คู่มืออธิบายประเภทเอาต์พุตของเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำ

ในสายการผลิตแบบอัตโนมัติ พรอกซิมิตี้เซนเซอร์จำนวนนับไม่ถ้วนทำหน้าที่เป็นจุดปลายประสาท ซึ่งตรวจจับการมีอยู่และระยะห่างของวัตถุที่เป็นโลหะได้อย่างแม่นยำ ขณะเดียวกันก็แปลงข้อมูลนี้เป็นสัญญาณที่ระบบควบคุมจดจำได้ สัญญาณเหล่านี้มีหลายประเภทซึ่งกำหนดวิธีที่เซ็นเซอร์สื่อสารกับระบบควบคุม วิศวกรควรเลือกประเภทเอาต์พุตที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะอย่างไร บทความนี้นำเสนอการวิเคราะห์เชิงลึกของการกำหนดค่าเอาท์พุตพร็อกซิมิตี้เซนเซอร์

พรอกซิมิตี้เซนเซอร์สามารถแบ่งได้เป็นสามประเภทเอาต์พุตหลักตามลักษณะของสัญญาณ: ประเภทสวิตชิ่ง (เอาต์พุตไบนารี) อะนาล็อก และการส่งข้อมูล (การวัด) เซ็นเซอร์แบบสวิตช์มีสถานะที่แตกต่างกันสองสถานะสำหรับการควบคุมเปิด/ปิดอย่างง่ายดาย เซ็นเซอร์แบบอะนาล็อกให้เอาต์พุตที่ต่อเนื่องเพื่อการวัดที่แม่นยำ ในขณะที่ประเภทการส่งข้อมูลสามารถสื่อสารชุดข้อมูลที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น

พรอกซิมิตี้เซนเซอร์ชนิดสวิตชิ่ง หรือที่เรียกว่าเซนเซอร์เอาท์พุตไบนารี ถือเป็นประเภทที่พบบ่อยที่สุด โดยพื้นฐานแล้วสิ่งเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์เปิด/ปิดธรรมดาที่สลับระหว่างสถานะเอาต์พุตที่กำหนดไว้ล่วงหน้าสองสถานะตามการตรวจจับวัตถุเป้าหมาย ใช้กันอย่างแพร่หลายในการควบคุมวาล์ว ปีกนก ไฟสัญญาณ และแอคชูเอเตอร์อื่นๆ โดยเชื่อมต่อโดยตรงกับอินพุตดิจิทัลของตัวควบคุมลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้ (PLC)

เซ็นเซอร์เอาต์พุต NPN เชื่อมต่อเทอร์มินัลเอาต์พุตกับกราวด์ (0V) เมื่อเปิดใช้งาน โหลดเชื่อมต่อระหว่างแหล่งจ่ายไฟ (+UB) และเอาต์พุต NPN ของเซนเซอร์ เมื่อตรวจจับวัตถุเป้าหมาย ทรานซิสเตอร์ NPN จะดำเนินการจนวงจรโหลดสมบูรณ์

ตัวอย่างการใช้งาน:ในระบบสายพานลำเลียง เซ็นเซอร์ NPN ตรวจจับผลิตภัณฑ์ที่ถึงตำแหน่งที่กำหนด เมื่อตรวจพบ สัญญาณเอาท์พุตระดับต่ำจะกระตุ้นให้ PLC หยุดการทำงานของสายพานลำเลียง

ข้อดี:

• การออกแบบวงจรที่เรียบง่าย
• การดำเนินการต้นทุนที่ต่ำกว่า

ข้อเสีย:

• มีความไวต่อขั้วแหล่งจ่ายไฟ
• ภูมิคุ้มกันทางเสียงค่อนข้างอ่อนแอ

เซ็นเซอร์เอาต์พุต PNP เชื่อมต่อเทอร์มินัลเอาต์พุตเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ (+UB) เมื่อเปิดใช้งาน โหลดเชื่อมต่อระหว่างเอาต์พุต PNP และกราวด์ (L-) การตรวจจับเป้าหมายจะเปิดใช้งานทรานซิสเตอร์ PNP เพื่อให้วงจรโหลดสมบูรณ์

ตัวอย่างการใช้งาน:ในสายการประกอบอัตโนมัติ เซ็นเซอร์ PNP จะตรวจสอบการติดตั้งส่วนประกอบที่เหมาะสม การวางตำแหน่งที่ถูกต้องจะสร้างสัญญาณระดับสูงเพื่อแจ้งให้ PLC เริ่มขั้นตอนการประกอบครั้งต่อไป

