من التطبيق إلى الرسم التخطيطي: دليل لرموز مستشعرات القرب واختيارها

الموثوقية والدقة هما مقياسا النجاح في الأتمتة الصناعية. يعد المسار بين إدراك التحدي في خط الإنتاج وإنشاء نظام تحكم قوي مسارًا خطيرًا. لا تبدأ هذه العملية بمكون، بل بسؤال: ما الذي نحتاج إلى القيام به؟ لا يمكننا اختيار الأجهزة المناسبة ونمذجتها في مخطط تخطيطي ودمجها في دائرة تحكم إلا بعد تحديد التطبيق.

يرشدك هذا الدليل الشامل خلال هذه الرحلة الأساسية. سوف نبدأ بالمشكلة الواقعية، واختيار تقنية المستشعر المناسبة، وتطبيق هذا القرار على الرمز القياسي الصحيح IEC، وإدخاله في دائرة PLC عاملة، وحتى مناقشة الميزات الأكثر تقدمًا للمستشعرات الذكية الجديدة. هذا هو الدليل النهائي للانتقال بين التطبيق والأتمتة.

ابدأ بالتطبيق: اختيار المستشعر المناسب

يجب معرفة الواقع المادي للتطبيق قبل رسم خط واحد على الرسم التخطيطي. الخطأ الأكثر شيوعًا في تصميم النظام هو اختيار جهاز استشعار لأنه مألوف وليس لأنه مناسب. لتجنب ذلك يجب أن نبدأ بالإجابة عن أربعة أسئلة أساسية حول الهدف وبيئته. وهذه الأسئلة هي المادة والبيئة والمسافة والدقة، وهي تشكل إطار اختيار عقلاني.

المادة المستهدفة:

هل الجسم المراد الكشف عنه معدني أم غير معدني؟ هل هو معتم أم شفاف أم عاكس؟ يتم تحديد تقنية الاستشعار الأساسية في الغالب من خلال تركيبة المادة.

التشغيل البيئة:

هل سيتعرض المستشعر لملوثات مثل الغبار أو الزيت أو الماء؟ هل هناك درجات حرارة قصوى أو اهتزازات عالية أو احتمالية حدوث تأثير مادي؟ يجب أن يكون الحساس مصممًا ويجب أن تتوافق قيمة IP (حماية الدخول) الخاصة به مع شدة بيئته.

استشعار المسافة:

ما المسافة التي يجب أن تكون بين وجه المستشعر والجسم المستهدف (نطاق الاستشعار)؟ قد يتراوح هذا النطاق الاسمي بين عدة ملليمترات وعدة أمتار.

الدقة والسرعة

إلى أي مدى يجب اكتشاف موضع الجسم؟ ما هو المعدل الذي يتحرك به الهدف وما هو زمن الاستجابة الذي يحتاجه نظام التحكم؟

هذه هي الاعتبارات التي توجه مباشرةً الاختيار بين العائلات الرئيسية لمستشعرات القرب. على الرغم من وجود العديد من أجهزة الاستشعار المخصصة، يمكن استخدام الأنواع الأربعة الأساسية من أجهزة الاستشعار لحل معظم التطبيقات: الاستقرائي أو السعوي أو الكهروضوئي أو فوق الصوتي. لتبسيط هذا القرار، يقدم الجدول أدناه مصفوفة لاتخاذ القرار.

من خلال العمل بشكل منهجي من خلال هذا الجدول، يمكن للمهندس أن يحصر بثقة التكنولوجيا المثلى للمهمة المطروحة، مما يضمن أن يكون أساس نظام التحكم سليمًا.

دراسة حالة: الكشف عن زجاجات PET على الناقل

لتوضيح عملية التحديد هذه، دعونا نحلل تطبيقًا صناعيًا شائعًا وصعبًا: الكشف الموثوق عن زجاجات البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) الشفافة على ناقل خط تعبئة زجاجات عالي السرعة.

