De l'application au schéma : Guide des symboles et de la sélection des capteurs de proximité

La fiabilité et la précision sont les mesures du succès dans l'automatisation industrielle. Le chemin entre la reconnaissance d'un défi dans la chaîne de production et la mise en place d'un système de contrôle performant est très long. Ce processus ne commence pas par un composant, mais par une question : Que devons-nous faire ? Ce n'est que lorsque l'application est définie que nous pouvons choisir le matériel approprié, le modéliser dans un schéma et l'incorporer dans un circuit de commande.

Ce guide complet vous accompagne tout au long de ce parcours essentiel. Nous commencerons par le problème réel, choisirons la bonne technologie de capteur, appliquerons cette décision au bon symbole standard CEI, l'insérerons dans un circuit PLC fonctionnel et discuterons même des caractéristiques plus avancées des nouveaux capteurs intelligents. Il s'agit du guide ultime pour la transition entre l'application et l'automatisation.

Commencer par l'application : Choisir le bon capteur

La réalité physique de l'application doit être connue avant qu'une seule ligne ne soit tracée sur un schéma. L'erreur la plus fréquente dans la conception d'un système est de choisir un capteur parce qu'il est familier et non parce qu'il est approprié. Pour éviter cela, nous devons commencer par répondre à quatre questions fondamentales sur la cible et son environnement. Il s'agit du matériau, de l'environnement, de la distance et de la précision, qui constituent un cadre de sélection rationnel.

Matériau cible :

L'objet à détecter est-il métallique ou non métallique ? Est-il opaque, transparent ou réfléchissant ? La technologie de détection sous-jacente est principalement déterminée par la composition du matériau.

Fonctionnement Environnement:

Le capteur sera-t-il exposé à des contaminants tels que la poussière, l'huile ou l'eau ? Y a-t-il des températures extrêmes, des vibrations élevées ou un risque d'impact physique ? Le capteur doit être conçu et sa valeur IP (Ingress Protection) doit correspondre à la sévérité de son environnement.

Distance de détection :

Quelle doit être la distance entre la face du capteur et l'objet cible (portée) ? Cette distance nominale peut aller de quelques millimètres à plusieurs mètres.

Précision et la vitesse :

Dans quelle mesure la position de l'objet doit-elle être détectée ? Quelle est la vitesse de déplacement de la cible et quel est le temps de réponse nécessaire au système de contrôle ?

Telles sont les considérations qui guident directement le choix entre les principales familles de capteurs de proximité. Bien qu'il existe de nombreux capteurs spécialisés, les quatre types de capteurs de base peuvent être utilisés pour résoudre la plupart des applications : inductif, capacitif, photoélectrique ou ultrasonique. Pour simplifier cette décision, le tableau ci-dessous présente une matrice de décision.

En parcourant méthodiquement ce tableau, l'ingénieur peut choisir en toute confiance la technologie optimale pour la tâche à accomplir, en s'assurant que les bases du système de contrôle sont saines.

Étude de cas : Détection de bouteilles PET sur un convoyeur

Pour illustrer ce processus de sélection, analysons une application industrielle courante et difficile : la détection fiable de bouteilles en polyéthylène téréphtalate (PET) transparentes sur un convoyeur de ligne d'embouteillage à grande vitesse.

Le problème :

L'objectif est d'obtenir un nombre constant de bouteilles et de déclencher des actions en aval telles que le remplissage ou le bouchage. Les bouteilles sont transparentes, se déplacent rapidement et peuvent présenter de légères variations de position sur le convoyeur.

Le processus d'analyse et d'élimination :

Nous commençons par appliquer nos quatre facteurs clés :

1. Matériau: La cible est le plastique PET, un non-métal. Cela élimine d'emblée les détecteurs inductifs, qui fonctionnent en détectant les modifications d'un champ électromagnétique causées par des objets métalliques.
2. Environnement: L'environnement est relativement propre, mais il peut y avoir de l'humidité ou des lavages. La vitesse est un facteur critique.
3. Distance: Le capteur sera monté à proximité du convoyeur, avec une distance de détection d'environ 100 à 300 mm.
4. Précision: Nous avons besoin d'un signal marche/arrêt fiable pour chaque bouteille.

Les capteurs inductifs n'étant pas envisageables, nous examinons les autres possibilités. Un capteur capacitif serait techniquement capable de détecter le plastique et le liquide qu'il contient, mais sa distance de détection limitée et sa sensibilité éventuelle à l'humidité ambiante en feraient une option moins fiable dans un environnement à grande vitesse, éventuellement humide. Un capteur à ultrasons pourrait être efficace, car il n'est pas sensible à la transparence. Mais il a tendance à être plus lent que les capteurs photoélectriques, en raison de la vitesse de propagation des ondes sonores, et n'est pas bien adapté aux applications à grande vitesse.

