Przewodnik po typach wyjść czujników indukcyjnych

W zautomatyzowanych liniach produkcyjnych niezliczone czujniki zbliżeniowe działają jako końcowe punkty nerwowe, precyzyjnie wykrywając obecność i odległość obiektów metalowych, jednocześnie konwertując te informacje na sygnały rozpoznawalne przez systemy sterowania. Sygnały te występują w różnych typach, które określają, w jaki sposób czujniki komunikują się z systemami sterowania. Jak inżynierowie powinni wybierać odpowiedni typ wyjścia dla konkretnych zastosowań? Ten artykuł zawiera dogłębną analizę konfiguracji wyjść czujników zbliżeniowych.

Czujniki zbliżeniowe można podzielić na trzy podstawowe typy wyjść w oparciu o charakterystykę sygnału: przełączające (wyjście binarne), analogowe i transmisji danych (pomiarowe). Czujniki przełączające zapewniają dwa odrębne stany do prostego sterowania włącz/wyłącz, czujniki analogowe dostarczają ciągłe wyjście do precyzyjnego pomiaru, podczas gdy typy transmisji danych mogą komunikować bogatsze zestawy danych.

Czujniki zbliżeniowe typu przełączającego, zwane również czujnikami wyjścia binarnego, stanowią najpopularniejszą kategorię. Działają one zasadniczo jako proste przełączniki włącz/wyłącz, które przełączają się między dwoma predefiniowanymi stanami wyjścia w oparciu o wykrywanie obiektu docelowego. Szeroko stosowane do sterowania zaworami, klapami, światłami sygnałowymi i innymi siłownikami, łączą się bezpośrednio z wejściami cyfrowymi sterowników programowalnych (PLC).

Czujniki wyjścia NPN łączą zacisk wyjściowy z masą (0V) po aktywacji. Obciążenie łączy się pomiędzy zasilaniem (+UB) a wyjściem NPN czujnika. Po wykryciu obiektu docelowego tranzystor NPN przewodzi, zamykając obwód obciążenia.

Przykład zastosowania: W systemach przenośnikowych czujniki NPN wykrywają produkty docierające do wyznaczonych pozycji. Po wykryciu sygnał wyjściowy niskiego poziomu uruchamia PLC, aby zatrzymać działanie przenośnika.

Zalety:

• Prostsza konstrukcja obwodu
• Niższy koszt wdrożenia

Wady:

• Wrażliwość na polaryzację zasilania
• Stosunkowo słabsza odporność na zakłócenia

Czujniki wyjścia PNP łączą zacisk wyjściowy z zasilaniem (+UB) po aktywacji. Obciążenie łączy się pomiędzy wyjściem PNP a masą (L-). Wykrycie celu aktywuje tranzystor PNP, aby zamknąć obwód obciążenia.

Przykład zastosowania: W zautomatyzowanych liniach montażowych czujniki PNP weryfikują prawidłową instalację komponentów. Prawidłowe pozycjonowanie generuje sygnał wysokiego poziomu, który nakłania PLC do zainicjowania kolejnych etapów montażu.

Zalety:

• Doskonała odporność na zakłócenia
• Zmniejszona podatność na zakłócenia z uziemienia

Wady:

• Bardziej złożona konstrukcja obwodu
• Wyższy koszt względny

Wybór między wyjściami NPN i PNP zależy od konstrukcji systemu sterowania i środowiska pracy. Zastosowania europejskie zazwyczaj preferują czujniki PNP, podczas gdy rynki azjatyckie częściej używają typów NPN. Czynniki wyboru obejmują:

• Zgodność z systemem sterowania: Niektóre sterowniki PLC mogą obsługiwać tylko określone typy wejść
• Zakłócenia elektromagnetyczne: Czujniki PNP generalnie działają lepiej w hałaśliwym środowisku
• Czynniki bezpieczeństwa: Konfiguracje PNP zmniejszają ryzyko zwarć do masy

Czujniki zbliżeniowe dwuprzewodowe stanowią specjalistyczny typ przełączający, który łączy zasilanie i transmisję sygnału za pomocą zaledwie dwóch przewodów. To uproszczone okablowanie zmniejsza koszty instalacji w niektórych zastosowaniach.