المشكلة

والهدف من ذلك هو الحصول على عدد ثابت من الزجاجات وتحفيز الإجراءات النهائية مثل الملء أو التغطية. الزجاجات شفافة، وتتحرك بسرعة، وقد يكون لها اختلافات طفيفة في موضعها على الناقل.

عملية التحليل والاستبعاد:

نبدأ بتطبيق العوامل الأربعة الرئيسية لدينا:

1. المواد: الهدف هو بلاستيك PET، وهو غير معدني. وهذا يلغي على الفور أجهزة الاستشعار الاستقرائية، التي تعمل عن طريق الكشف عن التغيرات في المجال الكهرومغناطيسي الناجمة عن الأجسام المعدنية.
2. البيئة: البيئة نظيفة نسبيًا ولكنها قد تنطوي على رطوبة أو غسيل. السرعة عامل حاسم.
3. المسافة: سيتم تركيب المستشعر بالقرب من الناقل، بمسافة استشعار تتراوح بين 100-300 مم تقريبًا.
4. الدقة: نحتاج إلى إشارة تشغيل/إيقاف تشغيل موثوقة لكل زجاجة.

نظرًا لأن المستشعرات الاستقرائية ليست خيارًا، فإننا ننظر إلى الاحتمالات الأخرى. سيكون المستشعر السعوي قادرًا من الناحية الفنية على استشعار البلاستيك والسائل بداخله، لكن مسافة استشعاره المحدودة وحساسيته المحتملة للرطوبة المحيطة ستكون خيارًا أقل موثوقية في بيئة عالية السرعة، وربما رطبة. قد يكون جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية فعالاً، لأنه غير حساس للشفافية. لكنه يميل إلى أن يكون أبطأ من المجسات الكهروضوئية، بسبب سرعة انتشار الموجات الصوتية، وهو غير مناسب تماماً للتطبيقات عالية السرعة.

والنتيجة المنطقية لهذه العملية هي الحساسات الكهروضوئية. ومع ذلك، حتى في هذه العائلة، يتعين على المرء اتخاذ قرار. من المحتمل أن يفشل المستشعر الكهروضوئي المنتشر النموذجي، الذي يعكس الضوء مباشرةً عن الهدف. فمعظم الضوء سيتشتت أو سينتقل عبر السطح الشفاف والمنحني لزجاجة PET، وسيتم الحصول على إشارة غير موثوقة.

الحل الأمثل:

المستشعر الكهروضوئي العاكس الرجعي هو الحل الأقوى. يستخدم هذا الإعداد مستشعر وعاكس منفصل. ينتج المستشعر شعاعاً ضوئياً ينعكس إلى المستشعر. وعندما تمر زجاجة PET بينهما، فإنها تقطع هذا الشعاع المستقر. يكون الاختلاف الضئيل في انكسار الضوء وانعكاسه بسبب المادة والسطح المنحني للزجاجة كافيًا لمقاطعة مسار الشعاع، مما يعطي زنادًا نظيفًا عالي السرعة. لتحقيق أعلى موثوقية في استشعار الأجسام الواضحة للغاية، يتم استخدام نموذج مزود بمرشح استقطاب لرفض انعكاس الأسطح اللامعة بخلاف العاكس المتخصص.

يضمن هذا النهج المنهجي، الذي ينتقل من المشكلة إلى التكنولوجيا، اختيار جهاز استشعار ليس فقط وظيفيًا، بل مُحسّنًا للتحديات المحددة للتطبيق.

من المستشعر إلى الرمز: التمثيل التخطيطي الصحيح

بعد اختيار جهاز الاستشعار الكهروضوئي العاكس للخلف، فإن الخطوة الثانية هي نمذجته بشكل صحيح على مخطط تخطيطي كهربائي. هذا ليس مجرد تمرين رسم؛ فالرمز التخطيطي هو جزء دقيق من التواصل التقني الذي يخبر أي شخص يقوم ببناء النظام أو استكشاف الأخطاء وإصلاحها أو صيانته. هذه الرموز لها لغة عالمية في المعيار الدولي IEC 60617.