Les capteurs photoélectriques sont le résultat logique de ce processus. Cependant, même dans cette famille, il faut prendre une décision. Un capteur photoélectrique diffus typique, qui réfléchit directement la lumière sur la cible, échouerait probablement. La majeure partie de la lumière serait diffusée ou transmise à travers la surface claire et incurvée de la bouteille en PET, et un signal peu fiable serait obtenu.

La solution optimale :

Un capteur photoélectrique rétro-réfléchissant est la solution la plus efficace. Cette configuration utilise un capteur et un réflecteur discret. Le capteur produit un faisceau de lumière qui est réfléchi vers le capteur. Lorsqu'une bouteille en PET passe entre les deux, elle interrompt ce faisceau stable. La différence minime de réfraction et de réflexion de la lumière due au matériau et à la surface incurvée de la bouteille suffit à interrompre la trajectoire du faisceau, ce qui permet un déclenchement net à grande vitesse. Pour obtenir la plus grande fiabilité dans la détection d'objets très clairs, un modèle doté d'un filtre polarisant est utilisé pour rejeter la réflexion des surfaces brillantes autres que le réflecteur spécialisé.

Cette approche méthodique, qui va du problème à la technologie, garantit la sélection d'un capteur non seulement fonctionnel, mais aussi optimisé pour les défis spécifiques de l'application.

Du capteur au symbole : Représentation schématique correcte

Une fois le capteur photoélectrique rétroréfléchissant choisi, la deuxième étape consiste à le modéliser correctement sur un schéma électrique. Il ne s'agit pas d'un simple exercice de dessin ; le symbole du schéma est un élément précis de communication technique qui informe toute personne chargée de la construction, du dépannage ou de l'entretien du système. Ces symboles ont le langage universel de la norme internationale IEC 60617.

Dans le cas du capteur photoélectrique que nous avons choisi, le symbole le plus simple est un carré, qui représente le boîtier de l'appareil. À l'intérieur, des graphiques renvoient à son rôle. Ici, un émetteur et un récepteur de lumière sont représentés par des symboles, et une icône indique qu'il s'agit d'un type rétro-réfléchissant.

Néanmoins, le symbole ne doit pas seulement représenter la technologie de détection. Deux configurations électriques importantes doivent être spécifiées : le type de sortie (PNP ou NPN) et l'état logique par défaut (NO ou NC).

PNP ou NPN : Ceci définit la manière dont la sortie du capteur commute la charge électrique.

• PNP (Sourcing): La sortie du capteur commute la tension positive (+) vers la charge (par exemple, une entrée PLC). Lorsqu'elle est activée, la sortie connecte la charge à l'alimentation +24VDC. Il s'agit de la norme la plus courante en Europe et en Amérique du Nord.
• NPN (Sinking): La sortie du capteur commute la connexion négative (-) ou 0V à la charge. Lorsqu'elle est activée, la sortie connecte la charge au rail 0V (GND). Ce type de capteur est plus courant en Asie.

NO (Normalement ouvert) vs. NC (Normalement fermé) : Cette fonction définit l'état de la sortie du capteur lorsqu'il ne détecte pas de cible.

• Normalement ouvert (NO): L'interrupteur de sortie est ouvert par défaut. Lorsque le capteur détecte la bouteille PET, l'interrupteur se ferme et un signal est envoyé. Cette fonction est idéale pour les tâches de détection de présence.
• Normalement fermé (NC): L'interrupteur de sortie est fermé par défaut, fournissant un signal continu. Lorsque le capteur détecte la bouteille, l'interrupteur s'ouvre et le signal est interrompu. Cela peut être utile pour les applications à sécurité intégrée, car un fil cassé produirait le même état qu'un objet détecté.

Dans notre application de bouteilles PET, nous devons compter les bouteilles au fur et à mesure qu'elles arrivent. Une sortie Normalement Ouverte (NO) est donc appropriée. Une sortie PNP serait une option typique si le système de contrôle est un PLC moderne en Amérique du Nord.

Nous avons donc opté pour un capteur photoélectrique rétro-réfléchissant, sortie PNP, logique normalement ouverte (NO). De petites notations seront ajoutées au symbole schématique pour représenter cette spécification complète, afin qu'il n'y ait aucune ambiguïté sur le schéma de circuit.

