Nelle linee di produzione automatizzate, innumerevoli sensori di prossimità fungono da punti finali neurali, rilevando con precisione la presenza e la distanza di oggetti metallici, convertendo queste informazioni in segnali riconoscibili dai sistemi di controllo. Questi segnali sono di vari tipi che determinano come i sensori comunicano con i sistemi di controllo. Come dovrebbero gli ingegneri selezionare il tipo di uscita appropriato per applicazioni specifiche? Questo articolo fornisce un'analisi approfondita delle configurazioni di uscita dei sensori di prossimità.

I sensori di prossimità possono essere classificati in tre tipi di uscita principali in base alle caratteristiche del segnale: commutazione (uscita binaria), analogica e trasmissione dati (misurazione). I sensori di commutazione forniscono due stati distinti per un semplice controllo on/off, i sensori analogici forniscono un'uscita continua per una misurazione di precisione, mentre i tipi di trasmissione dati possono comunicare set di dati più ricchi.

I sensori di prossimità di tipo a commutazione, chiamati anche sensori a uscita binaria, rappresentano la categoria più comune. Questi funzionano essenzialmente come semplici interruttori on/off che commutano tra due stati di uscita predefiniti in base al rilevamento dell'oggetto target. Ampiamente utilizzati per controllare valvole, alette, spie luminose e altri attuatori, si collegano direttamente agli ingressi digitali del controllore logico programmabile (PLC).

I sensori con uscita NPN collegano il terminale di uscita a terra (0 V) quando vengono attivati. Il carico si collega tra l'alimentazione (+UB) e l'uscita NPN del sensore. Quando rileva un oggetto target, il transistor NPN conduce, completando il circuito del carico.

Esempio di applicazione: Nei sistemi di trasporto, i sensori NPN rilevano i prodotti che raggiungono le posizioni designate. Al rilevamento, il segnale di uscita di basso livello attiva il PLC per arrestare il funzionamento del trasportatore.

Vantaggi:

• Progettazione del circuito più semplice
• Implementazione a basso costo

Svantaggi:

• Sensibile alla polarità dell'alimentazione
• Immunità al rumore relativamente più debole

I sensori con uscita PNP collegano il terminale di uscita all'alimentazione (+UB) quando vengono attivati. Il carico si collega tra l'uscita PNP e la massa (L-). Il rilevamento del target attiva il transistor PNP per completare il circuito del carico.

Esempio di applicazione: Nelle linee di assemblaggio automatizzate, i sensori PNP verificano la corretta installazione dei componenti. Il posizionamento corretto genera un segnale di alto livello che richiede al PLC di avviare le successive fasi di assemblaggio.

Vantaggi:

• Immunità al rumore superiore
• Ridotta suscettibilità alle interferenze di terra

Svantaggi:

• Progettazione del circuito più complessa
• Costo relativo più elevato

La scelta tra uscite NPN e PNP dipende dalla progettazione del sistema di controllo e dall'ambiente operativo. Le applicazioni europee favoriscono tipicamente i sensori PNP, mentre i mercati asiatici utilizzano più comunemente i tipi NPN. Le considerazioni per la selezione includono:

• Compatibilità del sistema di controllo: Alcuni PLC potrebbero supportare solo tipi di ingresso specifici
• Interferenza elettromagnetica: I sensori PNP generalmente funzionano meglio in ambienti rumorosi
• Fattori di sicurezza: Le configurazioni PNP riducono i rischi di cortocircuito a terra

I sensori di prossimità a due fili rappresentano un tipo di commutazione specializzato che combina l'alimentazione e la trasmissione del segnale attraverso soli due conduttori. Questo cablaggio semplificato riduce i costi di installazione per determinate applicazioni.

Il sensore e il carico si collegano in serie, con l'ordine di disposizione irrilevante. In quanto dispositivi attivi, i sensori a due fili assorbono continuamente energia operativa mentre trasmettono segnali di stato attraverso gli stessi conduttori.

A differenza degli interruttori meccanici che aprono o chiudono completamente i circuiti, i sensori a due fili mantengono sempre una certa caduta di tensione quando sono "chiusi" e una corrente di dispersione minima quando sono "aperti". Questa caratteristica richiede considerazione quando ci si collega agli ingressi digitali del PLC secondo gli standard EN 61131-2.

Esempio di applicazione: Nel controllo di livello del liquido di base, i sensori a due fili montati sulla parte superiore del serbatoio rilevano i limiti superiori, segnalando ai PLC di chiudere le valvole di ingresso quando vengono raggiunti.

Vantaggi:

• Installazione semplificata a due conduttori
• Costi di cablaggio ridotti

Svantaggi:

• Le correnti residue e le cadute di tensione possono influire su determinati carichi
• Richiede la verifica della compatibilità dell'ingresso PLC

Questi sensori sono dotati di uscite binarie che controllano i relè elettromeccanici tramite circuiti di controllo separati anziché circuiti di alimentazione.

Richiedendo almeno quattro connessioni (due per l'elettronica del sensore, due per i contatti relè passivi), le uscite relè offrono una maggiore capacità di corrente rispetto agli interruttori elettronici, ma subiscono un'usura meccanica che limita la frequenza di commutazione a poche operazioni al secondo.

Esempio di applicazione: Nei sistemi di controllo motore, i sensori con uscita relè rilevano le condizioni di sovraccarico, aprendo i contatti per interrompere l'alimentazione quando necessario.