في حالة المستشعر الكهروضوئي الذي اخترناه، فإن أبسط رمز هو المربع، وهو حاوية الجهاز. داخليًا، تشير الرسومات إلى دوره. هنا، يتم تمثيل باعث الضوء ومستقبل الضوء بالرموز، ورمز أنه من النوع العاكس الرجعي.

ومع ذلك، يجب ألا يمثل الرمز تقنية الاستشعار فقط. يجب تحديد تكوينين كهربائيين مهمين: نوع الخرج (PNP مقابل NPN) والحالة المنطقية الافتراضية (NO مقابل NC).

PNP مقابل NPN: هذا يحدد كيفية تبديل خرج المستشعر للحمل الكهربائي.

• PNP (التوريد): يقوم خرج المستشعر بتحويل الجهد الموجب (+) إلى الحمل (على سبيل المثال، مدخلات PLC). عند تنشيطه، يقوم الخرج بتوصيل الحمل بمصدر التيار +24 فولت تيار مستمر. هذا هو المعيار الأكثر شيوعًا في أوروبا وأمريكا الشمالية.
• NPN (غرق): يحوّل خرج المستشعر الوصلة السالبة (-) أو 0 فولت إلى الحمل. عند تنشيطه، يقوم الخرج بتوصيل الحمل بالسكة الحديدية 0V (GND). وهذا أكثر شيوعًا في آسيا.

NO (مفتوح عادةً) مقابل NC (مغلق عادةً): يحدد هذا حالة خرج المستشعر عندما لا يكتشف هدفًا.

• مفتوح عادةً (NO): مفتاح الإخراج مفتوح بشكل افتراضي. عندما يكتشف المستشعر زجاجة PET، يتم إغلاق المفتاح وإرسال إشارة. هذا مثالي لمهام الكشف عن التواجد.
• مغلق عادةً (NC): يتم إغلاق مفتاح الإخراج بشكل افتراضي، مما يوفر إشارة مستمرة. عندما يكتشف المستشعر الزجاجة، يفتح المفتاح، وتنقطع الإشارة. يمكن أن يكون هذا مفيدًا للتطبيقات الآمنة من الفشل، حيث أن السلك المقطوع سينتج نفس حالة الجسم المكتشف.

في تطبيق زجاجات PET لدينا، علينا أن نعد الزجاجات عند ورودها. وبالتالي، فإن الخرج المفتوح عادةً (NO) مناسب. قد يكون خرج PNP خيارًا نموذجيًا بافتراض أن نظام التحكم هو PLC حديث في أمريكا الشمالية.

لذا، فقد استقرينا على مستشعر كهروضوئي عاكس عكسي رجعي، خرج PNP، منطق مفتوح عادةً (NO). ستتم إضافة رموز صغيرة إلى الرمز التخطيطي لتمثيل هذه المواصفات الكاملة، بحيث لا يكون هناك أي غموض على الإطلاق في مخطط الدائرة.

رموز مستشعرات القرب الشائعة ومعانيها

لضمان الوضوح في التصميم التخطيطي والتواصل الفعال عبر الفرق الهندسية، يتم استخدام رموز موحدة لتمثيل أنواع مختلفة من مستشعرات القرب والمرحلات. هذه الرموز، التي يحكمها معيار IEC 60617، ترمز بصريًا إلى وظيفة وتكوين المستشعر دون غموض. فيما يلي تفصيل لرموز مستشعرات القرب الأكثر استخدامًا:

