Comprender los sensores difusos en la automatización industrial

La detección de objetos es una de las necesidades fundamentales del panorama de la automatización industrial. Los sensores son los que registran pequeños componentes en una cinta transportadora hasta asegurarse de que un brazo robótico tiene un componente en la posición correcta - sin estos sensores, ninguno de los modernos acompañamientos en una planta de fabricación funcionaría. De los más adaptables y utilizados de este tipo son los sensores fotoeléctricos y, en particular, los de tipo reflector difuso. Su éxito se debe a la eficacia de la estrategia comercial de simplicidad, precios bajos y tamaño reducido.

Sin embargo, la elección del sensor es una de las decisiones más importantes que requiere precisión. Lo que parecen errores menores en la percepción del alcance de los sensores, o una mala comprensión del atributo del color de un objetivo en el rendimiento, pueden dar lugar a ineficiencias y paradas de producción. Este artículo pretende ofrecer una visión objetiva y clara de la tecnología de sensores difusos. Recortaremos sus principios de funcionamiento, lo compararemos con otros procesos fotoeléctricos, explicaremos sus subtipos y ofreceremos una guía lógica para su elección. El objetivo es desarrollar las competencias técnicas de ingenieros, técnicos y responsables de compras para que puedan tomar mejores decisiones, basadas en conocimientos técnicos, a la hora de mejorar la fiabilidad y eficacia de sus sistemas automatizados. 

Principio básico: funcionamiento real de los sensores fotoeléctricos difusos

A nivel básico, un sensor fotoeléctrico difuso funciona por el principio de la luz reflejada. No es necesario instalar un reflector independiente ni utilizar una unidad receptora separada como en otros sistemas de sensores, ya que la fuente de luz y el receptor sensible a la luz se encuentran en un mismo dispositivo. Esta combinación es la base de su sencillez de diseño, así como de su fácil instalación.

Para ello, la fuente de luz, que suele ser un LED o un diodo láser, envía un haz concentrado de luz visible, normalmente roja o infrarroja, al campo de detección. A continuación, el sensor espera a que algo se interponga en el camino de este haz. Como reflector, se toma la superficie de un objetivo en la trayectoria del haz. Al llegar al objeto, la luz se divide en varias direcciones. Una cantidad proporcionalmente pequeña de esta luz dispersa se desvía hacia el sensor y, antes de ser captada por el receptor.

El receptor está exactamente centrado e inclinado para captar esta luz entrante reflejada. Una vez recibida una cantidad suficiente de luz, su circuito interno establece esa señal y cambia su estado de salida. La señal se transmite a un controlador lógico programable (PLC), un contador u otro dispositivo de control, que realiza un trabajo preprogramado. El parámetro principal, que depende de las características del objeto, su color, el acabado de su superficie y la distancia al sensor, es la cantidad de luz necesaria para activar la salida. Un material blanco y no reflectante reflejará mucha luz y, por tanto, se distinguirá a más distancia que un objeto negro y brillante. La relación entre los atributos de los objetos y la fiabilidad de la detección es el factor principal en todas las aplicaciones que utilizan sensores difusos.

Difuso vs. retrorreflectante vs. a través del haz: diferencias clave en la detección

La selección del tipo adecuado de barrera fotoeléctrica es de suma importancia para una aplicación. La elección depende principalmente de los sacrificios en receptividad a distancia, cualidades de los objetos, dificultad de instalación y asequibilidad. Los sensores retrorreflectantes constituyen un término medio entre los sensores difusos y los que pueden aplicarse cuando se utilizan un par de unidades y un reflector. Los sensores difusos son los más fáciles de instalar; sólo se necesita un dispositivo y ningún reflector. El mayor inconveniente es su menor alcance de detección y la sensibilidad al carácter superficial del objetivo. La tabla siguiente ofrece un contraste directo de estas características principales.

