Dans les chaînes de production automatisées, d'innombrables capteurs de proximité agissent comme des points de terminaison neuronaux, détectant avec précision la présence et la distance d'objets métalliques tout en convertissant ces informations en signaux reconnaissables par les systèmes de contrôle. Ces signaux se présentent sous différents types qui déterminent la manière dont les capteurs communiquent avec les systèmes de contrôle. Comment les ingénieurs doivent-ils choisir le type de sortie approprié pour des applications spécifiques ? Cet article fournit une analyse approfondie des configurations de sortie des capteurs de proximité.

Les capteurs de proximité peuvent être classés en trois principaux types de sortie en fonction des caractéristiques du signal : commutation (sortie binaire), analogique et transmission de données (mesure). Les capteurs de commutation fournissent deux états distincts pour un contrôle simple marche/arrêt, les capteurs analogiques délivrent une sortie continue pour une mesure de précision, tandis que les types de transmission de données peuvent communiquer des ensembles de données plus riches.

Les capteurs de proximité de type commutation, également appelés capteurs à sortie binaire, représentent la catégorie la plus courante. Ceux-ci fonctionnent essentiellement comme de simples interrupteurs marche/arrêt qui basculent entre deux états de sortie prédéfinis en fonction de la détection de l'objet cible. Largement utilisés pour contrôler les vannes, les volets, les feux de signalisation et autres actionneurs, ils se connectent directement aux entrées numériques des automates programmables (API).

Les capteurs à sortie NPN connectent la borne de sortie à la masse (0 V) lorsqu'ils sont activés. La charge se connecte entre l'alimentation (+UB) et la sortie NPN du capteur. Lors de la détection d'un objet cible, le transistor NPN conduit, complétant le circuit de charge.

Exemple d'application : Dans les systèmes de convoyeurs, les capteurs NPN détectent les produits atteignant les positions désignées. Lors de la détection, le signal de sortie de bas niveau déclenche l'API pour arrêter le fonctionnement du convoyeur.

Avantages :

• Conception de circuit plus simple
• Mise en œuvre à moindre coût

Inconvénients :

• Sensible à la polarité de l'alimentation
• Immunité au bruit relativement plus faible

Les capteurs à sortie PNP connectent la borne de sortie à l'alimentation (+UB) lorsqu'ils sont activés. La charge se connecte entre la sortie PNP et la masse (L-). La détection de la cible active le transistor PNP pour compléter le circuit de charge.

Exemple d'application : Dans les chaînes d'assemblage automatisées, les capteurs PNP vérifient l'installation correcte des composants. Un positionnement correct génère un signal de haut niveau invitant l'API à lancer les étapes d'assemblage suivantes.

Avantages :

• Immunité au bruit supérieure
• Réduction de la sensibilité aux interférences de masse

Inconvénients :

• Conception de circuit plus complexe
• Coût relatif plus élevé

Le choix entre les sorties NPN et PNP dépend de la conception du système de contrôle et de l'environnement d'exploitation. Les applications européennes favorisent généralement les capteurs PNP, tandis que les marchés asiatiques utilisent plus couramment les types NPN. Les considérations de sélection incluent :

• Compatibilité du système de contrôle : Certains API peuvent uniquement prendre en charge des types d'entrée spécifiques
• Interférences électromagnétiques : Les capteurs PNP fonctionnent généralement mieux dans les environnements bruyants
• Facteurs de sécurité : Les configurations PNP réduisent les risques de court-circuit à la masse

Les capteurs de proximité à deux fils représentent un type de commutation spécialisé qui combine l'alimentation et la transmission du signal via seulement deux conducteurs. Ce câblage simplifié réduit les coûts d'installation pour certaines applications.

Le capteur et la charge se connectent en série, l'ordre d'agencement étant sans importance. En tant que dispositifs actifs, les capteurs à deux fils consomment en permanence de l'énergie de fonctionnement tout en transmettant des signaux d'état via les mêmes conducteurs.

Contrairement aux interrupteurs mécaniques qui ouvrent ou ferment complètement les circuits, les capteurs à deux fils maintiennent toujours une certaine chute de tension lorsqu'ils sont « fermés » et un courant de fuite minimal lorsqu'ils sont « ouverts ». Cette caractéristique doit être prise en compte lors de la connexion aux entrées numériques de l'API conformément aux normes EN 61131-2.

Exemple d'application : Dans le contrôle de niveau de liquide de base, les capteurs à deux fils montés sur le dessus des réservoirs détectent les limites supérieures, signalant aux API de fermer les vannes d'entrée lorsqu'elles sont atteintes.

Avantages :

• Installation simplifiée à deux conducteurs
• Réduction des coûts de câblage

Inconvénients :

• Les courants résiduels et les chutes de tension peuvent affecter certaines charges
• Nécessite une vérification de la compatibilité de l'entrée de l'API

Ces capteurs sont dotés de sorties binaires contrôlant des relais électromécaniques via des circuits de commande séparés plutôt que des circuits d'alimentation.

Nécessitant au moins quatre connexions (deux pour l'électronique du capteur, deux pour les contacts de relais passifs), les sorties de relais offrent une capacité de courant plus élevée que les interrupteurs électroniques, mais subissent une usure mécanique qui limite la fréquence de commutation à quelques opérations par seconde.