ข้อดี:

• ภูมิคุ้มกันเสียงที่เหนือกว่า
• ลดความไวต่อสัญญาณรบกวนภาคพื้นดิน

ข้อเสีย:

• การออกแบบวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้น
• ต้นทุนสัมพัทธ์ที่สูงขึ้น

ตัวเลือกระหว่างเอาต์พุต NPN และ PNP ขึ้นอยู่กับการออกแบบระบบควบคุมและสภาพแวดล้อมการทำงาน โดยทั่วไปแล้วการใช้งานในยุโรปจะชอบเซ็นเซอร์ PNP ในขณะที่ตลาดเอเชียมักใช้ประเภท NPN มากกว่า ข้อควรพิจารณาในการคัดเลือก ได้แก่ :

• ความเข้ากันได้ของระบบควบคุม:PLC บางตัวอาจรองรับเฉพาะประเภทอินพุตเฉพาะเท่านั้น
• การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า:โดยทั่วไปเซ็นเซอร์ PNP จะทำงานได้ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง
• ปัจจัยด้านความปลอดภัย:การกำหนดค่า PNP ช่วยลดความเสี่ยงของการลัดวงจรกราวด์

พรอกซิมิตี้เซนเซอร์แบบสองสายแสดงถึงประเภทสวิตช์พิเศษที่รวมแหล่งจ่ายไฟและการส่งสัญญาณผ่านตัวนำเพียงสองตัว การเดินสายแบบเรียบง่ายนี้ช่วยลดต้นทุนการติดตั้งสำหรับการใช้งานบางอย่าง

เซ็นเซอร์และโหลดเชื่อมต่อแบบอนุกรม โดยลำดับการจัดเรียงไม่เกี่ยวข้อง ในฐานะอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ เซ็นเซอร์แบบสองสายจะดึงพลังงานการทำงานอย่างต่อเนื่องในขณะที่ส่งสัญญาณสถานะผ่านตัวนำเดียวกัน

ต่างจากสวิตช์เชิงกลที่เปิดหรือปิดวงจรโดยสมบูรณ์ เซ็นเซอร์แบบสองสายจะรักษาแรงดันไฟตกคร่อมไว้เสมอเมื่อ "ปิด" และกระแสรั่วไหลน้อยที่สุดเมื่อ "เปิด" คุณลักษณะนี้ต้องพิจารณาเมื่อเชื่อมต่อกับอินพุตดิจิตอล PLC ตามมาตรฐาน EN 61131-2

ตัวอย่างการใช้งาน:ในการควบคุมระดับของเหลวขั้นพื้นฐาน เซ็นเซอร์แบบสองสายที่ติดตั้งอยู่ด้านบนถังจะตรวจจับขีดจำกัดบน โดยจะส่งสัญญาณให้ PLC ปิดวาล์วทางเข้าเมื่อถึงขีดจำกัด

ข้อดี:

• การติดตั้งแบบสองตัวนำที่ง่ายขึ้น
• ลดต้นทุนการเดินสายไฟ

ข้อเสีย:

• กระแสตกค้างและแรงดันไฟฟ้าตกอาจส่งผลต่อโหลดบางอย่าง
• ต้องมีการตรวจสอบความเข้ากันได้ของอินพุต PLC

เซ็นเซอร์เหล่านี้มีเอาต์พุตแบบไบนารีที่ควบคุมรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าผ่านวงจรควบคุมที่แยกจากกัน แทนที่จะเป็นวงจรกำลัง

ต้องมีการเชื่อมต่ออย่างน้อยสี่ครั้ง (สองตัวสำหรับเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ และสองตัวสำหรับหน้าสัมผัสรีเลย์แบบพาสซีฟ) เอาต์พุตรีเลย์มีความจุกระแสไฟสูงกว่าสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ แต่มีการสึกหรอทางกลซึ่งทำให้จำกัดความถี่ในการสลับการทำงานเพียงไม่กี่ครั้งต่อวินาที

ตัวอย่างการใช้งาน:ในระบบควบคุมมอเตอร์ เซ็นเซอร์รีเลย์เอาท์พุตจะตรวจจับสภาวะโอเวอร์โหลด โดยเปิดหน้าสัมผัสเพื่อตัดไฟเมื่อจำเป็น

