در خطوط تولید خودکار، حسگرهای مجاورتی بیشماری بهعنوان نقاط پایانی عصبی عمل میکنند و بهدقت وجود و فاصله اشیاء فلزی را تشخیص میدهند و درعینحال این اطلاعات را به سیگنالهایی تبدیل میکنند که توسط سیستمهای کنترلی قابلتشخیص هستند. این سیگنالها در انواع مختلفی وجود دارند که نحوه ارتباط حسگرها با سیستمهای کنترلی را تعیین میکنند. مهندسان چگونه باید نوع خروجی مناسب را برای کاربردهای خاص انتخاب کنند؟ این مقاله یک تجزیهوتحلیل عمیق از پیکربندیهای خروجی حسگر مجاورتی ارائه میدهد.
مروری بر انواع خروجی حسگر مجاورتی
حسگرهای مجاورتی را میتوان بر اساس ویژگیهای سیگنال به سه نوع خروجی اصلی طبقهبندی کرد: سوئیچینگ (خروجی باینری)، آنالوگ و انتقال داده (اندازهگیری). حسگرهای سوئیچینگ دو حالت مجزا را برای کنترل ساده روشن/خاموش ارائه میدهند، حسگرهای آنالوگ خروجی پیوستهای را برای اندازهگیری دقیق ارائه میدهند، درحالیکه انواع انتقال داده میتوانند مجموعههای داده غنیتری را منتقل کنند.
توجه: برای جزئیات اتصال الکتریکی در مورد انواع خروجی مختلف، به مستندات فنی در مورد اتصال حسگر مراجعه کنید.
I. حسگرهای نوع سوئیچینگ
حسگرهای مجاورتی از نوع سوئیچینگ که حسگرهای خروجی باینری نیز نامیده میشوند، رایجترین دسته را نشان میدهند. اینها اساساً بهعنوان سوئیچهای ساده روشن/خاموش عمل میکنند که بر اساس تشخیص شیء هدف بین دو حالت خروجی از پیش تعریفشده جابهجا میشوند. بهطور گسترده برای کنترل شیرها، فلپها، چراغهای سیگنال و سایر محرکها استفاده میشوند، آنها مستقیماً به ورودیهای دیجیتال کنترلکننده منطقی قابلبرنامهریزی (PLC) متصل میشوند.
1. حسگرهای خروجی NPN (Sinking)
حسگرهای خروجی NPN ترمینال خروجی را هنگام فعالشدن به زمین (0 ولت) متصل میکنند. بار بین منبع تغذیه (+UB) و خروجی NPN حسگر متصل میشود. هنگام تشخیص یک شیء هدف، ترانزیستور NPN هدایت میکند و مدار بار را کامل میکند.
مثال کاربردی: در سیستمهای نقاله، حسگرهای NPN محصولات را که به موقعیتهای تعیینشده میرسند، تشخیص میدهند. پس از تشخیص، سیگنال خروجی سطح پایین PLC را تحریک میکند تا عملکرد نقاله را متوقف کند.
مزایا:
- طراحی مدار سادهتر
- پیادهسازی کمهزینهتر
معایب:
- حساس به قطبیت منبع تغذیه
- مقاومت در برابر نویز نسبتاً ضعیفتر
2. حسگرهای خروجی PNP (Sourcing)
حسگرهای خروجی PNP ترمینال خروجی را هنگام فعالشدن به منبع تغذیه (+UB) متصل میکنند. بار بین خروجی PNP و زمین (L-) متصل میشود. تشخیص هدف، ترانزیستور PNP را فعال میکند تا مدار بار را کامل کند.
توجه: خروجیهای PNP بر کاربردهای صنعتی غالب هستند تا از اتصال کوتاه زمین جلوگیری شود.
مثال کاربردی: در خطوط مونتاژ خودکار، حسگرهای PNP نصب صحیح اجزا را تأیید میکنند. موقعیتیابی صحیح یک سیگنال سطح بالا ایجاد میکند که PLC را وادار میکند تا مراحل مونتاژ بعدی را آغاز کند.
مزایا:
- مقاومت در برابر نویز برتر
- کاهش حساسیت به تداخل زمین
معایب:
- طراحی مدار پیچیدهتر
- هزینه نسبتاً بالاتر
راهنمای انتخاب NPN در مقابل PNP
انتخاب بین خروجیهای NPN و PNP به طراحی سیستم کنترل و محیط عملیاتی بستگی دارد. کاربردهای اروپایی معمولاً حسگرهای PNP را ترجیح میدهند، درحالیکه بازارهای آسیایی معمولاً از انواع NPN استفاده میکنند. ملاحظات انتخاب عبارتاند از:
- سازگاری سیستم کنترل: برخی از PLCها ممکن است فقط از انواع ورودی خاص پشتیبانی کنند
- تداخل الکترومغناطیسی: حسگرهای PNP بهطورکلی در محیطهای پر سر و صدا عملکرد بهتری دارند
- عوامل ایمنی: پیکربندیهای PNP خطر اتصال کوتاه زمین را کاهش میدهند
3. حسگرهای دو سیمه
حسگرهای مجاورتی دو سیمه یک نوع سوئیچینگ تخصصی را نشان میدهند که منبع تغذیه و انتقال سیگنال را از طریق تنها دو هادی ترکیب میکند. این سیمکشی سادهشده هزینههای نصب را برای برخی از برنامهها کاهش میدهد.