Symboles courants des capteurs de proximité et leur signification

Pour assurer la clarté de la conception des schémas et une communication efficace entre les équipes d'ingénieurs, des symboles normalisés sont utilisés pour représenter les différents types de capteurs de proximité et de relais. Ces symboles, régis par la norme IEC 60617, codent visuellement la fonction et la configuration d'un capteur sans ambiguïté. Les symboles les plus couramment utilisés pour les capteurs de proximité sont présentés ci-dessous :

1. Inductif Capteur de proximité
   1. Symbole: Un carré (représentant le boîtier de l'appareil) avec une bobine ou une boucle à l'intérieur.
   2. Utilisation: Détecte les objets métalliques à l'aide de champs électromagnétiques.
   3. Note: Souvent étiqueté avec “Ind” ou inclut un graphique d'inducteur.
2. Capacitif Capteur de proximité
   1. Symbole: Un carré avec deux lignes parallèles (représentant les plaques du condensateur) ou un rectangle ouvert.
   2. Utiliser : Détecte les objets métalliques et non métalliques. Veuillez inclure une capture d'écran si vous souhaitez obtenir plus de détails.
   3. Note: Le carré comporte parfois une ligne pointillée ou un identificateur de matériau à l'intérieur du carré.
3. Capteur photoélectrique
   1. Symbole: Un carré avec une flèche (faisceau lumineux) dirigée vers une cible.
   2. Variantes:
      1. Diffus: L'émetteur et le récepteur sont réunis en une seule unité.
      2. Rétro-réflexion: La flèche est réfléchie par un réflecteur symbolisé.
      3. Faisceau traversant: Symboles séparés de l'émetteur et du récepteur, reliés par une ligne ou une flèche.
   3. Utilisation: Détecte la présence par interruption de la lumière.
4. Capteur à ultrasons
   1. Symbole: Un carré avec des lignes courbes (représentant des ondes sonores) émises d'un côté.
   2. Utilisation: Convient aux cibles claires ou transparentes et à la détection à longue portée.
5. Capteur Sortie Notations de type (PNP/NPN)
   1. PNP (Sourcing): Souvent indiqué par un triangle pointant vers le haut ou marqué d'un “+”.
   2. NPN (Sinking): Souvent indiqué par un triangle pointant vers le bas ou étiqueté “-“.
   3. Conseil: Ces notations sont ajoutées à proximité du symbole ou documentées dans les légendes de câblage.
6. État logique (NO/NC)
   1. Normalement ouvert (NO): L'état par défaut indique un contact ouvert ; il se ferme lorsqu'il est activé.
   2. Normalement fermé (NC): Indique un contact fermé ; s'ouvre lorsque le capteur est déclenché.
   3. Représentation: Généralement indiqué dans les diagrammes auxiliaires, les blocs de contact ou les annotations à proximité du symbole du capteur.

Tableau récapitulatif

La compréhension et l'application correcte de ces symboles garantissent que les schémas des systèmes sont intuitifs, compris au niveau international et prêts pour le dépannage ou l'expansion.

Câblage d'un automate : Dessiner le circuit de commande

Le symbole schématique est une représentation abstraite ; son véritable objectif est de guider le câblage physique du circuit de commande. L'intégration de notre capteur photoélectrique PNP, NO avec un module d'entrée d'automate programmable (PLC) est une tâche fondamentale dans l'automatisation. Un capteur CC à 3 fils typique nécessite trois connexions : alimentation, commun et signal.

Le circuit se compose de trois éléments principaux :

• L'alimentation 24VDC: Fournit la tension de fonctionnement pour le capteur et l'automate. Il possède une borne positive (+) et une borne 0V (commune).
• Les Capteur de proximité: A trois fils. Pour notre capteur PNP, ces fils sont généralement codés par couleur :
  • Marron: +24VDC (entrée d'alimentation)
  • Bleu: 0V (commun)
  • Noir: Sortie du signal
• Les PLCEntrée Module: Ce module possède plusieurs bornes d'entrée et une borne commune. Il lit l'état de la tension du fil de signal pour déterminer si le capteur est “allumé” ou “éteint”.”

Câblage d'un capteur PNP (source) :

Dans une configuration PNP, le capteur fournit une tension positive à l'entrée de l'automate lorsqu'il détecte la cible. Le câblage est le suivant :

• Le capteur Marron se connecte à la borne +24VDC de l'alimentation.
• Le capteur Bleu se connecte à la borne 0V de l'alimentation.
• Le capteur Noir se connecte à une borne d'entrée spécifique de l'automate (par exemple, I0.0).
• Le module d'entrée du PLC Communs est connectée au rail 0V de l'alimentation pour compléter le circuit.