ข้อดี:

• ความสามารถในการขับโหลดกระแสสูง
• การแยกกัลวานิกเพื่อภูมิคุ้มกันทางเสียง

ข้อเสีย:

• การสึกหรอของการสัมผัสทางกลทำให้อายุการใช้งานจำกัด
• ความถี่ในการสลับต่ำ
• ขนาดทางกายภาพที่ใหญ่ขึ้น

เซ็นเซอร์พิเศษเหล่านี้สร้างสัญญาณเอาท์พุตที่เป็นไปตามมาตรฐาน NAMUR เพื่อความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น เหมาะสำหรับพรอกซิมิตี้เซนเซอร์หรือตัวเข้ารหัสในสถานที่อันตราย

เซ็นเซอร์ NAMUR จะส่งค่ากระแสที่กำหนดไว้ตามมาตรฐาน EN 60947-5-6 ไปยังเครื่องขยายสัญญาณสวิตชิ่งแบบแยก ซึ่งจะแปลงค่าเหล่านี้ให้เป็นเอาต์พุตแยกกัน พร้อมทั้งให้การตรวจจับการลัดวงจรและสายไฟขาด รุ่นดั้งเดิมมีคุณลักษณะเอาต์พุตคงที่ ในขณะที่ประเภทสวิตชิ่งไบนารีมีการดำเนินการเปิดตามปกติ (N1) หรือปิด (N0)

ตัวอย่างการใช้งาน:โรงงานเคมีใช้เซ็นเซอร์ NAMUR สำหรับการตรวจสอบตำแหน่งวาล์วที่ปลอดภัยจากภายใน

ข้อดี:

• การปฏิบัติงานในพื้นที่อันตรายที่ป้องกันการระเบิด
• การตรวจจับข้อผิดพลาดแบบรวม

ข้อเสีย:

• ต้องใช้เครื่องขยายสัญญาณสวิตชิ่งแบบแยกส่วน
• สัญญาณปัจจุบันจำเป็นต้องแปลง

เซ็นเซอร์ไบนารี่ทั่วไปเหล่านี้ส่งสถานะสวิตช์เป็นค่ากระแสแยก (โดยทั่วไปคือ 5mA สำหรับการตรวจจับไม่ได้ และ 10mA สำหรับวัตถุที่ตรวจพบ)

ตัวอย่างการใช้งาน:ระบบการนับใช้เซ็นเซอร์เหล่านี้เพื่อนับวัตถุบนสายพานลำเลียง โดยเพิ่มตัวนับเมื่อรับสัญญาณ 10mA

ข้อดี:

• กันเสียงรบกวนได้ดี
• ความเข้ากันได้ของอินพุต PLC โดยตรง

ข้อเสีย:

• สัญญาณปัจจุบันอาจต้องมีการแปลง
• ขอบเขตการใช้งานที่จำกัด

พรอกซิมิตี้เซนเซอร์ประเภทการวัดจะตรวจจับและส่งสัญญาณหรือข้อมูลสถานะหลายรายการเป็นค่ากระแสหรือแรงดันไฟฟ้าแบบอะนาล็อก

เซ็นเซอร์เหล่านี้จะแปลงตัวแปรทางกายภาพที่วัดได้ (เช่น ระยะห่างจากวัตถุที่เป็นโลหะ) ให้เป็นสัญญาณกระแส 4-20mA ตามสัดส่วน

ตัวอย่างการใช้งาน:ระบบหุ่นยนต์ใช้เซ็นเซอร์ 4-20mA เพื่อการวางตำแหน่งเอ็ฟเฟ็กเตอร์ที่แม่นยำโดยสัมพันธ์กับชิ้นงาน

ข้อดี:

• ป้องกันเสียงรบกวนได้ดีเยี่ยมสำหรับการส่งสัญญาณทางไกล
• ความเข้ากันได้ของสัญญาณมาตรฐานอุตสาหกรรม

ข้อเสีย:

• ต้นทุนสัมพัทธ์ที่สูงขึ้น
• ต้องมีการปรับสภาพสัญญาณ

คล้ายกับประเภทกระแสเอาต์พุต แต่แปลงการวัดเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าแทน

ตัวอย่างการใช้งาน:ระบบควบคุมแรงดันใช้เซ็นเซอร์ 0-10V เพื่อการวัดระยะชักของกระบอกสูบที่แม่นยำ

