Dlaczego zły dobór czujników tak często się „mści”?

Czujnik jest pierwszym ogniwem łańcucha pomiarowego. Jeśli na wejściu pojawia się błędny lub niestabilny sygnał, to procesu nie uratuje żadna, nawet genialna, logika w PLC czy falowniku. Problem polega na tym, że w praktyce decyzje o doborze sensora zapadają często z marszu, w oparciu o przyzwyczajenia, dostępność magazynową lub podobieństwo do starego projektu.

Tymczasem poprawny dobór wymaga przejścia przez kilka kroków: zrozumienia, co dokładnie jest mierzone, w jakich warunkach pracuje czujnik, z jaką dynamiką oraz jak sygnał ma trafić do sterownika. Dlatego poniżej zebraliśmy najczęstsze błędy, które pojawiają się na tych etapach.

1. Zły typ czujnika przemysłowego do zadania

To podstawowy błąd: technologia nie pasuje do charakteru procesu.

Przykłady:

• Czujnik indukcyjny używany do detekcji tworzyw sztucznych.
• Czujnik pojemnościowy pracujący w miejscu o dużym poziomie wilgotności będzie reagować nie tylko na produkt, ale też na parę wodną, wodę czy przyklejone zanieczyszczenia.
• Czujnik fotoelektryczny barierowy używany w mocno zapylonym obszarze. W efekcie element generujący wiązkę światła jest ciągle pokryty pyłem i konieczne jest jego nieustanne czyszczenie.
• Czujnik ciśnienia pracujący „na styk” z zakresem, i który przy każdym skoku ciśnienia działa na granicy, co skraca jego życie i pogarsza dokładność.

Źródło błędu jest zwykle podobne: wybór najprostszego lub najtańszego sensora, zamiast dopasowania technologii do mierzonej wielkości i wykrywanego materiału.

Czytaj też: Przegląd czujników przemysłowych. Najważniejsze informacje i zastosowania

2. Ignorowanie warunków środowiskowych

Drugi, bardzo częsty błąd to traktowanie czujnika tak, jakby pracował w czystym, suchym i chłodnym laboratorium, a nie w rzeczywistym środowisku przemysłowym.

Co najczęściej jest pomijane:

• Stopień ochrony IP. W obszarach o wysokiej wilgotności, myjniach, przy parze i zmywaniu ciśnieniowym czujniki o IP65/67 bardzo szybko zaczynają łapać wilgoć i korozję.
• Temperatura. Standardowy zakres pracy nie wystarczy w przypadku pracy w pobliżu pieców, w chłodniach, CIP/SIP czy gorących rurociągach.
• Zapylenie, w którym nie radzą sobie np. czujniki optyczne.
• Medium i chemia. Brak odporności na środki myjące, kwasy, zasady czy smary powoduje pękanie obudowy, utratę szczelności i dryf pomiaru.

Często w projekcie wszystko wygląda doskonale, a problemy pojawiają się dopiero po kilku miesiącach, gdy w statystykach serwisu zaczynają dominować dziwne zachowania jednego typu czujnika.

3. PNP/NPN, NO/NC. Niby detal, a potrafi zatrzymać linię

Kolejna grupa błędów to styki: typ wyjścia czujnika nie pasuje do filozofii instalacji lub modułów wejściowych.

Typowe potknięcia:

• Zamówienie czujnika NPN do systemu zaprojektowanego pod PNP, co kończy się dokładaniem przekaźników, odwracaniem logiki, a czasem całkowitą wymianą czujników.
• Brak konsekwencji w stykach normalnie zamkniętych/normalnie otwartych (NC/NO). Różne logiki w jednym typie sygnałów utrudniają diagnostykę i mogą ukrywać usterki przewodów, szczególnie w obwodach bezpieczeństwa.
• Czujnik cyfrowy zamiast czujnika analogowego. Tam, gdzie proces wymaga płynnej informacji (poziom, ciśnienie, temperatura), cyfrowy sygnał 0-1 mocno ogranicza możliwości regulacji.

Ten typ błędu wynika najczęściej z braku standardów. Wtedy każdy projektant lub inżynier robi zamówienia zgodne z własnym uznaniem, a utrzymanie ruchu musi potem radzić sobie z mozaiką rozwiązań.

4. Złe miejsce i sposób montażu

Nawet idealnie dobrany czujnik nie będzie pracował poprawnie, jeśli zostanie zamontowany byle gdzie i byle jak.