De la supresión energética a la supresión de fondo: Elegir el tipo adecuado

No todos los sensores difusos son iguales Existen algunas variaciones tecnológicas dentro de la categoría que pretenden resolver los límites del modelo básico. Existen versiones estándar, las más comunes, que a veces se denominan sensor difuso energético. Funciona en función de la cantidad de luz que recibe. Siempre que la energía luminosa que llega al receptor sea suficiente, se activa la salida. Aunque es eficaz en las tareas básicas de presencia/ausencia que implican objetivos constantes, este enfoque es deficiente cuando se trata de objetos de diferente color/reflectividad. Un objeto oscuro puede no emitir suficiente luz para ser detectado y un fondo brillante puede emitir tanta como para provocar un falso disparo.

Ante estos retos, se han formulado nuevas tecnologías. La supresión de fondo (BGS) es la más importante. Un sensor BGS no mide el alcance de la luz devuelta, sino el ángulo que devuelve. Emplea dos dispositivos de detección y triangulación para calcular con precisión la distancia del objeto que emite la luz. El sensor también se colocará a una distancia predeterminada y sólo responderá a los objetos que se encuentren a esa distancia. Los objetos más brillantes y reflectantes que este límite no serán tenidos en cuenta. De este modo, los sensores BGS son especialmente fiables cuando el objeto se encuentra en primer plano sobre un fondo variable o reflectante. Son casi resistentes a los cambios de color del objeto y los que mejor se adaptan a objetos de diferentes colores en la misma línea de producción.

La otra variante cercana es el sensor de Supresión de Primer Plano Su funcionamiento se basa en un principio análogo de triangulación, configurado para ignorar los objetos más cercanos a una distancia predeterminada, detectando cualquier cosa que se encuentre más lejos que ésta. Esto es aplicable cuando los sensores pueden estar mirando a través de una rejilla o una malla o cuando deben ignorarse los obstáculos cercanos al sensor. Es importante comprender estas diferencias para desplegar una solución de detección buena, robusta y fiable.

Criterios de selección críticos para su aplicación de automatización industrial

La selección de sensores debe caracterizarse por un proceso sistemático a fin de obtener un rendimiento óptimo y evitar costosos errores de especificación. Aunque son factores decisivos entre la supresión energética y la supresión de fondo, diversos parámetros operativos deben estimarse considerablemente en función de los requisitos de la aplicación. Una conclusión cuidadosa de los siguientes criterios conducirá al modelo de sensor difuso más adecuado y fiable.

Distancia de detección

El requisito más básico son las distancias de detección Hay que averiguar a qué distancia, incluida la variación que pueda haber, debe verse el objeto. Elija siempre un sensor con un alcance máximo publicado que supere adecuadamente la distancia a la que lo necesita. Los alcances publicados suelen basarse en un objetivo ideal (por ejemplo, una tarjeta blanca reflectante al 90%). En objetivos más oscuros o menos reflectantes, este alcance efectivo será menor.

Propiedades del objeto de destino

Esto abarca el tamaño del objetivo, el color y la reflectividad de su superficie. ¿El objetivo es pequeño? En ese caso, será necesario un modelo que concentre su luz en un punto estrecho y nítido, como un sensor láser. ¿Es variable el matiz? Si se trata de objetos entre blancos y negros, lo más probable es que el sensor de supresión de fondo sea el ideal para proporcionar un resultado de lectura coherente. ¿La superficie es brillante o como un espejo? Esto puede sobrecargar un receptor normal; puede ser necesario utilizar modelos especiales.

Consideraciones medioambientales

Compruebe la temperatura ambiente, las lecturas de humedad relativa (HR) y cualquier condensación. Estas variables ambientales pueden interferir en el rendimiento del sensor, especialmente en entornos hostiles, como entornos húmedos, polvorientos o cargados de productos químicos. Por ejemplo, un modelo de luz azul cuando el entorno se caracteriza por una elevada humedad (HR), o una luz incandescente que resulta ser la luz a la que se adaptan mejor estos sensores, etc. Fíjese en el nivel de protección IP (Ingress Protection) del sensor para asegurarse de que está adecuadamente sellado en esas condiciones.