ข้อดี:

• การใช้วงจรที่เรียบง่ายกว่า
• โซลูชันต้นทุนต่ำกว่า

ข้อเสีย:

• การป้องกันเสียงรบกวนที่ลดลงจะจำกัดระยะการส่งข้อมูล
• โหลดความไวอิมพีแดนซ์

การเลือกระหว่างรูปแบบแอนะล็อกขึ้นอยู่กับ:

• ระยะการส่ง:สัญญาณปัจจุบันดีเยี่ยมสำหรับการวิ่งระยะยาว
• เสถียรภาพในการรับน้ำหนัก:สัญญาณแรงดันไฟฟ้าต้องทนทุกข์ทรมานจากความแปรผันของอิมพีแดนซ์
• ความเข้ากันได้ของระบบควบคุม:PLC บางตัวจำกัดประเภทอินพุต

เซ็นเซอร์เหล่านี้สื่อสารผ่านฟิลด์บัสอุตสาหกรรมของอินเทอร์เฟซ AS ส่งสัญญาณสถานะสวิตช์และข้อมูลเพิ่มเติมผ่านเครือข่ายสองสายโดยใช้เทคโนโลยีแคลมป์เจาะเพื่อให้การติดตั้งง่ายขึ้น

ตัวอย่างการใช้งาน:สายการผลิตอัตโนมัติใช้เซ็นเซอร์ AS-Interface หลายตัวสำหรับการตรวจสอบสถานีแบบกระจายผ่านการควบคุมจากส่วนกลาง

ข้อดี:

• ลดความซับซ้อนและต้นทุนการเดินสายไฟ
• ความสามารถในการวินิจฉัยแบบรวม

ข้อเสีย:

• ความเร็วในการส่งข้อมูลจำกัด
• ต้องใช้ AS-Interface master

การใช้ตัวเชื่อมต่อ M8/M12 ที่เป็นมาตรฐาน เซ็นเซอร์ IO-Link ช่วยให้สามารถสื่อสารแบบจุดต่อจุดอัจฉริยะสำหรับแอปพลิเคชันอุตสาหกรรม 4.0 ในขณะที่ยังคงความเข้ากันได้ในการดำเนินการ SIO แบบดั้งเดิม (อินพุต/เอาต์พุตมาตรฐาน)

ตัวอย่างการใช้งาน:โรงงานอัจฉริยะใช้ประโยชน์จากเซ็นเซอร์ IO-Link สำหรับการตรวจสอบอุปกรณ์แบบเรียลไทม์และการวิเคราะห์บนคลาวด์

ข้อดี:

• การกำหนดค่าระยะไกลความจุข้อมูลสูง
• การรวมอินเทอร์เฟซที่ได้มาตรฐาน

ข้อเสีย:

• ข้อกำหนดหลักของ IO-Link
• ต้นทุนการดำเนินการที่สูงขึ้น

การเลือกเซนเซอร์ยังต้องคำนึงถึงลอจิกเอาท์พุตด้วย ซึ่งก็คือสถานะสัญญาณเมื่อตรวจจับเป้าหมาย การกำหนดค่าทั่วไปได้แก่:

• เปิดตามปกติ (NO):ต่ำ/เปิดที่เหลือ สูง/ปิดเมื่อตรวจพบ
• ปกติปิด (NC):สูง/ปิดที่เหลือ ต่ำ/เปิดเมื่อตรวจจับ

ระบบความปลอดภัยมักใช้ลอจิก NC เพื่อส่งสัญญาณเตือนระหว่างที่เซ็นเซอร์ทำงานล้มเหลว

พรอกซิมิตี้เซนเซอร์นำเสนอประเภทเอาต์พุตที่หลากหลาย โดยแต่ละประเภทมีลักษณะเฉพาะเฉพาะสำหรับการใช้งานเฉพาะ การเลือกที่เหมาะสมที่สุดจำเป็นต้องมีการประเมินข้อกำหนดในการปฏิบัติงาน ความเข้ากันได้ของระบบควบคุม สภาพแวดล้อม และปัจจัยด้านต้นทุน เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของระบบที่เชื่อถือได้ การวิเคราะห์ที่ครอบคลุมนี้ให้คำแนะนำที่จำเป็นสำหรับวิศวกรในการตัดสินใจเกี่ยวกับข้อมูลจำเพาะของเซ็นเซอร์