Sensoren für den Heavy Duty Einsatz

Hohe Widerstandsfähigkeit gepaart mit zuverlässigem Detektionsverhalten plus Selbst- und Fernüberwachung – die Sensoren der Produktfamilie W12-3 von Sick sind auf hohe Verfügbarkeit, Anlagenproduktivität und Zukunftssicherheit ausgelegt. Genau das, was es für den Heavy Duty-Einsatz braucht.

Der Begriff Heavy Duty umfasst dabei eine Vielzahl von Einsatzszenarien, in denen Standardsensoren auf Dauer nicht funktionsfähig sind. Starke mechanische Beanspruchungen durch Schläge oder Stöße sowie hochfrequente Vibrationen gehören ebenso zu den „Killer-Kriterien“ wie das temporäre oder dauerhafte Einwirken von Ölnebeln sowie Kühl- und Schmiermitteln auf das Gehäuse, die Frontscheibe und den Kabelanschluss von Sensoren. Auch häufiges Reinigen oder Desinfizieren wird für viele Sensoren zum Stressfaktor – ganz zu schweigen von Fremdlicht, extremen Temperaturen oder großen Temperaturschwankungen. Zudem können sich Staub, Abrieb und sonstige Partikel in der Umgebungsluft auf den Sensoren ablagern und so die Detektionsleistung beeinträchtigen.

Gleichzeitig erschweren aber auch die Objekte selbst die Detektion: Transparenz, Glanz, unregelmäßige Geometrien, unterbrochene Oberflächen oder wechselnde Abstände erfordern in der Regel eine individuelle Auslegung der Erfassungseigenschaften. Die Produktfamilie W12-3 hat für diese Anforderungen eine Lösung, wie die folgenden Beispiele aus einer Glashütte, der Metallverarbeitung sowie beim Abfüllen und Verpacken zeigen.

Glasklare Vorteile in der Flaschenproduktion

Die Hochtemperaturreflektoren SW50 mit ihrem in den eloxierten Aluminium-Montagerahmen eingesetzten Borosilikatglas widerstehen dauerhaft Temperaturen bis 300 °C. Sick

Deutlich mehr als eine Million Flaschen pro Tag werden in Spitzenzeiten in der Behälterglasproduktion einer Glashütte hergestellt. Das Detektieren und Zählen im High-Speed-Flaschenstrom ist jedoch nicht die einzige Herausforderung an die eingesetzten Sensoren, sondern auch die extrem rauen Einsatzbedingungen: Einerseits heizen die Flaschentemperaturen von über 600 °C den neben der Förderstrecke installierten Lichtschranken ordentlich ein. Zum anderen müssen die Sensoren zugleich starken mechanischen Beanspruchungen, wie Rußpartikeln, Glasstaub, feinsten Ölpartikeln und Wasserdampf in der Luft sowie dem Einwirken chemischer Stoffe standhalten, beispielsweise Salzsäure.

Eine Lösung ist die ClearSens-Glaslichtschranke WL12G-3 im Zusammenspiel mit einem Hochtemperatur-Reflektor SW50. Aufgrund ihres Metallgehäuses in Schutzarten bis IP 67 ist die Glaslichtschranke mechanisch robust und beständig gegen viele aggressive Medien. Die maximale Umgebungstemperatur im Betrieb ist auf sichere 60 °C spezifiziert. Tatsächlich verfügt sie im Dauereinsatz in der Behälterglasproduktion – montiert hinter einem Wärmeschutzblech – über eine Temperaturbeständigkeit von mehr als 80 °C. Mit einem spezifizierten Schaltabstand in dieser Applikation von zwei Metern ermöglicht die Lichtschranke ein sicheres Detektionsverhalten und verfügt zugleich über hohe Funktionsreserven, beispielsweise bei Belagbildung auf der Sensoroptik. Die Schaltfrequenz der Reflexions-Lichtschranke beträgt 1 500 Hz – für ein zuverlässiges Detektieren und Zählen der von der Hitze umflimmerten Flaschen im Transportstrom. Hier kommt auch der Reflektor ins Spiel, denn an dessen Montageort auf der dem Sensor gegenüberliegenden Seite des Flaschenstroms herrschen ebenfalls hohe Temperaturen. Standardreflektoren aus Kunststoff würden bereits nach kurzer Zeit durch die Hitze schmelzen und sich verformen. Diese Gefahr besteht bei den Hochtemperaturreflektoren nicht: mit ihrem in den eloxierten Aluminium-Montagerahmen eingesetzten Borosilikatglas widerstehen sie dauerhaft Temperaturen bis 300 °C.