1. استقرائي مستشعر القرب
   1. الرمز: مربع (يمثل مبيت الجهاز) بداخله ملف أو حلقة.
   2. الاستخدام: يكتشف الأجسام المعدنية باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية.
   3. ملاحظة: غالبًا ما تحمل علامة “Ind” أو تتضمن رسم محث.
2. السعة مستشعر القرب
   1. الرمز: مربع به خطان متوازيان (يمثلان صفيحتي مكثف) أو مستطيل مفتوح الأطراف.
   2. الاستخدام: يكتشف كلاً من الأجسام المعدنية وغير المعدنية. يرجى تضمين لقطة شاشة إذا كنت تطلب المزيد من التفاصيل.
   3. ملاحظة: يتضمن أحيانًا خطًا منقطًا أو معرّفًا للمادة داخل المربع.
3. مستشعر كهروضوئي
   1. الرمز: مربع به سهم (شعاع ضوئي) موجه نحو الهدف.
   2. المتغيرات:
      1. منتشر: كل من الباعث والمستقبل في وحدة واحدة.
      2. عاكسة عكسية: سهم ينعكس من عاكس مرموز له.
      3. عبر الشعاع: رموز باعث ومستقبل منفصلة متصلة بخط أو سهم.
   3. الاستخدام: يكتشف الوجود من خلال مقاطعة الضوء.
4. جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية
   1. الرمز: مربع به خطوط منحنية (تمثل الموجات الصوتية) منبعثة من أحد جانبيه.
   2. الاستخدام: مناسبة للأهداف الواضحة أو الشفافة والكشف عن المدى البعيد.
5. المستشعر المخرجات ترميزات النوع (PNP/NPN)
   1. PNP (التوريد): غالبًا ما يُشار إليها بمثلث يشير إلى أعلى أو مكتوب عليها “+”.
   2. NPN (غرق): غالبًا ما يُشار إليها بمثلث يشير إلى الأسفل أو مكتوب عليه “-“.
   3. نصيحة: تتم إضافة هذه الرموز بالقرب من الرمز أو توثيقها في أساطير الأسلاك.
6. الحالة المنطقية (NO/نورث كارولاينا)
   1. مفتوح عادةً (NO): تُظهر الحالة الافتراضية جهة اتصال مفتوحة؛ يتم إغلاقها عند تنشيطها.
   2. مغلق عادةً (NC): تظهر جهة اتصال مغلقة؛ تفتح عند تشغيل المستشعر.
   3. التمثيل: تظهر عادةً في المخططات المساعدة أو كتل التلامس أو التعليقات التوضيحية بالقرب من رمز المستشعر.

جدول ملخص

يضمن فهم هذه الرموز وتطبيقها بشكل صحيح أن تكون مخططات النظام بديهية ومفهومة دوليًا وجاهزة لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها أو التوسع.

التوصيل بـ PLC رسم دائرة التحكم

الرمز التخطيطي هو تمثيل مجرد؛ والغرض الحقيقي منه هو توجيه الأسلاك المادية لدائرة التحكم. يعد دمج المستشعر الكهروضوئي PNP، لا يوجد مستشعر كهروضوئي مع وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) مهمة أساسية في الأتمتة. يتطلب حساس التيار المستمر النموذجي ثلاثي الأسلاك ثلاث وصلات: الطاقة والعامل المشترك والإشارة.

تتكون الدائرة من ثلاثة مكونات رئيسية:

• مصدر الطاقة 24 فولت تيار متردد 24 فولت تيار مستمر: يوفر جهد التشغيل للمستشعر و PLC. له طرف موجب (+) وطرف 0 فولت (مشترك).
• إن مستشعر القرب: لها ثلاثة أسلاك. بالنسبة لمستشعر PNP، عادةً ما تكون مرمزة بالألوان:
  • براون: +24 فولت تيار مستمر (مدخل الطاقة)
  • أزرق: 0 فولت (مشترك)
  • أسود: إخراج الإشارة
• إن المجلس التشريعي الفلسطينيالمدخلات الوحدة النمطية: تحتوي هذه الوحدة على أطراف إدخال متعددة وطرف مشترك. تقرأ حالة الجهد الكهربائي لسلك الإشارة لتحديد ما إذا كان المستشعر “قيد التشغيل” أو “مطفأ”.”

