4.5 Steuerungselemente Sensoren, Aktoren

Sensoren sind technische Bauteile, die chemische oder physikalische Eigenschaften erfassen und messen können. Der Name leitet sich von dem lateinischen sentire ab, was so viel bedeutet wie „fühlen“ und „empfinden“. Unterschiedlichste Sensoren können auch die unterschiedlichsten Eigenschaften messen; unter anderem Feuchtigkeit, Temperatur, Druck, Helligkeit und Beschleunigung. Sensoren sind in der Natur weit verbreitet. Täglich messen Lebewesen eine Vielzahl an Eigenschaften mit ihren Sensoren. Diese biologischen Sensoren werden Rezeptoren genannt. So viel zu den Sensoren allgemein. Hier geht es um jene Sensoren, die in der Packmittelindustrie wichtig sind.

Lichtschranken
Eine Lichtschranke ist ein elektronisch-optisches System, das einen Lichtstrahl aussendet. Wird dieser durch ein Objekt unterbrochen, erkennt sie es und gibt diesen Vorgang, in Form eines elektrischen Signals, weiter. Auf diese Weise kann es ohne Berührung Objekte erfassen. Man unterscheidet zwischen drei Grundsystemen von Lichtschranken:
1. Einweg-Lichtschranke
2. Reflexions-Lichtschranke
3. Reflexions-Lichttaster

1. Einweg-Lichtschranke
Die Einweg-Lichtschranke besteht aus zwei Komponenten, dem Lichtsender und dem Lichtempfänger. Diese befinden sich in getrennten Gehäusen. Das Licht wird nur vom Sender zum Empfänger ausgesendet. Hierbei legt das Licht den Weg vom Sender zum Empfänger nur einmal zurück – deshalb der Name „Einweg-Lichtschranke“. Unterbricht ein Objekt den Lichtstrahl, so wird es erfasst. Einweg-Lichtschranken haben hohe Reichweiten, sind aber aufwendig in der Installation.

Abb. 349: Einweg-Lichtschranke (Quelle: SICK Vertriebs-GmbH)

Vorteile:
• Die Lichtschranke besitzt im Vergleich zu den anderen Typen eine fast doppelt so hohe Reichweite, da der Lichtstrahl den Weg nur einmal zurücklegen muss.
• Die Schaltgeschwindigkeit dieser Lichtschranke ist sehr hoch.

Nachteile:
• Es werden zwei Komponenten benötigt.
• Jeder der Komponenten muss separat angeschlossen werden.
• Die Installation ist aufwendig, da schon kleinste Änderungen der Ausrichtung zu Fehlfunktionen führen können.

2. Reflexions-Lichtschranke
Bei dieser Variante sind Lichtsender und Lichtempfänger in einem Gehäuse verbaut. Der Lichtstrahl wird von einem Reflektor zurück zum Empfänger geschickt. Durch diese Reflexion muss der Lichtstrahl den Weg zweimal zurücklegen (Sender – Reflektor – Empfänger). Ein Objekt, das den Lichtstrahl unterbricht, wird erfasst. Zweiweg-Lichtschranken sind zwar weniger aufwendig einzubauen als Einweg-Lichtschran-ken. Sie haben aber Probleme, kleine Objekte zu erkennen.

Abb. 350: Zweiweg-Lichtschranke (Quelle: SICK Vertriebs-GmbH)

Vorteil:
• Sender und Empfänger befinden sich in einem Bauteil. Die Installation ist deshalb einfach.

Nachteile:
• Die Reichweite liegt unter der einer Einweg-Lichtschranke.
• Kleine Objekte können aufgrund des Abstandes der Lichtstrahlen voneinander nur schwer oder gar nicht erfasst werden.

3. Reflexions-Lichttaster
Lichtsender und Lichtempfänger befinden sich in einem Bauteil. Der ausgesendete Lichtstrahl wird nicht von Objekten unterbrochen, sondern von diesen zurückreflektiert. Objekte, die den Lichtstrahl reflektieren, werden erfasst. Hierbei reflektieren helle Objekte Licht besser als dunkle Objekte. Helle Objekte können deswegen aus einer größeren Entfernung erfasst werden als dunkle Objekte.

Abb. 351: Reflexions-Lichttaster (Quelle: SICK Vertriebs-GmbH)

Vorteile:
• Sender und Empfänger befinden sich in einem Gehäuse.
• Es wird kein Reflektor benötigt. Das ist ein großer Vorteil, wenn keine Befestigungsmöglichkeit für einen Reflektor vorhanden ist.

Nachteile:
• Bei stark spiegelnden Oberflächen kann es zu Problemen kommen.
• Einsatz nur bei Entfernungen bis zu maximal zwei Meter möglich.
• Dunkle Objekte können aus großer Entfernung nicht erkannt werden.