Dauerwärme, Dämpfe und elektromagnetische Felder

Bei der Detektion von 1 200 °C heißem Material sind die Sensoren bei einer Entfernung von 50 cm zum Objekt einer Dauerwärmestrahlung von etwa 50 °C sowie Wasser, Feuchtigkeit und Kühlemulsionen ausgesetzt. Sick

Ein weiteres Anwendungsbeispiel in dem Standardsensoren an ihre Grenzen kommen ist die Detektion von 1 200 °C heißem Rundstangenmaterial in der Zuführung zu einer Warmpresse. Dieses Material wird zur weiteren Bearbeitung in gleichbleibend große Einzelstangen getrennt. Um Unterbrechungen im Produktionsprozess zu vermeiden, muss ein Sensor diese Stücke mit hoher Genauigkeit erfassen. Somit ist höchste Präzision gefordert, wobei der Sensor selbst bei einer Entfernung von einem halben Meter zum Objekt – wobei der Sensor selbst bei einer Entfernung von einem halben Meter zum Objekt immer noch einer Dauerwärmestrahlung von etwa 50 °C ausgesetzt. In der direkten Umgebung des Werkstückes herrschen sogar bis 150 °C. Darüber hinaus beinhaltet das Einsatzumfeld das Auftreten von Wasser, Feuchtigkeit und Kühlemulsionen, hohe mechanische Beanspruchung und die starken elektromagnetischen Feldern der Induktionsheizelemente der Pressen.

Präzise Detektionsergebnisse und Dauer-Standzeiten liefert unter diesen Bedingungen die Kombination aus der Laser-Lichtschranke WL12L im hochdruckfesten IP69k-Metallgehäuse und dem SW50-Hochtemperaturreflektor. Der Sensor in den Laserschutzklassen 1 oder 2 mit einer Reichweite bis 18 Meter, hohen Funktionsreserven und einer guten Fremdlichtsicherheit detektiert aufgrund der Laser-LED genau: So ist der Lichtfleck, den der Sensor auf dem Stangenmaterial erzeugt, nur etwa 0,8 Millimeter groß – gleichzeitig aber gut sichtbar, wodurch sich der Sensor gut ausrichten lässt. Die Laserfleckgeometrie, sowie die bei einer maximalen Schaltfrequenz von 2 500 Hz sehr kurze Ansprechzeit, ermöglichen es, die Schnittstellen am Anfang und am Ende der Werkstücksektion exakt zu detektieren. Hieraus resultieren im weiteren Bearbeitungsprozess präzise Fertigungsschritte – was zu weniger Produktionsunterbrechungen führt und unnötigen Materialeinsatz verhindert. Durch die Montage hinter einem zusätzlichen Wärmeschutzblech lässt sich die Laser-Lichtschranke selbst im spezifizierten Temperaturbereich von 50 °C betreiben. Am Montageort des Reflektors herrschen auch in diesem Fall deutlich höhere Temperaturen, denen dieser dauerhaft standhält.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel der WL12L in der Metallverarbeitung ist die Detektion von Platinen in Stanzmaschinen. Der Einsatz ist gekennzeichnet durch Erschütterungen, hochfrequente Vibrationen und Ölnebel. Für den Einsatz der Laser-Lichtschranke sprechen ihre hohe Robustheit sowie das schnelle und zugleich präzise Detektionsverhalten – und damit die hohe Sensorverfügbarkeit.

