Aprenda a construir un sistema de sensor fotoeléctrico utilizando un Arduino Uno y OpenPLC

Un componente vital utilizado en la industria del control (y en otros, por supuesto) es el sensor electrónico. La importancia del sensor electrónico en la fabricación es la capacidad de obtener datos de rendimiento de varios sistemas de automatización basados ​​en mecatrónica. La mecatrónica es un campo multidisciplinario que combina sistemas mecánicos con sistemas eléctricos que incluyen controles digitales, sensores electrónicos y software de control.

Un enfoque típico para gestionar la mecatrónica es utilizar un controlador computarizado capaz de monitorear procesos industriales y controlar actuadores electromecánicos. El PLC (controlador lógico programable) es un controlador industrial computarizado capaz de realizar este tipo de tareas relacionadas con la industria. Con un sensor electrónico, el PLC puede monitorear varios procesos de fabricación y ayudar a mejorar el rendimiento del actuador electromecánico.

Con esa información general en mente, este proyecto explorará la creación de un sensor electrónico específico, el interruptor fotoeléctrico (también conocido como sensor fotoeléctrico), y su uso con la plataforma Arduino OpenPLC.

Un fototransistor es un componente semiconductor que detecta y convierte la luz en una señal eléctrica y está diseñado para responder a la luz en lugar de a un voltaje de entrada. Como un transistor típico, un fototransistor se compone de capas de base, colector y emisor. La capa que es sensible a la luz es la unión base-colector. Cuando la luz incide sobre la unión base-colector, se crea un flujo de electrones que permite la amplificación de la corriente dentro del transistor. Los fototransistores están empaquetados como componentes de dos cables o hilos, como se puede ver en la Figura 1.

Además, el símbolo electrónico del fototransistor se muestra en la Figura 2.

Dado que la unión base-colector es la capa sensible, el componente de dos clavijas que consta de los cables del colector y del emisor es la pieza semiconductora comúnmente fabricada y vendida a través de distribuidores de piezas electrónicas. El fototransistor normalmente se configura como un dispositivo NPN que utiliza la unión base-colector como elemento interno sensor de luz. Cuando hay luz, la unión base-colector permite que la unión base-emisor conduzca, convirtiendo así el dispositivo en un interruptor optoeléctrico. Otro término utilizado para describir la presencia de luz es fotoemisividad, que ocurre cuando el colector base de un fototransistor está en presencia de luz y la emisión de electrones activa este componente radiante de estado sólido.

Al igual que un interruptor de límite, la función de conmutación optoeléctrica del fototransistor puede detectar objetos sin contacto físico. A diferencia del interruptor de límite, la conmutación optoeléctrica del fototransistor no tiene partes móviles. Por lo tanto, el fototransistor tiene una vida útil de conmutación más larga que el interruptor de límite. En general, la vida útil más larga del fototransistor se basa en que no hay desgaste mecánico de los contactos como el típico interruptor de límite.

La Figura 3 muestra la estructura interna de un fototransistor típico.

Con una comprensión del fototransistor, construiremos un interruptor fotoeléctrico para interactuar con nuestro PLC Arduino conceptual utilizando un diagrama de escalera OpenPLC (LD).

Un interruptor (o sensor) fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que puede detectar la ausencia o presencia de un objeto utilizando luz y utiliza dispositivos fotoemisores como fotodiodos o fototransistores para detectar la luz. El interruptor fotoeléctrico cuenta con varios métodos de detección de luz para detectar la ausencia o presencia de luz, entre ellos:

El método reflectante, que se muestra en la Figura 4, utiliza una carcasa para empaquetar el transmisor de luz y el receptor de luz. Con este método, el receptor de luz tiene un fotodiodo o fototransistor para detectar la luz emitida por un láser o LED (diodo emisor de luz). La luz emitida por un LED o láser se refleja en el objeto (objetivo) y es detectada por el fototransistor o fotodiodo.

El método de haz pasante (Figura 5) separa los componentes del transmisor y del receptor, donde la colocación de un objetivo entre el transmisor y el receptor interrumpe la luz.

El último método para utilizar un interruptor fotoeléctrico para la detección de objetos es el retrorreflectante. Al igual que el modelo reflectante, el emisor y el receptor de luz están empaquetados en una sola unidad. La luz emitida por el emisor incide en un reflector y regresa al receptor de luz integrado. La presencia de un objetivo interrumpe la luz emitida. La Figura 6 ilustra el modelo retrorreflectante de detección de objetivos utilizando un interruptor fotoeléctrico.