Vantaggi:

• Capacità di pilotaggio del carico ad alta corrente
• Isolamento galvanico per l'immunità al rumore

Svantaggi:

• L'usura dei contatti meccanici limita la durata
• Bassa frequenza di commutazione
• Dimensioni fisiche maggiori

Questi sensori specializzati generano segnali di uscita conformi agli standard NAMUR per una maggiore sicurezza, adatti per sensori di prossimità o encoder in luoghi pericolosi.

I sensori NAMUR trasmettono valori di corrente definiti per EN 60947-5-6 ad amplificatori di commutazione isolati che li convertono in uscite discrete fornendo al contempo il rilevamento di cortocircuiti e interruzioni del filo. Le versioni tradizionali presentano caratteristiche di uscita costanti, mentre i tipi di commutazione binaria offrono un funzionamento normalmente aperto (N1) o chiuso (N0).

Esempio di applicazione: Gli impianti chimici impiegano sensori NAMUR per il monitoraggio intrinsecamente sicuro della posizione delle valvole.

Vantaggi:

• Funzionamento in aree pericolose a prova di esplosione
• Rilevamento guasti integrato

Svantaggi:

• Richiede amplificatori di commutazione isolati
• Il segnale di corrente necessita di conversione

Questi sensori binari convenzionali trasmettono gli stati degli interruttori come valori di corrente discreti (tipicamente 5 mA per nessun rilevamento, 10 mA per oggetti rilevati).

Esempio di applicazione: I sistemi di conteggio utilizzano questi sensori per conteggiare gli oggetti sui trasportatori, incrementando i contatori alla ricezione di segnali da 10 mA.

Vantaggi:

• Buona immunità al rumore
• Compatibilità diretta con l'ingresso PLC

Svantaggi:

• Il segnale di corrente potrebbe richiedere la conversione
• Ambito di applicazione limitato

I sensori di prossimità di tipo a misurazione rilevano e trasmettono più segnali o informazioni sullo stato come valori di corrente o tensione analogici.

Questi sensori convertono le variabili fisiche misurate (come la distanza dagli oggetti metallici) in segnali di corrente proporzionali da 4-20 mA.

Esempio di applicazione: I sistemi robotici impiegano sensori da 4-20 mA per un posizionamento preciso dell'end-effector rispetto ai pezzi.

Vantaggi:

• Eccellente immunità al rumore per la trasmissione a lunga distanza
• Compatibilità del segnale standard industriale

Svantaggi:

• Costo relativo più elevato
• Condizionamento del segnale richiesto

Simile ai tipi con uscita di corrente, ma converte le misurazioni in segnali di tensione.

Esempio di applicazione: I sistemi di controllo della pressione utilizzano sensori da 0-10 V per una misurazione precisa della corsa del cilindro.

Vantaggi:

• Implementazione del circuito più semplice
• Soluzione a basso costo

Svantaggi:

• La ridotta immunità al rumore limita la distanza di trasmissione
• Sensibilità all'impedenza del carico

La scelta tra i formati analogici dipende da:

• Distanza di trasmissione: I segnali di corrente eccellono per le lunghe distanze
• Stabilità del carico: I segnali di tensione risentono delle variazioni di impedenza
• Compatibilità del sistema di controllo: Alcuni PLC limitano i tipi di ingresso

Questi sensori comunicano tramite il fieldbus industriale AS-Interface, trasmettendo stati di commutazione e dati aggiuntivi attraverso reti a due fili utilizzando la tecnologia piercing-clamp per un'installazione semplificata.

Esempio di applicazione: Le linee di produzione automatizzate implementano più sensori AS-Interface per il monitoraggio distribuito delle stazioni tramite controllo centralizzato.

Vantaggi:

• Complessità e costo di cablaggio ridotti
• Funzionalità diagnostiche integrate

Svantaggi:

• Velocità di trasmissione limitata
• Richiede un master AS-Interface

Utilizzando connettori M8/M12 standardizzati, i sensori IO-Link consentono una comunicazione intelligente punto-punto per le applicazioni Industry 4.0 mantenendo al contempo la compatibilità operativa SIO (Standard Input/Output) tradizionale.

Esempio di applicazione: Le fabbriche intelligenti sfruttano i sensori IO-Link per il monitoraggio in tempo reale delle apparecchiature e l'analisi basata su cloud.

Vantaggi:

• Configurazione remota ad alta capacità di dati
• Integrazione di interfacce standardizzate

Svantaggi:

• Requisito master IO-Link
• Costo di implementazione più elevato

La selezione del sensore deve anche tenere conto della logica di uscita, ovvero lo stato del segnale durante il rilevamento dei target. Le configurazioni comuni includono:

• Normalmente aperto (NO): Basso/aperto a riposo, alto/chiuso al rilevamento
• Normalmente chiuso (NC): Alto/chiuso a riposo, basso/aperto al rilevamento

I sistemi di sicurezza impiegano spesso la logica NC per attivare gli allarmi in caso di guasto del sensore.

I sensori di prossimità offrono diversi tipi di uscita, ciascuno con caratteristiche uniche per applicazioni specifiche. La selezione ottimale richiede la valutazione dei requisiti operativi, della compatibilità del sistema di controllo, delle condizioni ambientali e dei fattori di costo per garantire prestazioni affidabili del sistema. Questa analisi completa fornisce agli ingegneri una guida essenziale per prendere decisioni informate sulla specifica dei sensori.