Druckmarkentaster
Der Druckmarkentaster weist einen wesentlichen Unterschied zu den Lichtschranken auf. Er kann nicht nur erkennen, ob ein Signal ankommt oder nicht, sondern erfasst auch Helligkeits- und Farbunterschiede. Der Lichtsensor erzeugt auf der Oberfläche des zu überprüfenden Objekts einen Lichtpunkt. Auf dieser
Oberfläche sind Marken oder Buchstaben gedruckt, die in einem bestimmten Kontrastverhältnis zum Hintergrund stehen. Marken werden genutzt, da es eine einfache Möglichkeit ist, die Objekte an der gewünschten Stelle zu markieren. Die hellere Fläche reflektiert mehr Licht zurück als die dunklen – meist schwarzen – Marken. Die Marken werden erfasst, und der Sensor gibt das Signal elektronisch weiter.

Abb. 352: Die kleinen schwarzen Rechtecke auf dem Nutzen (linkes Bild) sind Druckmarken. Sie steuern das Folienschneiden und den Verpackungsprozess. Oberes Bild: der unbefüllte Beutel und das Produkt. Die Druckmarken verschwinden in der Schweißnaht bzw. im Beschnitt (Quelle: Schmitz-Mertens & Co.KG, https://www.schmitz-mertens.de/).

Näherungsschalter
Näherungsschalter erkennen die genaue Position von Objekten. Dabei benötigen sie keinerlei mechanische Signale. Sie erfassen Objekte berührungslos. Ein Anwendungsgebiet sind automatisierte Produktionsstraßen – wie zum Beispiel auch bei der Herstellung von Autos. Hier erkennen Näherungsschalter die Werkstücke und Materialen und deren genaue Position. Ohne die Näherungsschalter wäre die Anlage blind und könnte nicht automatisiert, ohne menschliche Hilfe, arbeiten. Gegenüber mechanischen Befehlsgebern haben Näherungsschalter gleich mehrere Vorteile. Die Montage ist einfach, sie sind leicht zu warten und es ist keine Schaltkraft nötig. Man unterscheidet drei unterschiedliche Arten von Näherungsschaltern:
1. der induktive Näherungsschalter
2. der kapazitive Näherungsschalter
3. der magnetische Näherungsschalter

1. Der induktive Näherungsschalter
Dieser Schalter erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld. Mit diesem kann er elektrisch leitende Gegenstände berührungslos erfassen. Die Information „Gegenstand erfasst“ oder „Gegenstand nicht erfasst“ wird am Ausgang mit einem binären Signal (null oder eins) an den Computer weitergegeben. Sobald ein elektrisch leitender Gegenstand in das elektromagnetische Feld eindringt, wird das Feld schwächer. Der elektrische Schaltausgang wird betätigt – und so wird der Computer benachrichtigt. Anwendungsgebiete sind unter anderem: die Fabrikautomation, die Automobilindustrie, die Lager- und Fördertechnik und die Druck- und Papierindustrie.

Abb. 353: Wirkungsweise eine induktiven Näherungsschalters (Quelle: Eigene Darstellung)

2. Der kapazitive Näherungsschalter
Eine Messelektrode misst die Kapazität in der Zone, die der Schalter überprüfen soll. Das Gemessene wird mit einer Referenzelektrode oder der Umgebung verglichen. Kommt ein Medium (Metall, Wasser, Glas, Kunststoff usw.) in die Zone, so entsteht eine Differenz der zwei Messgrößen, da das Medium die Kapazität beeinflusst. So kann der Schalter Medien erkennen. Ein mögliches Einsatzgebiet ist zum Beispiel die Füllstandmessung.

Abb. 354: Füllstandmessung (Quelle: Eigene Darstellung)

3. Der magnetische Näherungsschalter
Magnetische Näherungsschalter besitzen einen Glaskolben, in dem ferromagnetische Kontaktzungen eingeschmolzen sind. Die Kontaktzungen bestehen aus einer Eisen-Nickel-Legierung (Fe-Ni-Legierung, Fe = Eisen, Ni = Nickel). Kommt ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet in die Nähe des Schalters, so findet eine Magnetisierung der Kontaktzungen (Reedkontakt) statt. Sie ziehen sich gegenseitig an und stellen so einen Kontakt her. Auf diese Weise werden Objekte, die mit einem Magnet versehen sind, erfasst.

Abb. 355: magnetischer Näherungsschalter (Quelle: Eigene Darstellung)

RFID
RFID ist eine Abkürzung für den englischen Begriff „radio-frequency identification“. Übersetzt bedeutet das so viel wie „Identifizierung mithilfe elektromagnetischen Wellen“. Das RFID-System besteht aus einem Chip, der mit einem Code versehen ist, und einem Lesegerät, das den Code auslesen kann. Mithilfe dieses Chips, auch Transponder genannt, können Gegenstände und Lebewesen automatisch identifiziert und lokalisiert werden. Man unterscheidet hierbei zwischen aktiven und passiven Transpondern. Aktive Transponder besitzen eine eigenständige Stromversorgung. Passive Transponder werden extern mit Strom versorgt. Heutzutage sind die kleinsten Transponder bereits nur noch so groß wie ein Reiskorn. Zur Auslesung erzeugen die Lesegeräte elektromagnetische Wechselfelder oder Radiowellen mit geringer Reichweite. Über diese werden sowohl Daten übertragen als auch die passiven Transponder mit Strom versorgt. Das RFID-System vereint gleich mehrere Vorteile in sich. Dank ihrer kleinen Größe können die Chips leicht implantiert werden. Ebenso können sie aufgrund ihrer geringen Größe leicht in Produkte eingearbeitet werden und unauffällig ausgelesen werden, zum Beispiel in neuen Pässen und Kaufhausartikeln.