Heavy Duty auch beim Abfüllen und Verpacken

Heavy Duty beim Abfüllen und Verpacken

Mit dem linienförmigen Lichtfleck des Lichttasters WTB12-3 Linie mit Hintergrundausblendung können Lücken in Objekten, z. B. Gitterstrukturen, überbrückt und dadurch solche Gebinde sicher erkannt werden. Sick

Auch beim Abfüllen und Verpacken gibt es Heavy Duty-Applikationen. In der Flaschenabfüllung einer Brauerei müssen Sensoren beispielsweise nicht nur präzise detektieren und schnell zählen, sondern auch mechanischen Einflüssen, Wärme, Dampf, Produktaustritt sowie Reinigungs- und Desinfektionsmedien standhalten. Diese Anforderungen erfüllt die Glaslichtschranke WL12-G im robusten Zink-Druckguss-Gehäuse. Eine Version mit Teflon-beschichtetem Gehäuse widersteht überdies unter anderem verschiedenen Säuren. Außerdem erfasst der Sensor bei der Getränkeabfüllung in PET- oder Klarglasflaschen auch transparente Objekte – und kann dabei zusätzliche wartungsrelevante Diagnose-Informationen liefern.

Beim Verpacken von gefüllten Keksen müssen die Sensoren nicht nur die Anforderungen an Beständigkeit und Reinigbarkeit erfüllen – die Bereiche der Backwaren mit und ohne Füllung unterscheiden sich von der Höhe und erschweren so zusätzlich die Detektion. In dieser Applikation kommt daher ein Lichttaster WTF12 zum Einsatz, dessen Vordergrundausblendung die Höhenunterschiede kompensiert und so jeden Keks – ob gefüllt oder ungefüllt – erfasst.

Herausforderung Objekt

Auch die zu detektierenden Objekte selbst können sensortechnische Herausforderungen bereithalten: So ist beim Erfassen gewölbter, in engem Abstand transportierter Margarinebecher oder Flaschen mit Flüssig-Speisefetten in einer Rückstaustrecke der üblicherweise kleine Lichtfleck eines Lichttasters nicht immer von Vorteil. Befindet sich der Lichtfleck zufällig in der Lücke zwischen zwei Objekten, generiert der Sensor kein Schaltsignal und der folgende Prozess – zum Beispiel das Greifen und Umsetzen in Sekundärverpackungen – wird nicht angesteuert. Die Lösung: der Reflexions-Lichttaster WTB12-3 Linie. Im Betrieb ist der linienförmige Lichtfleck des Tasters mit Hintergrundausblendung in der Lage, solche Lücken zu überbrücken und dadurch die Gebinde sicher zu erkennen. Der gleiche Sensor kommt auch in einer Bäckerei zum Einsatz. Hier werden Brötchen, Croissants und andere Gebäckstücke vor einer Waage erfasst – was mit einem kleinen Lichtfleck nicht immer zuverlässig möglich ist. Die Linienoptik des Reflexions-Lichttasters hingegen detektiert die Teilchen – in jeder Lage und bei jedem Bräunungsgrad.

IO-Link für Industrie 4.0

Die Einsatzbeispiele zeigen, dass anspruchsvolle Einsatz- und Umfeldbedingungen je nach Branche und Applikation unterschiedliche Leistungsmerkmale erfordern. Ob Chemikalienresistenz, Temperaturbeständigkeit, Schock- und Vibrationsfestigkeit oder elektromagnetische Verträglichkeit – nicht immer reicht eine Heavy Duty-Eigenschaft aus. Oftmals ist erst die Kombination ideal. Viele Sensorlösungen – beispielsweise Laser-Lichtschranken oder Reflexions-Lichttaster mit Linienoptik – können zudem detektionstechnische Herausforderungen lösen.

Außerdem sind die Tasterversionen WT der Produktfamilie W12-3 per IO-Link vorbereitet für Industrie 4.0, sodass sich die Sensoren beispielsweise von außen parametrieren und im laufenden Betrieb überwachen lassen – ganz im Sinne der Idee eines Smart Sensors.

(ml)