توصيل أسلاك مستشعر PNP (مصدر):

في تكوين PNP، يقوم المستشعر “بمصدر” أو يوفر جهدًا موجبًا لمدخل PLC عندما يكتشف الهدف. تكون الأسلاك على النحو التالي:

• جهاز الاستشعار براون يتصل السلك بالطرف الطرفي +24 فولت تيار مستمر لمصدر الطاقة.
• جهاز الاستشعار أزرق يتصل السلك بطرف 0 فولت لمصدر الطاقة.
• جهاز الاستشعار أسود يتصل سلك الإشارة بطرف إدخال محدد على PLC (على سبيل المثال، I0.0).
• وحدة الإدخال الخاصة بوحدة PLC شائع متصل بالسكة 0 فولت لمصدر الطاقة لإكمال الدائرة.

تمثيل تخطيطي لتدفق التيار (PNP):

+ 24 فولت تيار مستمر ----------------------> سلك بني (مستشعر)
                             |
                             V
                          [المستشعر]
                             |
مدخلات المجلس التشريعي الفلسطيني (I0.0)  السلك الأزرق (المستشعر)
                             |
                             V
                          [مشترك PLC]

عندما يتم الكشف عن زجاجة PET، يقوم المفتاح الداخلي في مستشعر PNP بتوصيل بني (+24 فولت) السلك إلى أسود (إشارة) السلك. يرسل هذا إشارة +24 فولت تيار مستمر إلى طرف إدخال PLC، والتي يسجلها معالج PLC كحالة منطقية “1” أو “عالية”.

على النقيض من أسلاك NPN (الغرق):

للتوضيح، يعمل مستشعر NPN بطريقة معاكسة. إنه “يصرف” التيار من مدخل PLC إلى الأرض. سيتم ربط مدخل PLC المشترك ب +24 فولت تيار مستمر +24 فولت، وسيسحب خرج المستشعر طرف الإدخال إلى 0 فولت عند تنشيطه. يعد التفسير الصحيح لتعيين PNP/NPN على المخطط أمرًا بالغ الأهمية للغاية لتوصيل الأسلاك الوظيفية ومنع تلف المكونات.

النظام الذكي: تقديم مستشعرات IO-Link

على مدى عقود، كان خرج مفتاح القرب دائمًا إشارة ثنائية: تشغيل أو إيقاف تشغيل. يعمل هذا بشكل جيد في مهام التحكم البسيطة، ولكن عملية التصنيع الحالية تتطلب بيانات إضافية ومرونة وذكاءً في جميع مستويات أرضية المصنع. هذا هو مجال IO-Link.

IO-Link ليس شبكة ناقل صناعي ثانٍ مثل EtherNet/IP أو Profinet. يمكّن بروتوكول الاتصال القياسي من نقطة إلى نقطة (IEC 61131-9) كابل استشعار نموذجي من 3 أسلاك من أداء أكثر بكثير من مجرد إشارة تبديل بسيطة. فهو ينشئ واجهة اتصال إلكترونية بين المستشعر ووحدة IO-Link Master، والتي تقوم لاحقًا بتفسير البيانات إلى PLC الرئيسي أو نظام التحكم الرئيسي.

إن القيمة التي تضيفها هذه التقنية إلى تطبيق زجاجات PET لدينا كبيرة:

• بيانات المعالجة: مستشعر IO-Link قادر على إرسال بيانات أكثر تفصيلاً من مجرد تشغيل/إيقاف تشغيل. على سبيل المثال، يمكن أن يعطي قيمة تناظرية لقوة الإشارة، بحيث يمكن للنظام معرفة ما إذا كانت عدسة المستشعر تتسخ تدريجياً قبل فوات الأوان.
• التشخيص: المستشعر قادر على الإبلاغ بشكل استباقي عن صحته وحالته. وهو قادر على توفير تحذيرات من الأعطال الحرجة مثل قصر الدائرة الكهربائية أو ارتفاع درجة الحرارة أو الأعطال الداخلية. وهذا يسمح بالصيانة التنبؤية، حيث يمكن للفنيين حل المشاكل قبل أن تؤدي إلى تعطل غير مخطط له.
• البارامترية: يمكن تعديل إعدادات المستشعر عن بُعد وعلى الفور في المجلس التشريعي المنطقي القابل للبرمجة. عندما يتغير خط الإنتاج إلى نوع زجاجة مختلف قليلاً ويحتاج إلى مستوى حساسية جديد، يمكن إجراء التغيير على الفور في البرنامج دون أن يضطر الفني فعليًا إلى لمس المستشعر واستخدام مفك براغي صغير لتغيير مستوى الحساسية. وهذا أمر ضروري في التطبيقات التي يتم تغييرها بشكل متكرر.