Abb. 356: Transponder und ihre Wirkweise (Quelle: Quelle: SICK Vertriebs-GmbH)

RFID-Transponder (Quelle: Wikipedia)

Aktoren
Aktoren sind technische Bauteile, die von Steuerungsmodulen empfangene Daten umwandeln. Da der englische Begriff für Aktoren „actuator“ ist, werden sie auch gerne als Aktuatoren benannt. Die Um-wandlung kann in mechanischer Bewegung oder auch in andere physikalische Größen erfolgen. In der Technik der Steuer- und Regelung bilden Aktoren das Gegenstück zu den Sensoren. Sie greifen durch un-terschiedliche Aktionen aktiv in das Geschehen einer Anlage ein. Die Steuerung eines Aktors findet in einem geschlossenen Kreislauf statt. Dieser kann wie folgt aussehen: Ein Sensor empfängt ein Signal. Das Signal wird verarbeitet und an die Steuerung gesendet. Diese gibt dann dem Aktor die erforderlichen Signale und dieser führt den erwünschten Vorgang aus.
Es gibt:
1. Mechanische Aktoren
2. Optische Aktoren
3. Akustische Aktoren
4. Thermische Aktoren
5. Chemische Aktoren

1. Mechanische Aktoren
Ein mechanischer Aktor kann zum Beispiel ein Elektromotor sein. Ein mögliches Einsatzgebiet für diesen ist zum Beispiel eine Rolltreppe. Diese, als komplette Anlage betrachtet, erhält von einer Lichtschranke das Signal, dass sich Leute auf ihr befinden. Ein Steuerungsmodul wertet dieses aus und sendet es weiter an den Motor.

Abb. 357: Motor als Aktor (Quelle: Eigene Darstellung)

Ein weiterer mechanischer Aktor ist ein elektromagnetisches Ventil, das zur Steuerung mechatronischer Systeme verwendet wird. Dieses empfängt von einem Sender, der auch ein Sensor sein kann, das Signal zu schalten. So kann zum Beispiel das Aus- und Einfahren eines Kolbens ausgelöst werden.

Abb. 358: Pneumatikzylinder als Aktor (Quelle: Eigene Darstellung)

2. Optische Aktoren
Jede optische Anzeige ist gleichzeitig ein Aktor, da ein Steuersignal ausgegeben wird. Dazu gehört jede Glühbirne, jede LED und dazu gehören auch Displays. Durch elektronische Komponenten werden in ihnen Lichtwellen erzeugt. So wird ein Raum beleuchtet oder ein Zustand angezeigt. Laserstrahlung kann als weiterer optischer Aktor gesehen werden. Auch hier werden Lichtwellen erzeugt, mit denen Materialien bearbeitet werden können.

Abb. 359: Laserbeschriftungsanlage (Quelle: Eigene Darstellung)

3. Akustische Aktoren
Ein Lautsprecher ist ein akustischer Aktor. Die Membran des Lautsprechers wird in Schwingung versetzt und erzeugt dadurch akustische Wellen, die sich im Raum ausbreiten. Diese Schwingungen nehmen wir als Töne wahr.

Abb. 360: Lautsprecher (Quelle: Eigene Darstellung)

4. Thermische Aktoren
Thermische Aktoren können Veränderungen von Raumtemperaturen verursachen. Beispiele dafür sind Kühlgeräte und Heizungen.

Abb. 361: Prinzip einer Kälteanlage (Quelle: Wikipedia)

5. Chemische Aktoren
Die Klimaanlage ist der bekannteste chemische Aktor. Mit ihr kann das Klima in einem Raum verändert oder trotz verschiedener Einflüsse gleichmäßig gehalten werden. Ein Zerstäuber in einer Kühltheke ist ein weiteres Anwendungsbeispiel für chemische Aktoren.

Zusammenspiel zwischen Sensor und Aktor:
Ein Beispiel soll hier zeigen, wie Sensoren und Aktoren zusammenarbeiten. Das Funktionsbeispiel zeigt einen Zähler an einer Faltschachtelklebemaschine. Der „Sensor“ erfasst über eine Lichtschranke die durchlaufenden Faltschachteln. In der Steuerkonsole wird eingestellt, nach wie viel Impulsen (Stückzahl) der „Aktor“, in diesem Fall ein Magnetschalter, das Auslösesignal bekommen soll.

Abb. 362: Beispiel für die Zusammenarbeit eines Sensors mit einem Aktor (Quelle: Eigene Darstellung)