrycznymi - sworzniami, które łączą dolne cięgła z płytą TUZ-u. Drążki do regulacji pracy podnośnika zastąpiła elektroniczna droga przekazu danych, czyli wspomniany panel EHR.

Czynności, które są możliwe dzięki EHR, a nie były możliwe przy tradycyjnym sposobie sterowania podnośnikiem, to m.in.: zabezpieczenie transportowe podnośnika, ustawienie szybkości podnoszenia i opuszczania, funkcja szybkiego opuszczania, wybór trybu pracy (stały lub pływający) oraz wybór ustawienia maksymalnej wysokości podnoszenia.

System EHR ułatwia pracę operatorowi, który nie musi już pilnować głębokości pracy, tylko może skoncentrować się na prowadzeniu maszyny, bez obaw, że orka będzie za płytka.

Rozwój i modernizacja EHR

Producenci ciągników stale rozwijają systemy EHR, dążąc do zwiększenia komfortu operatora. Nowoczesne rozwiązania obejmują joysticki zintegrowane z podłokietnikami, umożliwiające proporcjonalne sterowanie podnośnikami, a także konfigurowalne ekrany dotykowe. Systemy te zapewniają precyzyjną kontrolę głębokości pracy maszyny oraz wysokości zawieszenia narzędzi.

Starsze ciągniki również można unowocześnić dzięki systemom retrofit EHR, takim jak ESP lub HPS Plus. Zestawy te oferują funkcje podobne do nowoczesnych systemów EHR i nie wymagają ingerencji w oryginalny układ hydrauliczny, co ułatwia ich instalację.

Podsumowując, EHR to elektrohydrauliczny panel sterujący podnośnikiem ciągnika, który działa na zasadzie pokręteł i przełączników zamiast tradycyjnych drążków sterujących. Ułatwia on pracę operatorowi, pozwalając na precyzyjne ustawienie parametrów pracy maszyny.

tags: #czujnik #wlacznik #ciagnik