Erfahren Sie, wie Sie mit einem Arduino Uno und OpenPLC ein fotoelektrisches Sensorsystem aufbauen

Eine wichtige Komponente in der Steuerungsindustrie (und natürlich auch in anderen) ist der elektronische Sensor. Die Bedeutung des elektronischen Sensors in der Fertigung liegt in der Fähigkeit, Leistungsdaten von verschiedenen mechatronischen Automatisierungssystemen zu erhalten. Mechatronik ist ein interdisziplinäres Gebiet, das mechanische Systeme mit elektrischen Systemen kombiniert, einschließlich digitaler Steuerungen, elektronischer Sensoren und Steuerungssoftware.

Ein typischer Ansatz zur Steuerung der Mechatronik ist die Verwendung einer computergestützten Steuerung, die in der Lage ist, industrielle Prozesse zu überwachen und elektromechanische Aktoren zu steuern. Die SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) ist eine computergestützte Industriesteuerung, die solche industriebezogenen Aufgaben ausführen kann. Mit einem elektronischen Sensor kann die SPS verschiedene Herstellungsprozesse überwachen und zur Verbesserung der Leistung elektromechanischer Aktoren beitragen.

Mit diesen Hintergrundinformationen im Hinterkopf wird dieses Projekt die Entwicklung eines spezifischen elektronischen Sensors, des fotoelektrischen Schalters (auch als fotoelektrischer Sensor bekannt), und dessen Verwendung mit der Arduino OpenPLC-Plattform untersuchen.

Ein Fototransistor ist eine Halbleiterkomponente, die Licht erkennt und in ein elektrisches Signal umwandelt und auf Licht statt auf eine Eingangsspannung reagiert. Wie ein typischer Transistor besteht ein Fototransistor aus Basis-, Kollektor- und Emitterschichten. Die lichtempfindliche Schicht ist der Basis-Kollektor-Übergang. Wenn Licht auf den Basis-Kollektor-Übergang fällt, wird ein Elektronenfluss erzeugt, der eine Stromverstärkung innerhalb des Transistors ermöglicht. Fototransistoren sind als Komponenten mit zwei Anschlüssen oder Gewindeanschlüssen verpackt, wie in Abbildung 1 zu sehen ist.

Zusätzlich ist in Abbildung 2 das elektronische Symbol für den Fototransistor dargestellt.

Da der Basis-Kollektor-Übergang die empfindliche Schicht ist, ist die zweipolige Komponente, bestehend aus den Kollektor- und Emitteranschlüssen, das üblicherweise hergestellte Halbleiterbauteil, das über elektronische Teilehändler verkauft wird. Der Fototransistor ist typischerweise als NPN-Gerät konfiguriert und nutzt den Basis-Kollektor-Übergang als internes Lichterfassungselement. Wenn Licht vorhanden ist, ermöglicht der Basis-Kollektor-Übergang, dass der Basis-Emitter-Übergang leitet, wodurch das Gerät in einen optoelektrischen Schalter verwandelt wird. Ein anderer Begriff, der das Vorhandensein von Licht beschreibt, ist Photoemissivität. Dies bedeutet, dass der Basiskollektor eines Fototransistors Licht ausgesetzt ist und die Emission von Elektronen diese strahlende Festkörperkomponente einschaltet.

Wie ein Endschalter kann die optoelektrische Schaltfunktion des Fototransistors Objekte berührungslos erkennen. Im Gegensatz zum Endschalter verfügt die optoelektrische Schaltung des Fototransistors über keine beweglichen Teile. Daher hat der Fototransistor beim Schalten eine längere Betriebslebensdauer als der Endschalter. Insgesamt beruht die längere Betriebslebensdauer des Fototransistors darauf, dass kein mechanischer Kontaktverschleiß wie bei typischen Endschaltern auftritt.

Abbildung 3 zeigt die interne Struktur eines typischen Fototransistors.

Mit einem Verständnis des Fototransistors werden wir einen fotoelektrischen Schalter bauen, der mithilfe eines OpenPLC-Kontaktplans (LD) mit unserer konzeptionellen Arduino-SPS interagiert.

Ein fotoelektrischer Schalter (oder Sensor) ist ein elektronisches Gerät, das mithilfe von Licht die Abwesenheit oder Anwesenheit eines Objekts erkennen kann und fotoemittierende Geräte wie Fotodioden oder Fototransistoren verwendet, um Licht zu erkennen. Der fotoelektrische Schalter verfügt über verschiedene Lichterkennungsmethoden, um das Fehlen oder Vorhandensein von Licht zu erkennen, darunter:

Bei der in Abbildung 4 dargestellten Reflexionsmethode werden der Lichtsender und der Lichtempfänger in einem Gehäuse untergebracht. Bei dieser Methode verfügt der Lichtempfänger über eine Fotodiode oder einen Fototransistor zur Erkennung des von einem Laser oder einer LED (Leuchtdiode) emittierten Lichts. Das von einer LED oder einem Laser emittierte Licht wird vom Objekt (Ziel) reflektiert und vom Fototransistor oder der Fotodiode erfasst.

Der Einwegstrahl-Ansatz (Abbildung 5) trennt die Sender- und Empfängerkomponenten, wobei durch die Platzierung eines Ziels zwischen Sender und Empfänger das Licht unterbrochen wird.

