На автоматизированных производственных линиях бесчисленное количество датчиков приближения действует как нейронные конечные точки, точно определяя наличие и расстояние металлических объектов, преобразуя эту информацию в сигналы, распознаваемые системами управления. Эти сигналы бывают разных типов, которые определяют, как датчики взаимодействуют с системами управления. Как инженеры должны выбирать подходящий тип выхода для конкретных применений? В этой статье представлен углубленный анализ конфигураций выходов датчиков приближения.
Обзор типов выходов датчиков приближения
Датчики приближения можно разделить на три основных типа выходов в зависимости от характеристик сигнала: переключающие (двоичный выход), аналоговые и типы передачи данных (измерительные). Переключающие датчики обеспечивают два различных состояния для простого управления включением/выключением, аналоговые датчики выдают непрерывный выход для точных измерений, а типы передачи данных могут передавать более богатые наборы данных.
Примечание: Подробную информацию об электрических соединениях различных типов выходов см. в технической документации по подключению датчиков.
I. Датчики переключающего типа
Датчики приближения переключающего типа, также называемые датчиками с двоичным выходом, представляют собой наиболее распространенную категорию. По сути, они функционируют как простые переключатели включения/выключения, которые переключаются между двумя предопределенными выходными состояниями в зависимости от обнаружения целевого объекта. Широко используются для управления клапанами, заслонками, сигнальными лампами и другими исполнительными механизмами, они подключаются непосредственно к цифровым входам программируемого логического контроллера (ПЛК).
1. Датчики с выходом NPN (погружение)
Датчики с выходом NPN подключают выходной терминал к земле (0 В) при активации. Нагрузка подключается между источником питания (+UB) и выходом NPN датчика. При обнаружении целевого объекта транзистор NPN проводит ток, замыкая цепь нагрузки.
Пример применения: В конвейерных системах датчики NPN обнаруживают продукты, достигающие заданных положений. При обнаружении низкоуровневый выходной сигнал запускает ПЛК для остановки работы конвейера.
Преимущества:
- Более простая конструкция схемы
- Более низкая стоимость реализации
Недостатки:
- Чувствительность к полярности источника питания
- Относительно слабая помехозащищенность
2. Датчики с выходом PNP (источник)
Датчики с выходом PNP подключают выходной терминал к источнику питания (+UB) при активации. Нагрузка подключается между выходом PNP и землей (L-). Обнаружение цели активирует транзистор PNP для замыкания цепи нагрузки.
Примечание: Выходы PNP преобладают в промышленных приложениях для предотвращения коротких замыканий на землю.
Пример применения: На автоматизированных сборочных линиях датчики PNP проверяют правильность установки компонентов. Правильное позиционирование генерирует сигнал высокого уровня, предлагающий ПЛК инициировать последующие этапы сборки.
Преимущества:
- Превосходная помехозащищенность
- Сниженная восприимчивость к помехам от земли
Недостатки:
- Более сложная конструкция схемы
- Более высокая относительная стоимость
Рекомендации по выбору NPN и PNP
Выбор между выходами NPN и PNP зависит от конструкции системы управления и рабочей среды. Европейские приложения обычно предпочитают датчики PNP, в то время как на азиатских рынках чаще используются типы NPN. Факторы выбора включают:
- Совместимость с системой управления: Некоторые ПЛК могут поддерживать только определенные типы входов
- Электромагнитные помехи: Датчики PNP обычно работают лучше в шумной среде
- Факторы безопасности: Конфигурации PNP снижают риски короткого замыкания на землю
3. Двухпроводные датчики
Двухпроводные датчики приближения представляют собой специализированный переключающий тип, который объединяет источник питания и передачу сигнала через всего два проводника. Эта упрощенная проводка снижает затраты на установку для определенных применений.
Датчик и нагрузка подключаются последовательно, порядок расположения не имеет значения. Являясь активными устройствами, двухпроводные датчики постоянно потребляют рабочую мощность, передавая сигналы состояния по одним и тем же проводникам.
В отличие от механических переключателей, которые полностью размыкают или замыкают цепи, двухпроводные датчики всегда поддерживают некоторое падение напряжения при «закрытом» состоянии и минимальный ток утечки при «открытом» состоянии. Эта характеристика требует учета при подключении к цифровым входам ПЛК в соответствии со стандартами EN 61131-2.
Пример применения: В базовом контроле уровня жидкости двухпроводные датчики, установленные на верхней части резервуаров, обнаруживают верхние пределы, сигнализируя ПЛК о закрытии входных клапанов при достижении этих пределов.
Преимущества:
- Упрощенная установка с двумя проводниками
- Снижение затрат на проводку
Недостатки:
- Остаточные токи и падения напряжения могут влиять на определенные нагрузки
- Требуется проверка совместимости входа ПЛК
4. Датчики с релейным контактом
Эти датчики имеют двоичные выходы, управляющие электромеханическими реле через отдельные цепи управления, а не цепи питания.
Требуя как минимум четырех соединений (два для электроники датчика, два для пассивных контактов реле), релейные выходы обеспечивают более высокую токовую нагрузку, чем электронные переключатели, но страдают от механического износа, который ограничивает частоту переключения несколькими операциями в секунду.
Пример применения: В системах управления двигателями датчики с релейным выходом обнаруживают условия перегрузки, размыкая контакты для отключения питания при необходимости.