Accesorios y control

La mayoría de los sensores disponen de dispositivos auxiliares como soportes de montaje o potenciómetros externos para ajustar la sensibilidad. Un potenciómetro se puede utilizar para proporcionar un mayor control sobre el rango y la sensibilidad del sensor en una aplicación que tiene necesidades específicas de detección. Además, los sensores también pueden tener salidas PNP o NPN y estas salidas también serán compatibles con su sistema de control.

Velocidad de respuesta

Cuando se trata de aplicaciones de alta velocidad, como el recuento de piezas pequeñas que llegan en una cinta transportadora de movimiento rápido, la frecuencia de conmutación del sensor es una consideración clave. Debe estar seguro de que el sensor activará/desactivará su señal con la rapidez suficiente para distinguir cada objeto de forma fiable.

Búsqueda del sensor adecuado: Por qué es importante su distribuidor de piezas

El proceso de transferencia de conocimientos teóricos a la práctica está plagado de complejidades en el mercado de fabricantes, modelos y especificaciones. Seleccionar y adquirir el sensor difuso adecuado puede ser todo un reto; el proceso de selección y adquisición puede ser tan importante como la propia evaluación técnica. Una entrega errónea o tardía de los componentes puede paralizar una línea de producción, mientras que una selección inadecuada puede provocar un mal mantenimiento persistente. Aquí se ve la importancia del socio estratégico de distribución. Un distribuidor experimentado y de confianza será más que un proveedor: un distribuidor experimentado y de confianza es una extensión de sus departamentos de ingeniería y compras.

La ventaja OMCH: Su socio en el éxito de la automatización

Elegir al socio adecuado aporta una ventaja competitiva, no sólo un componente. En OMCH, ofrecemos esta ventaja a través de:

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Aplicaciones reales en varias industrias manufactureras clave

Su gran adaptabilidad a otras aplicaciones permite utilizar los sensores difusos en prácticamente cualquier campo. Gracias a su diseño sencillo y compacto, pueden instalarse fácilmente en maquinaria nueva o ya existente y, gracias a su alto nivel de fiabilidad, es posible detectar cualquier objeto en una gran variedad de circunstancias.

Los sensores difusos son fundamentales para la automatización de procesos en la industria del envasado. Suelen aplicarse en las líneas transportadoras, donde detectan la presencia de cartones, botellas o cajas, iniciando acciones como el llenado, el taponado o el etiquetado. Por poner un ejemplo, un sensor de supresión de fondo instalado encima de una cinta transportadora podría reconocer sistemáticamente la presencia de envases de distintos colores y tamaños, pero permanecer completamente ajeno a una cinta transportadora, donde la máquina de etiquetado permanecería apagada a menos que un producto estuviera correctamente colocado.

Estos sensores son muy importantes en la manipulación de materiales y la logística cuando se utilizan en la clasificación y el seguimiento. Los sistemas de almacenes automatizados también pueden utilizar sensores difusos a lo largo de las intersecciones de los transportadores para asegurarse de que uno ha superado la intersección antes de permitir que el siguiente fluya a través de él, evitando accidentes y garantizando el libre impulso de las mercancías. Son muy adecuados para el recuento de artículos en líneas de clasificación de alta velocidad por su rapidez de respuesta.

Los sensores difusos enfocados son uno de los sectores que engloba el ensamblaje de componentes electrónicos. Se puede emplear un sensor con un pequeño foco láser para escanear la presencia de diminutos dispositivos montados en superficie (SMD) en una placa de circuito impreso (PCB) que pasa por la línea de montaje. Se trata de una mera comprobación de presencia que puede evitar que una placa defectuosa pase a los pasos más costosos del proceso de fabricación.