Der letzte Ansatz zur Verwendung eines fotoelektrischen Schalters zur Objekterkennung ist die Retroreflexion. Wie beim reflektierenden Modell sind Lichtsender und -empfänger in einer Einheit verpackt. Das vom Sender emittierte Licht trifft auf einen Reflektor und gelangt zurück zum integrierten Lichtempfänger. Die Anwesenheit eines Ziels unterbricht das emittierte Licht. Abbildung 6 zeigt das retroreflektive Modell der Zielerkennung mithilfe eines fotoelektrischen Schalters.

In diesem Projekt werden wir einen Prototyp eines fotoelektrischen Schalters bauen, der auf der Durchlichterkennung basiert.

Kommen wir zum Schluss zu den praktischen Informationen zu diesem Projekt! Dieser fotoelektrische Schalteraufbau besteht aus der Verwendung handelsüblicher Komponenten. Hier sind die elektrischen, elektromechanischen und elektronischen Komponenten, die Sie zum Bau des fotoelektrischen Schalters verwenden werden.

Teilelisten:

Darüber hinaus benötigen Sie die folgenden Komponenten, um den Reset-Schalter und die blinkenden LED-Schaltkreise zu verdrahten.

Mit den verfügbaren Komponenten platzieren Sie diese auf dem lötfreien Steckbrett. Sie können sich an Abbildung 7 orientieren.

Einige elektronische Komponenten sind polaritätsempfindlich. Daher ist die richtige Ausrichtung auf dem lötfreien Steckbrett wichtig. Die polaritätsempfindlichen elektronischen Komponenten sind FPT1, D1, Q1 und LED1.

Der Kollektorstift des Fototransistors (FPT1) ist lang; Daher muss es an die +5-V-Schiene des lötfreien Steckbretts angeschlossen werden. Durch die Verkabelung des Kollektorstifts des Fototransistors mit der +5-V-Schiene wird ein ordnungsgemäßer Schaltvorgang der Komponente sichergestellt. Als zusätzliche Referenz zeigt Abbildung 8 den montierten und verdrahteten Lichtschranken auf dem lötfreien Steckbrett.

Sie können die Schaltfunktion der Lichtschranke mit einem Digitalmultimeter (DMM) testen. Das DMM misst die Steuerschaltspannung des Fototransistors, der leicht über dem Gerät platziert ist. Hier sind die Schritte zum Messaufbau, um den Betrieb der Lichtschranke zu testen:

Abbildung 9 zeigt den Testaufbau eines TinkerCAD-Schaltungsmodells.

Abbildung 10 zeigt den tatsächlichen Messtestaufbau mit Spannungsmesswerten vom Fototransistor.

Herzlichen Glückwunsch, Sie haben einen Prototyp einer Lichtschranke mit handelsüblichen Komponenten gebaut! Der letzte Schritt des Projekts besteht darin, den fotoelektrischen Schalter mit einer auf Arduino Uno basierenden OpenPLC-Plattform zu verkabeln und zu testen.

Wenn der fotoelektrische Schalter ordnungsgemäß funktioniert, besteht der letzte Schritt in diesem Projekt darin, die Lichterkennungsschaltung mit der Arduino-basierten OpenPLC-Plattform zu verkabeln. Das Konzept der Lichtschrankensteuerung besteht aus der Verkabelung der Lichtschranke und einer Reset-Taste mit dem Arduino Uno. Die Integration dieser Schaltkreise bildet das Konzept der Lichtschrankensteuerung. Eine blinkende LED zeigt den Ausgangsreaktionsstatus der Lichtschrankensteuerung an und erkennt eine Lichtquelle ordnungsgemäß. Abbildung 11 zeigt das Systemblockdiagramm der Lichtschrankensteuerung.

Die elektrische Verkabelung des fotoelektrischen Schalters, des Reset-Druckknopfschalters und der blinkenden LED ist im schematischen Diagramm des elektronischen Schaltkreises in Abbildung 12 dargestellt.

Das schematische Diagramm des elektronischen Schaltkreises enthält die Eingangs-/Ausgangsverkabelung (I/O) dieser Schaltkreisgeräte. Den endgültigen Aufbau des Prototyps der Lichtschrankensteuerung finden Sie in Abbildung 8.

Die in Abbildung 13 dargestellten E/A-Schaltkreisnamen werden zum Erstellen der OpenPLC-Tags und des Kontaktplans verwendet.

Abbildung 13 zeigt auch die I/O-Tags für den OpenPLC Start-Reset-LD. Das LD zeigt an, dass die Lichtschranke die Reset-Funktion ausführt. In einer industriellen Steuerungsumgebung wird ein Druckknopfschalter mit manueller Rückstellung als Notfalllösung für den Ausfall des fotoelektrischen Schalters im System verdrahtet. Der pädagogische Zweck dieser konzeptionellen Steuerung besteht darin, die Wirksamkeit des fotoelektrischen Schalters in einer Steuerungsanwendung zu zeigen. Durch Drücken des „Start“-Druckschalters wird die blinkende LED eingeschaltet. Wenn Sie eine Taschenlampe über den Fototransistor halten, wird der Steuerkreis entriegelt und dadurch die blinkende LED ausgeschaltet.

Den Videoclip, der den Prototyp der Lichtschrankensteuerung in Aktion zeigt, können Sie hier oder unten ansehen.

Welche Ausgangsreaktion des Arduino-OpenPLC-Controllers wird bei der Überprüfung des Start-Reset-LD beobachtet, wenn der Photoelectric_Switch XIO-Bitbefehl (Examine If Open) in XIC (Examine If Closed) geändert wurde?

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