En este proyecto, construiremos un prototipo de interruptor fotoeléctrico basado en detección de haz pasante.

Finalmente, ¡entremos en la información práctica para este proyecto! Esta construcción de interruptor fotoeléctrico consiste en el uso de componentes disponibles en el mercado. Estos son los componentes eléctricos, electromecánicos y electrónicos que utilizará para construir el interruptor fotoeléctrico.

Listas de piezas:

Además, necesitará los siguientes componentes para cablear el interruptor de reinicio y los circuitos LED parpadeantes.

Con los componentes disponibles, los colocarás en la placa sin soldadura. Puede utilizar la Figura 7 como guía.

Algunos componentes electrónicos son sensibles a la polaridad; por lo tanto, es importante una orientación adecuada sobre la placa sin soldadura. Los componentes electrónicos sensibles a la polaridad son FPT1, D1, Q1 y LED1.

El pin colector del fototransistor (FPT1) es largo; por lo tanto, será necesario conectarlo al riel de +5 V de la placa sin soldadura. Cablear la clavija del colector del fototransistor al riel de +5 V garantizará el funcionamiento de conmutación adecuado del componente. Como referencia adicional, la Figura 8 muestra el interruptor fotoeléctrico ensamblado y cableado en la placa sin soldadura.

Puede probar el funcionamiento de conmutación del interruptor fotoeléctrico utilizando un multímetro digital (DMM). El DMM medirá el voltaje de conmutación de control del fototransistor, que se coloca ligeramente sobre el dispositivo. Estos son los pasos de configuración de medición para probar el funcionamiento del interruptor fotoeléctrico:

La Figura 9 muestra una configuración de prueba del modelo de circuito TinkerCAD.

La Figura 10 muestra la prueba de medición real configurada con lecturas de voltaje del fototransistor.

¡Felicitaciones, ha construido un prototipo de interruptor fotoeléctrico utilizando componentes disponibles en el mercado! El último paso del proyecto es cablear y probar el interruptor fotoeléctrico con una plataforma OpenPLC basada en Arduino Uno.

Con el interruptor fotoeléctrico funcionando correctamente, el paso final de este proyecto es cablear el circuito de detección de luz a la plataforma OpenPLC basada en Arduino. El concepto del controlador del interruptor fotoeléctrico consiste en cablear el interruptor fotoeléctrico y un botón de reinicio al Arduino Uno. La integración de estos circuitos forma el concepto de controlador de interruptor fotoeléctrico. Un LED parpadeante proporcionará un estado de respuesta de salida del controlador del interruptor fotoeléctrico, detectando adecuadamente una fuente de luz. La Figura 11 muestra el diagrama de bloques del sistema del controlador del interruptor fotoeléctrico.

El cableado eléctrico del interruptor fotoeléctrico, el interruptor del botón de reinicio y el LED parpadeante se capturan en el diagrama esquemático del circuito electrónico que se muestra en la Figura 12.

El diagrama esquemático del circuito electrónico incluye el cableado de entrada/salida (E/S) de estos dispositivos de circuito. Puede consultar la Figura 8 para ver la construcción final del prototipo del controlador del interruptor fotoeléctrico.

Los nombres de los circuitos de E/S, que se muestran en la Figura 13, se utilizan para crear las etiquetas OpenPLC y el diagrama de escalera.

La Figura 13 también muestra las etiquetas de E/S para el LD de inicio y reinicio de OpenPLC. El LD muestra que el interruptor fotoeléctrico realizará la función de reinicio. En un entorno de control industrial, se conectará un interruptor de botón de reinicio manual como contingencia por la falla del interruptor fotoeléctrico en el sistema. El propósito educativo de este controlador conceptual es mostrar la efectividad del interruptor fotoeléctrico en la aplicación de un control. Al presionar el botón de "inicio", se encenderá el LED parpadeante. Colocar una linterna sobre el fototransistor desbloqueará el circuito de control, apagando así el LED parpadeante.

Puede ver el videoclip que demuestra el prototipo del controlador de interruptor fotoeléctrico en acción aquí, o puede verlo a continuación.

Al revisar el LD de inicio-reinicio, ¿qué respuesta de salida del controlador Arduino-OpenPLC se observará si la instrucción de bit Photoelectric_Switch XIO (Examinar si está abierto) se cambió a XIC (Examinar si está cerrado)?

¡Háganos saber su respuesta en los comentarios a continuación!