Gdzie tu najłatwiej o błąd:

• Czujnik montowany jest poza reprezentatywną strefą pomiaru, np. czujnik temperatury w niewielkiej przestrzeni przy ściance, zamiast w głównym strumieniu.
• Praca na granicy zakresu pomiarowego, np. czujnik indukcyjny ustawiony tak, że każdy luz mechaniczny lub drganie powoduje zanikanie sygnału.
• Brak odpowiedniego dystansu pomiędzy czujnikami. Problem ten jeszcze szczególnie widoczny w przypadku czujników indukcyjnych i ultradźwiękowych, które potrafią wzajemnie się zakłócać.
• Luźne, podatne na drgania mocowanie, w wyniku którego czujnik „żyje swoim życiem”, punkt detekcji pływa, a całość czasem po prostu pęka.

Efektem są ulubione zgłoszenia typu „czasem działa, czasem nie”, które trudno odtworzyć i zrozumieć w warunkach postoju.

5. Brak uwzględnienia dynamiki istniejącego systemu automatyki przemysłowej i wpływu zakłóceń ze strony pola elektromagnetycznego

Ostatni zestaw błędów dotyczy tego, jak szybko i w jakim otoczeniu pracuje czujnik.

• Za niska częstotliwość przełączania. W przypadku szybkich linii montażowych produkt potrafi przejść przez pole detekcji, zanim czujnik zdąży zadziałać.
• Nadmierne lub zbyt małe filtrowanie sygnału w PLC, powodujące gubienie krótkich, ale ważnych impulsów, albo – z drugiej strony – reakcję na każdy szum.
• Brak ekranowania przewodów przy falownikach, softstartach i dużych silnikach, w wyniku czego zakłócenia elektromagnetyczne powodują losowe zadziałania wejść.

To właśnie na styku czujnik – okablowanie – falownik – PLC rodzi się wiele tajemniczych problemów, za które potem oskarża się „niestabilnie” pracujący czujnik.

Najczęściej zadawane pytania

Jak dobrać odpowiedni czujnik do zastosowania przemysłowego?

Wybierając czujnik należy zacząć od:

• określenia wielkości fizycznej (co jest mierzone?),
• określenia zakresu pomiarowego (min–zakres znamionowy–maks),
• określenia warunków środowiskowych (IP, zmiany temperatury, wilgotność, media)
• określenia dynamiki procesu (prędkość, wymagany czas reakcji).

Dopiero potem można dobrać technologię (czujnik indukcyjny, czujnik pojemnościowy, czujnik położenia, czujnik zbliżeniowy), typ wyjścia (PNP/NPN, NO/NC, analogowy/cyfrowy) i określić miejsce montażu tak, żeby przemysłowy czujnik mierzył to, co powinien z odpowiednią dokładnością pomiaru.

Jakie są najczęstsze błędy przy wyborze czujników?

Najczęściej pojawia się:

• zły dobór technologii (czujnik nie pasuje do materiału/rodzaju pomiaru),
• ignorowanie warunków środowiskowych (IP, temperatura, środowisko agresywne chemicznie),
• nietrafiony wybór rodzaju wyjść PNP/NPN i NO/NC oraz
• złe miejsce montażu.

Dochodzi do tego brak analizy dynamiki procesu i zakłócenia elektromagnetyczne na linii produkcyjnej, co w praktyce daje niestabilne, spóźnione albo zafałszowane sygnały.

Na co zwrócić uwagę przy doborze czujnika do trudnych warunków?

Dobierając czujnik, który ma poprawnie pracować w warunkach rzeczywistych, należy wziąć pod uwagę:

• odpowiednią klasę IP (często IP67–IP69K), czyli uwzględnić odporność obudowy czujnika na medium i środki myjące, zakres temperatur pracy, wibracje i uderzenia
• poprawne ekranowanie przewodów.

Należy wziąć pod uwagę także spójność całego toru – czujnik, złącze, przewód i sposób prowadzenia kabli – tak, aby usterka najsłabszego ogniwa nie psuła pracy całego układu.

Czy jeden typ czujnika sprawdzi się w każdej aplikacji?

Nie. Nie istnieje czujnik, który sprawdzi się zarówno w agresywnej chemicznie myjni, jak i w chłodni, w zastosowaniach wymagających bardzo dużej szybkości reakcji, w strefie grożącej wybuchem oraz w precyzyjnym pomiarze i sterowaniu procesem.

W praktyce projektuje się ograniczoną listę najczęściej stosowanych, standardowych typów czujników dla typowych aplikacji przemysłowych i następnie dobiera się zaawansowane czujniki specjalistyczne tam, gdzie proces stawia szczególne wymagania.