لا يتم تصوير مستشعر IO-Link في رمز تقليدي على مستوى الدائرة في مخطط بنية النظام. بدلاً من ذلك، يتم تصويره ككتلة موسومة متصلة بجهاز IO-Link Master. هذا الجهاز الرئيسي عبارة عن بوابة تقوم بتجميع بيانات العديد من مستشعرات IO-Link وتنقلها عبر شبكة ناقل المجال إلى وحدة التحكم المركزية.

عندما نقوم بترقية مستشعرنا العاكس الرجعي إلى جهاز يدعم وصلة IO-Link، فإننا نحولها إلى مصدر بيانات ذكي، مما يمنحنا الرؤية والتحكم اللازمين في مشاريع الصناعة 4.0 وينتج عنه نظام أتمتة أكثر مرونة وكفاءة ومرونة.

الخاتمة: مخطط الموثوقية

إن الطريق بين مشكلة واقعية، مثل الكشف عن زجاجة شفافة، ودائرة تحكم موثقة بالكامل، هو علم هندسي أساسي. فهو يوضح أن الرموز الموجودة على الرسم التخطيطي ليست رسومات عشوائية، بل هي نتيجة موجزة وفعالة لعملية تحليل واختيار دقيقة.

عندما تبدأ بالتطبيق في جميع الأوقات، تكون مطمئنًا إلى أن التقنية التي اخترتها مناسبة للغرض. باستخدام دراسة الحالة، يمكنك تحويل المتطلبات المجردة إلى حل مادي. يمكن تقنين هذا الحل ليكون مفهومًا للجميع من خلال فهم لغة الرموز ومعايير الأسلاك مثل PNP/NPN. وأخيرًا، عندما تتطلع إلى تكنولوجيا مثل IO-Link، فإنك تبني أنظمة لا تعمل اليوم فحسب، بل أيضًا ذكية ومرنة لمواجهة تحديات الغد. إن هذا النهج المنهجي الشامل هو خارطة الطريق لتصميم أنظمة أتمتة مرنة وقابلة للصيانة وموثوقة حقًا.

شركة OMCH: شريكك في الأتمتة الصناعية

تتم مناقشة النظرية والتطبيق، والاختيار الصحيح للمكونات أمر بالغ الأهمية لنجاح مشروعك. يتم تحديد مدى جودة التصميم التخطيطي المصمم بشكل جيد إلى نظام موثوق وفعال من خلال جودة وتوافر الأجهزة التي تحددها. ولا يقل أهمية التصميم أهمية عن التصميم، وجود سلسلة توريد قوية ودعم فني احترافي.

نحن لا نوفر لشركائنا في التوزيع خطًا كاملاً من مستشعرات القرب فحسب، بدءًا من الوحدات الاستقرائية البسيطة، إلى النماذج الكهروضوئية المتطورة المزودة بإمكانية الربط بالإنترنت، بل نوفر أيضًا الخبرة الفنية في OMCH (https://www.omch.com/). نحن نعلم أن شركاءنا لا يقومون ببساطة بنقل الصناديق، بل يقومون بحل مشاكل الأتمتة المعقدة لعملائهم.

قد تكون مُصنِّع معدات يقوم بترقية خط إنتاج أو مُصنِّع أنظمة يقوم بتصميم نظام تحكم جديد، فلدينا مصدر شامل لقطع غيار الأتمتة الموثوقة. نحن ملتزمون بجعل حلولك فعّالة وكفؤة بمكونات تقدم أداءً وشراكة توفر الثقة.