Czujnik i obciążenie łączą się szeregowo, a kolejność połączenia jest nieistotna. Jako urządzenia aktywne, czujniki dwuprzewodowe stale pobierają moc roboczą, jednocześnie przesyłając sygnały stanu za pomocą tych samych przewodów.

W przeciwieństwie do przełączników mechanicznych, które całkowicie otwierają lub zamykają obwody, czujniki dwuprzewodowe zawsze utrzymują pewien spadek napięcia po „zamknięciu” i minimalny prąd upływu po „otwarciu”. Ta charakterystyka wymaga uwzględnienia podczas łączenia z wejściami cyfrowymi PLC zgodnie z normami EN 61131-2.

Przykład zastosowania: W podstawowym sterowaniu poziomem cieczy czujniki dwuprzewodowe zamontowane na wierzchu zbiorników wykrywają górne limity, sygnalizując sterownikom PLC zamknięcie zaworów wlotowych po ich osiągnięciu.

Zalety:

• Uproszczona instalacja dwuprzewodowa
• Zmniejszone koszty okablowania

Wady:

• Prądy resztkowe i spadki napięcia mogą wpływać na niektóre obciążenia
• Wymaga weryfikacji zgodności wejścia PLC

Czujniki te posiadają wyjścia binarne sterujące przekaźnikami elektromechanicznymi za pośrednictwem oddzielnych obwodów sterowania, a nie obwodów zasilania.

Wymagając co najmniej czterech połączeń (dwa dla elektroniki czujnika, dwa dla pasywnych styków przekaźnika), wyjścia przekaźnikowe oferują większą wydajność prądową niż przełączniki elektroniczne, ale cierpią na zużycie mechaniczne, które ogranicza częstotliwość przełączania do kilku operacji na sekundę.

Przykład zastosowania: W systemach sterowania silnikami czujniki wyjścia przekaźnikowego wykrywają warunki przeciążenia, otwierając styki, aby w razie potrzeby odciąć zasilanie.

Zalety:

• Możliwość napędzania obciążenia o dużym prądzie
• Izolacja galwaniczna dla odporności na zakłócenia

Wady:

• Zużycie styków mechanicznych ogranicza żywotność
• Niska częstotliwość przełączania
• Większy rozmiar fizyczny

Te specjalistyczne czujniki generują sygnały wyjściowe zgodne ze standardami NAMUR dla zwiększonego bezpieczeństwa, odpowiednie dla czujników zbliżeniowych lub enkoderów w strefach zagrożonych wybuchem.

Czujniki NAMUR przesyłają zdefiniowane wartości prądu zgodnie z EN 60947-5-6 do izolowanych wzmacniaczy przełączających, które konwertują je na wyjścia dyskretne, zapewniając jednocześnie wykrywanie zwarć i przerw w obwodzie. Tradycyjne wersje charakteryzują się stałymi charakterystykami wyjściowymi, podczas gdy typy przełączające binarne oferują działanie normalnie otwarte (N1) lub zamknięte (N0).

Przykład zastosowania: Zakłady chemiczne wykorzystują czujniki NAMUR do monitorowania pozycji zaworów w sposób iskrobezpieczny.

Zalety:

• Eksploatacja w strefach zagrożonych wybuchem
• Zintegrowane wykrywanie błędów

Wady:

• Wymaga izolowanych wzmacniaczy przełączających
• Sygnał prądowy wymaga konwersji

Te konwencjonalne czujniki binarne przesyłają stany przełączników jako dyskretne wartości prądu (zazwyczaj 5mA dla braku wykrywania, 10mA dla wykrytych obiektów).

Przykład zastosowania: Systemy zliczania używają tych czujników do zliczania obiektów na przenośnikach, zwiększając liczniki po otrzymaniu sygnałów 10mA.