Преимущества:
- Возможность управления нагрузкой с высоким током
- Гальваническая развязка для помехозащищенности
Недостатки:
- Износ механических контактов ограничивает срок службы
- Низкая частота переключения
- Больший физический размер
5. Датчики с выходом NAMUR
Эти специализированные датчики генерируют выходные сигналы, соответствующие стандартам NAMUR для повышения безопасности, подходящие для датчиков приближения или энкодеров во взрывоопасных зонах.
Датчики NAMUR передают определенные значения тока в соответствии со стандартом EN 60947-5-6 на изолированные коммутационные усилители, которые преобразуют их в дискретные выходы, обеспечивая при этом обнаружение короткого замыкания и обрыва провода. Традиционные версии имеют постоянные выходные характеристики, в то время как типы двоичного переключения обеспечивают нормально открытую (N1) или закрытую (N0) работу.
Пример применения: Химические заводы используют датчики NAMUR для мониторинга положения клапанов во взрывоопасных зонах.
Преимущества:
- Взрывобезопасная работа во взрывоопасных зонах
- Встроенное обнаружение неисправностей
Недостатки:
- Требуются изолированные коммутационные усилители
- Требуется преобразование токового сигнала
6. Датчики с цифровым токовым выходом
Эти обычные двоичные датчики передают состояния переключателей в виде дискретных значений тока (обычно 5 мА при отсутствии обнаружения, 10 мА для обнаруженных объектов).
Пример применения: Системы подсчета используют эти датчики для подсчета объектов на конвейерах, увеличивая счетчики при получении сигналов 10 мА.
Преимущества:
- Хорошая помехозащищенность
- Прямая совместимость с входом ПЛК
Недостатки:
- Токовый сигнал может потребовать преобразования
- Ограниченная область применения
II. Датчики измерительного типа
Датчики приближения измерительного типа обнаруживают и передают несколько сигналов или информацию о состоянии в виде аналоговых значений тока или напряжения.
1. Аналоговый токовый выход (4–20 мА)
Эти датчики преобразуют измеренные физические переменные (например, расстояние до металлических объектов) в пропорциональные токовые сигналы 4–20 мА.
Пример применения: Роботизированные системы используют датчики 4–20 мА для точного позиционирования конечного эффектора относительно заготовок.
Преимущества:
- Отличная помехозащищенность для передачи на большие расстояния
- Совместимость с промышленным стандартным сигналом
Недостатки:
- Более высокая относительная стоимость
- Требуется обработка сигнала
2. Аналоговый выход напряжения (например, 0–10 В)
Аналогично типам с токовым выходом, но преобразующим измерения в сигналы напряжения.
Пример применения: Системы контроля давления используют датчики 0–10 В для точного измерения хода цилиндра.
Преимущества:
- Более простая реализация схемы
- Более дешевое решение
Недостатки:
- Сниженная помехозащищенность ограничивает расстояние передачи
- Чувствительность к импедансу нагрузки
Выбор аналогового тока и напряжения
Выбор между аналоговыми форматами зависит от:
- Расстояние передачи: Токовые сигналы превосходны для больших расстояний
- Стабильность нагрузки: Сигналы напряжения страдают от изменений импеданса
- Совместимость с системой управления: Некоторые ПЛК ограничивают типы входов
3. Датчики AS-Interface
Эти датчики обмениваются данными через промышленную полевую шину AS-Interface, передавая состояния переключателей и дополнительные данные по двухпроводным сетям с использованием технологии прокола зажима для упрощенной установки.
Пример применения: Автоматизированные производственные линии развертывают несколько датчиков AS-Interface для распределенного мониторинга станций через централизованное управление.
Преимущества:
- Уменьшенная сложность и стоимость проводки
- Встроенные диагностические возможности
Недостатки:
- Ограниченная скорость передачи
- Требуется мастер AS-Interface
4. Датчики IO-Link
Используя стандартизированные разъемы M8/M12, датчики IO-Link обеспечивают интеллектуальную связь точка-точка для приложений Industry 4.0, сохраняя при этом совместимость с традиционной работой SIO (Standard Input/Output).
Пример применения: Умные фабрики используют датчики IO-Link для мониторинга оборудования в режиме реального времени и аналитики на основе облачных технологий.
Преимущества:
- Высокая емкость данных, удаленная конфигурация
- Стандартизированная интеграция интерфейса
Недостатки:
- Требование мастера IO-Link
- Более высокая стоимость реализации
Соображения логики выхода
Выбор датчика также должен учитывать логику выхода — состояние сигнала при обнаружении целей. Общие конфигурации включают:
- Нормально открытый (NO): Низкий/открытый в состоянии покоя, высокий/закрытый при обнаружении
- Нормально закрытый (NC): Высокий/закрытый в состоянии покоя, низкий/открытый при обнаружении
Системы безопасности часто используют логику NC для запуска тревог при сбоях датчиков.
Заключение
Датчики приближения предлагают различные типы выходов, каждый из которых имеет уникальные характеристики для конкретных применений. Оптимальный выбор требует оценки эксплуатационных требований, совместимости с системой управления, условий окружающей среды и факторов стоимости для обеспечения надежной работы системы. Этот всесторонний анализ предоставляет инженерам важные рекомендации для принятия обоснованных решений по спецификации датчиков.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!