En la carpintería y la fabricación de muebles, los sensores difusos desempeñan la función de detectar materiales de gran tamaño, normalmente de colores variables. Se puede colocar un sensor para detectar el borde delantero de un panel de madera para indicar a una máquina que empiece a cortar o taladrar. Otro gran atributo de su uso es que no necesita un reflector para funcionar en zonas polvorientas y a veces desordenadas, tan comunes en este tipo de instalaciones.

Resolución de problemas comunes y solución de problemas de configuración del sensor

Incluso con una selección cuidadosa, las condiciones del mundo real pueden presentar a veces problemas que afectan al rendimiento del sensor. Un enfoque lógico para la resolución de problemas puede identificar y resolver rápidamente los problemas más comunes, minimizando el tiempo de inactividad y garantizando un funcionamiento constante.

1. El sensor no detecta objetos

Esto puede deberse a varios factores, entre ellos que la longitud de onda de la fuente de luz utilizada no sea la adecuada, que la temperatura ambiente esté fuera del rango de funcionamiento del sensor o que la lente del sensor se haya contaminado con polvo o humedad. Cuando se produce condensación en el sensor, la limpieza de la lente para eliminar dicha condensación podría ayudar a eliminar el problema. Es necesario asegurarse de que el sensor utilizado tiene una distancia de detección capaz de detectar el tamaño de un objeto y su reflectividad. Asegúrese de que la superficie del objeto no absorba demasiadas fuentes de luz, lo que podría interferir en la detección.

2. Disparo falso

En el caso de los falsos disparos, el sensor responde al ruido reflejado en las superficies vecinas. Esto ocurre sobre todo cuando hay mucha humedad o cuando hay material reflectante en el entorno que puede afectar al retorno de la luz al sensor. Un modelo de supresión de fondo o el ajuste del potenciómetro de sensibilidad del sensor pueden ayudar a rechazar las señales falsas.

3. Señal de salida incorrecta (problema PNP/NPN)

En caso de que el sensor no emita la salida correcta (por ejemplo, una señal NPN cuando debería ser PNP), compruebe el esquema de cableado. Asegúrese de que el tipo de salida que proporciona el sensor es compatible con los requisitos de entrada del sistema de control. Esta discrepancia puede producirse cuando el sensor se ha configurado incorrectamente (por ejemplo, los interruptores NS utilizan las configuraciones PNP y NPN disponibles) durante la instalación.

4. Distancia excesiva o problemas de alcance

Las aplicaciones que trabajan con piezas pequeñas, en las que existe el riesgo de pasar por alto objetos pequeños utilizando sensores con un alcance de detección inferior al del objeto, se enfrentarán al problema de pasar por alto objetos detectados a mayor distancia. En caso de que un sensor no vea objetos a la distancia dada, compruebe si la luz de reflexión es lo suficientemente potente y que el objeto es lo suficientemente brillante. Los objetos muy brillantes y oscuros son a veces más delicados de afinar o a veces necesitan un sensor completamente diferente.

5. Impacto medioambiental: humedad y temperatura

Una humedad relativa (HR) elevada y una temperatura ambiente severa pueden tener un impacto crítico en el rendimiento del sensor, incluso en sensores no sellados o de baja clasificación. Si el sensor que está utilizando funciona en tales condiciones, es posible que desee utilizar un sensor de tipo retrorreflectante o un tipo de sensor con mayor grado de protección IP, ya que tendrá una mayor resistencia a tales condiciones. En estos casos, están indicados los sensores que proporcionan un mayor nivel de protección ambiental o los diseños de luz azul que son más débiles en condiciones de humedad.

Si identifica las causas principales de las averías de los sensores y las soluciona rápidamente, podrá garantizar un funcionamiento sin problemas y mantener la fiabilidad de sus sistemas de automatización.