حسگر و بار بهصورت سری متصل میشوند، با این ترتیب که ترتیب آن بیاهمیت است. بهعنوان دستگاههای فعال، حسگرهای دو سیمه بهطور مداوم در حین انتقال سیگنالهای وضعیت از طریق همان هادیها، توان عملیاتی را مصرف میکنند.
برخلاف سوئیچهای مکانیکی که مدارها را بهطور کامل باز یا بسته میکنند، حسگرهای دو سیمه همیشه هنگام «بسته» بودن، افت ولتاژ و جریان نشتی کمی را هنگام «باز» بودن حفظ میکنند. این ویژگی هنگام اتصال به ورودیهای دیجیتال PLC طبق استانداردهای EN 61131-2 نیاز به بررسی دارد.
مثال کاربردی: در کنترل سطح مایع پایه، حسگرهای دو سیمه که در بالای مخزن نصب شدهاند، محدودیتهای بالایی را تشخیص میدهند و به PLCها سیگنال میدهند تا شیرهای ورودی را هنگام رسیدن به آن ببندند.
مزایا:
- نصب سادهشده دو هادی
- کاهش هزینههای سیمکشی
معایب:
- جریانهای باقیمانده و افت ولتاژ ممکن است بر بارهای خاص تأثیر بگذارد
- نیاز به تأیید سازگاری ورودی PLC
4. حسگرهای خروجی تماس رله
این حسگرها دارای خروجیهای باینری هستند که رلههای الکترومکانیکی را از طریق مدارهای کنترلی جداگانه بهجای مدارهای قدرت کنترل میکنند.
خروجیهای رله که حداقل به چهار اتصال (دو برای الکترونیک حسگر، دو برای کنتاکتهای رله غیرفعال) نیاز دارند، ظرفیت جریان بالاتری نسبت به سوئیچهای الکترونیکی ارائه میدهند، اما از سایش مکانیکی رنج میبرند که فرکانس سوئیچینگ را به چند عملیات در ثانیه محدود میکند.
مثال کاربردی: در سیستمهای کنترل موتور، حسگرهای خروجی رله شرایط اضافه بار را تشخیص میدهند و در صورت لزوم کنتاکتها را باز میکنند تا برق قطع شود.
مزایا:
- قابلیت راهاندازی بار جریان بالا
- ایزولاسیون گالوانیکی برای مقاومت در برابر نویز
معایب:
- سایش تماس مکانیکی عمر را محدود میکند
- فرکانس سوئیچینگ کم
- اندازه فیزیکی بزرگتر
5. حسگرهای خروجی NAMUR
این حسگرهای تخصصی سیگنالهای خروجی را مطابق با استانداردهای NAMUR برای افزایش ایمنی تولید میکنند که برای حسگرهای مجاورتی یا انکودرها در مکانهای خطرناک مناسب است.
حسگرهای NAMUR مقادیر جریان تعریفشده را طبق EN 60947-5-6 به تقویتکنندههای سوئیچینگ ایزوله منتقل میکنند که اینها را به خروجیهای گسسته تبدیل میکنند و درعینحال تشخیص اتصال کوتاه و قطع سیم را ارائه میدهند. نسخههای سنتی دارای ویژگیهای خروجی ثابت هستند، درحالیکه انواع سوئیچینگ باینری عملکرد بهطور معمول باز (N1) یا بسته (N0) را ارائه میدهند.
مثال کاربردی: کارخانههای شیمیایی از حسگرهای NAMUR برای نظارت بر موقعیت شیر ایمن ذاتی استفاده میکنند.
مزایا:
- عملکرد منطقه خطرناک ضد انفجار
- تشخیص خطای یکپارچه
معایب:
- نیاز به تقویتکنندههای سوئیچینگ ایزوله
- سیگنال جریان نیاز به تبدیل دارد
6. حسگرهای خروجی جریان دیجیتال
این حسگرهای باینری معمولی، حالتهای سوئیچ را بهعنوان مقادیر جریان گسسته (معمولاً 5 میلیآمپر برای عدم تشخیص، 10 میلیآمپر برای اشیاء تشخیص دادهشده) منتقل میکنند.
مثال کاربردی: سیستمهای شمارش از این حسگرها برای شمارش اشیاء روی نقالهها استفاده میکنند و شمارندهها را پس از دریافت سیگنالهای 10 میلیآمپر افزایش میدهند.