Zalety:

• Dobra odporność na zakłócenia
• Bezpośrednia zgodność wejścia PLC

Wady:

• Sygnał prądowy może wymagać konwersji
• Ograniczony zakres zastosowań

Czujniki zbliżeniowe typu pomiarowego wykrywają i przesyłają wiele sygnałów lub informacji o stanie jako analogowe wartości prądu lub napięcia.

Czujniki te konwertują mierzone zmienne fizyczne (takie jak odległość do metalowych obiektów) na proporcjonalne sygnały prądowe 4-20mA.

Przykład zastosowania: Systemy robotyczne wykorzystują czujniki 4-20mA do precyzyjnego pozycjonowania efektora końcowego względem przedmiotów obrabianych.

Zalety:

• Doskonała odporność na zakłócenia w przypadku transmisji na duże odległości
• Zgodność ze standardowym sygnałem przemysłowym

Wady:

• Wyższy koszt względny
• Wymagane kondycjonowanie sygnału

Podobne do typów wyjść prądowych, ale konwertujące pomiary na sygnały napięciowe.

Przykład zastosowania: Systemy kontroli ciśnienia wykorzystują czujniki 0-10V do precyzyjnego pomiaru skoku cylindra.

Zalety:

• Prostsza implementacja obwodu
• Tańsze rozwiązanie

Wady:

• Zmniejszona odporność na zakłócenia ogranicza odległość transmisji
• Czułość na impedancję obciążenia

Wybór między formatami analogowymi zależy od:

• Odległość transmisji: Sygnały prądowe sprawdzają się w przypadku długich tras
• Stabilność obciążenia: Sygnały napięciowe cierpią z powodu zmian impedancji
• Zgodność z systemem sterowania: Niektóre sterowniki PLC ograniczają typy wejść

Czujniki te komunikują się za pośrednictwem przemysłowej magistrali polowej AS-Interface, przesyłając stany przełączników i dodatkowe dane w sieciach dwuprzewodowych, wykorzystując technologię zacisków przebijających w celu uproszczenia instalacji.

Przykład zastosowania: Zautomatyzowane linie produkcyjne wdrażają wiele czujników AS-Interface do monitorowania rozproszonych stacji za pośrednictwem scentralizowanego sterowania.

Zalety:

• Zmniejszona złożoność i koszt okablowania
• Zintegrowane możliwości diagnostyczne

Wady:

• Ograniczona prędkość transmisji
• Wymaga mastera AS-Interface

Wykorzystując standaryzowane złącza M8/M12, czujniki IO-Link umożliwiają inteligentną komunikację punkt-punkt dla zastosowań Przemysłu 4.0, zachowując jednocześnie zgodność z tradycyjnym działaniem SIO (Standard Input/Output).

Przykład zastosowania: Inteligentne fabryki wykorzystują czujniki IO-Link do monitorowania sprzętu w czasie rzeczywistym i analizy w chmurze.

Zalety:

• Konfiguracja zdalna o dużej pojemności danych
• Zintegrowana interfejsu standaryzowanego

Wady:

• Wymaganie mastera IO-Link
• Wyższy koszt wdrożenia

Wybór czujnika musi również uwzględniać logikę wyjściową — stan sygnału podczas wykrywania celów. Typowe konfiguracje obejmują:

• Normalnie otwarty (NO): Niski/otwarty w spoczynku, wysoki/zamknięty podczas wykrywania
• Normalnie zamknięty (NC): Wysoki/zamknięty w spoczynku, niski/otwarty podczas wykrywania

Systemy bezpieczeństwa często wykorzystują logikę NC do uruchamiania alarmów w przypadku awarii czujnika.

Czujniki zbliżeniowe oferują różnorodne typy wyjść, z których każdy ma unikalne cechy dla konkretnych zastosowań. Optymalny wybór wymaga oceny wymagań operacyjnych, zgodności z systemem sterowania, warunków środowiskowych i czynników kosztowych, aby zapewnić niezawodne działanie systemu. Ta kompleksowa analiza zapewnia inżynierom niezbędne wskazówki dotyczące podejmowania świadomych decyzji dotyczących specyfikacji czujników.