Exemple d'application : Dans les systèmes de contrôle de moteur, les capteurs à sortie de relais détectent les conditions de surcharge, ouvrant les contacts pour couper l'alimentation si nécessaire.

Avantages :

• Capacité d'entraînement de charge à courant élevé
• Isolation galvanique pour l'immunité au bruit

Inconvénients :

• L'usure des contacts mécaniques limite la durée de vie
• Faible fréquence de commutation
• Taille physique plus grande

Ces capteurs spécialisés génèrent des signaux de sortie conformes aux normes NAMUR pour une sécurité accrue, adaptés aux capteurs de proximité ou aux codeurs dans les zones dangereuses.

Les capteurs NAMUR transmettent des valeurs de courant définies selon la norme EN 60947-5-6 aux amplificateurs de commutation isolés qui les convertissent en sorties discrètes tout en assurant la détection des courts-circuits et des coupures de fil. Les versions traditionnelles présentent des caractéristiques de sortie constantes, tandis que les types de commutation binaires offrent un fonctionnement normalement ouvert (N1) ou fermé (N0).

Exemple d'application : Les usines chimiques utilisent des capteurs NAMUR pour la surveillance intrinsèquement sûre de la position des vannes.

Avantages :

• Fonctionnement en zone dangereuse antidéflagrante
• Détection de défaut intégrée

Inconvénients :

• Nécessite des amplificateurs de commutation isolés
• Le signal de courant doit être converti

Ces capteurs binaires conventionnels transmettent les états des commutateurs sous forme de valeurs de courant discrètes (généralement 5 mA pour aucune détection, 10 mA pour les objets détectés).

Exemple d'application : Les systèmes de comptage utilisent ces capteurs pour comptabiliser les objets sur les convoyeurs, incrémentant les compteurs lors de la réception de signaux de 10 mA.

Avantages :

• Bonne immunité au bruit
• Compatibilité directe avec l'entrée de l'API

Inconvénients :

• Le signal de courant peut nécessiter une conversion
• Portée d'application limitée

Les capteurs de proximité de type mesure détectent et transmettent plusieurs signaux ou informations d'état sous forme de valeurs de courant ou de tension analogiques.

Ces capteurs convertissent les variables physiques mesurées (comme la distance aux objets métalliques) en signaux de courant de 4 à 20 mA proportionnels.

Exemple d'application : Les systèmes robotiques utilisent des capteurs 4-20 mA pour un positionnement précis des effecteurs finaux par rapport aux pièces.

Avantages :

• Excellente immunité au bruit pour la transmission longue distance
• Compatibilité des signaux standard industriels

Inconvénients :

• Coût relatif plus élevé
• Conditionnement du signal requis

Similaire aux types à sortie de courant, mais convertissant les mesures en signaux de tension à la place.

Exemple d'application : Les systèmes de contrôle de pression utilisent des capteurs 0-10 V pour une mesure précise de la course du cylindre.

Avantages :

• Mise en œuvre de circuit plus simple
• Solution à moindre coût

Inconvénients :

• L'immunité au bruit réduite limite la distance de transmission
• Sensibilité à l'impédance de la charge

Le choix entre les formats analogiques dépend de :

• Distance de transmission : Les signaux de courant excellent pour les longues distances
• Stabilité de la charge : Les signaux de tension souffrent de variations d'impédance
• Compatibilité du système de contrôle : Certains API restreignent les types d'entrée

Ces capteurs communiquent via le bus de terrain industriel AS-Interface, transmettant les états des commutateurs et des données supplémentaires sur des réseaux à deux fils utilisant la technologie de serrage perforant pour une installation simplifiée.

Exemple d'application : Les chaînes de production automatisées déploient plusieurs capteurs AS-Interface pour la surveillance distribuée des stations via un contrôle centralisé.

Avantages :

• Complexité et coût de câblage réduits
• Capacités de diagnostic intégrées

Inconvénients :

• Vitesse de transmission limitée
• Nécessite un maître AS-Interface

À l'aide de connecteurs M8/M12 standardisés, les capteurs IO-Link permettent une communication intelligente point à point pour les applications de l'Industrie 4.0 tout en maintenant la compatibilité de fonctionnement SIO (Standard Input/Output) traditionnelle.

Exemple d'application : Les usines intelligentes tirent parti des capteurs IO-Link pour la surveillance en temps réel des équipements et l'analyse basée sur le cloud.

Avantages :

• Configuration à distance à haute capacité de données
• Intégration d'interface standardisée

Inconvénients :

• Exigence de maître IO-Link
• Coût de mise en œuvre plus élevé

La sélection du capteur doit également tenir compte de la logique de sortie, c'est-à-dire l'état du signal lors de la détection des cibles. Les configurations courantes incluent :

• Normalement ouvert (NO) : Bas/ouvert au repos, haut/fermé lors de la détection
• Normalement fermé (NC) : Haut/fermé au repos, bas/ouvert lors de la détection

Les systèmes de sécurité utilisent souvent la logique NC pour déclencher des alarmes en cas de défaillance du capteur.

Les capteurs de proximité offrent divers types de sortie, chacun avec des caractéristiques uniques pour des applications spécifiques. Une sélection optimale nécessite d'évaluer les exigences opérationnelles, la compatibilité du système de contrôle, les conditions environnementales et les facteurs de coût pour garantir des performances système fiables. Cette analyse complète fournit aux ingénieurs des conseils essentiels pour prendre des décisions éclairées en matière de spécification des capteurs.