مزایا:
- مقاومت در برابر نویز خوب
- سازگاری مستقیم ورودی PLC
معایب:
- سیگنال جریان ممکن است نیاز به تبدیل داشته باشد
- دامنه کاربرد محدود
II. حسگرهای نوع اندازهگیری
حسگرهای مجاورتی از نوع اندازهگیری، سیگنالهای متعدد یا اطلاعات وضعیت را بهعنوان مقادیر جریان یا ولتاژ آنالوگ تشخیص داده و منتقل میکنند.
1. خروجی جریان آنالوگ (4-20 میلیآمپر)
این حسگرها متغیرهای فیزیکی اندازهگیریشده (مانند فاصله تا اشیاء فلزی) را به سیگنالهای جریان 4-20 میلیآمپر متناسب تبدیل میکنند.
مثال کاربردی: سیستمهای رباتیک از حسگرهای 4-20 میلیآمپر برای موقعیتیابی دقیق انتهای محرک نسبت به قطعات کار استفاده میکنند.
مزایا:
- مقاومت در برابر نویز عالی برای انتقال از راه دور
- سازگاری سیگنال استاندارد صنعتی
معایب:
- هزینه نسبتاً بالاتر
- نیاز به شرطیسازی سیگنال
2. خروجی ولتاژ آنالوگ (بهعنوانمثال، 0-10 ولت)
مشابه انواع خروجی جریان، اما اندازهگیریها را بهجای آن به سیگنالهای ولتاژ تبدیل میکند.
مثال کاربردی: سیستمهای کنترل فشار از حسگرهای 0-10 ولت برای اندازهگیری دقیق کورس سیلندر استفاده میکنند.
مزایا:
- پیادهسازی مدار سادهتر
- راهحل کمهزینهتر
معایب:
- مقاومت در برابر نویز کاهشیافته، فاصله انتقال را محدود میکند
- حساسیت امپدانس بار
انتخاب جریان آنالوگ در مقابل ولتاژ
انتخاب بین فرمتهای آنالوگ به موارد زیر بستگی دارد:
- فاصله انتقال: سیگنالهای جریان برای اجراهای طولانی عالی هستند
- پایداری بار: سیگنالهای ولتاژ از تغییرات امپدانس رنج میبرند
- سازگاری سیستم کنترل: برخی از PLCها انواع ورودی را محدود میکنند
3. حسگرهای رابط AS
این حسگرها از طریق فیلدباس صنعتی رابط AS ارتباط برقرار میکنند و حالتهای سوئیچ و دادههای اضافی را در شبکههای دو سیمه با استفاده از فناوری گیره سوراخکننده برای نصب سادهشده منتقل میکنند.
مثال کاربردی: خطوط تولید خودکار چندین حسگر رابط AS را برای نظارت بر ایستگاه توزیعشده از طریق کنترل متمرکز مستقر میکنند.
مزایا:
- کاهش پیچیدگی و هزینه سیمکشی
- قابلیتهای تشخیصی یکپارچه
معایب:
- سرعت انتقال محدود
- نیاز به مستر رابط AS
4. حسگرهای IO-Link
حسگرهای IO-Link با استفاده از کانکتورهای استاندارد M8/M12، ارتباط هوشمند نقطهبهنقطه را برای برنامههای Industry 4.0 فعال میکنند و درعینحال سازگاری عملیات SIO (ورودی/خروجی استاندارد) سنتی را حفظ میکنند.
مثال کاربردی: کارخانههای هوشمند از حسگرهای IO-Link برای نظارت بر تجهیزات در زمان واقعی و تجزیهوتحلیل مبتنی بر ابر استفاده میکنند.
مزایا:
- پیکربندی از راه دور با ظرفیت داده بالا
- یکپارچهسازی رابط استاندارد
معایب:
- نیاز به مستر IO-Link
- هزینه پیادهسازی بالاتر
ملاحظات منطق خروجی
انتخاب حسگر باید منطق خروجی را نیز در نظر بگیرد—حالت سیگنال هنگام تشخیص اهداف. پیکربندیهای رایج عبارتاند از:
- بهطور معمول باز (NO): کم/باز در حالت استراحت، زیاد/بسته هنگام تشخیص
- بهطور معمول بسته (NC): زیاد/بسته در حالت استراحت، کم/باز هنگام تشخیص
سیستمهای ایمنی اغلب از منطق NC برای راهاندازی آلارمها در هنگام خرابی حسگر استفاده میکنند.
نتیجهگیری
حسگرهای مجاورتی انواع خروجی متنوعی را ارائه میدهند که هرکدام دارای ویژگیهای منحصربهفردی برای کاربردهای خاص هستند. انتخاب بهینه مستلزم ارزیابی الزامات عملیاتی، سازگاری سیستم کنترل، شرایط محیطی و عوامل هزینه برای اطمینان از عملکرد قابلاعتماد سیستم است. این تجزیهوتحلیل جامع، راهنماییهای ضروری را برای مهندسان برای تصمیمگیری آگاهانه در مورد مشخصات حسگر ارائه میدهد.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!