Représentation schématique du flux de courant (PNP) :

+24VDC ----------------------> Fil brun (capteur)
                             |
                             V
                          [Capteur]
                             |
Entrée PLC (I0.0)  Fil bleu (capteur)
                             |
                             V
                          [Commun PLC]

Lorsque la bouteille PET est détectée, l'interrupteur interne du capteur PNP connecte l'élément Marron (+24V) au fil de la Noir (signal) fil. Cela envoie un signal +24VDC à la borne d'entrée de l'automate, que le processeur de l'automate enregistre comme un état logique “1” ou “haut”.

Contraster avec le câblage NPN (Sinking) :

Pour plus de clarté, un capteur NPN fonctionne de manière opposée. Il “évacue” le courant de l'entrée de l'automate vers la terre. Le commun de l'entrée de l'automate serait lié à +24VDC, et la sortie du capteur tirerait la borne d'entrée vers le bas jusqu'à 0V lorsqu'elle est activée. L'interprétation correcte de la désignation PNP/NPN sur le schéma est absolument essentielle pour un câblage fonctionnel et pour éviter d'endommager les composants.

Le système intelligent : Présentation des capteurs IO-Link

Au fil des décennies, la sortie d'un détecteur de proximité a toujours été un signal binaire : ON ou OFF. Cela fonctionne bien pour les tâches de contrôle simples, mais le processus de fabrication actuel exige des données supplémentaires, de la flexibilité et de l'intelligence à tous les niveaux de l'usine. C'est le domaine de IO-Link.

IO-Link n'est pas un second réseau de bus industriel comme EtherNet/IP ou Profinet. Un protocole de communication point à point normalisé (CEI 61131-9) permet à un câble de capteur typique à 3 fils d'effectuer bien plus qu'un simple signal de commutation. Il établit une interface de communication électronique entre le capteur et un module maître IO-Link, qui interprète ensuite les données vers l'automate principal ou le système de contrôle.

La valeur ajoutée de cette technologie à notre application de bouteilles PET est significative :

• Données du processus: Le capteur IO-Link est capable d'envoyer des données plus détaillées qu'un simple ON/OFF. Par exemple, il peut fournir une valeur analogique de l'intensité du signal, de sorte que le système puisse savoir si la lentille du capteur se salit progressivement avant qu'il ne soit trop tard.
• Diagnostics: Le capteur est capable de signaler de manière proactive son état de santé et son statut. Il est capable de fournir des avertissements en cas de défaillances critiques telles qu'un court-circuit, une surchauffe ou des défaillances internes. Cela permet une maintenance prédictive, grâce à laquelle les techniciens peuvent résoudre les problèmes avant qu'ils n'entraînent des temps d'arrêt imprévus.
• Paramétrage: Les réglages du capteur à distance et à la volée peuvent être modifiés au niveau de l'automate. Lorsque la ligne de production passe à un type de bouteille légèrement différent qui nécessite un nouveau niveau de sensibilité, le changement peut être effectué immédiatement dans le logiciel sans que le technicien n'ait à toucher physiquement le capteur et à utiliser un petit tournevis pour modifier le niveau de sensibilité. Ceci est essentiel pour les applications qui sont fréquemment modifiées.

Un capteur IO-Link n'est pas représenté par un symbole conventionnel au niveau du circuit dans un diagramme d'architecture de système. Il est plutôt représenté comme un bloc étiqueté qui est attaché à un maître IO-Link. Ce dispositif maître est une passerelle qui regroupe les données de plusieurs capteurs IO-Link et les transmet au contrôleur central via un réseau de bus de terrain.

Lorsque nous faisons évoluer notre capteur rétroréfléchissant vers un dispositif compatible IO-Link, nous le transformons en une source de données intelligente, qui nous offre la visibilité et le contrôle nécessaires dans les projets de l'industrie 4.0 et permet d'obtenir un système d'automatisation plus résilient, plus efficace et plus flexible.

Conclusion : Le schéma directeur de la fiabilité

Le chemin entre un problème réel, tel que la détection d'une bouteille transparente, et un circuit de contrôle entièrement documenté est une science fondamentale de l'ingénierie. Il montre que les symboles d'un schéma ne sont pas des dessins aléatoires ; ils sont le résultat succinct et puissant d'un processus exigeant d'analyse et de choix.

Lorsque vous partez toujours de l'application, vous avez la certitude que la technologie que vous avez choisie est adaptée à l'objectif visé. À l'aide d'une étude de cas, vous transformez des exigences abstraites en une solution physique. Cette solution peut être codifiée pour être comprise par tous grâce à la compréhension du langage des symboles et des normes de câblage telles que PNP/NPN. Enfin, lorsque vous vous projetez dans une technologie telle que IO-Link, vous construisez des systèmes qui sont non seulement opérationnels aujourd'hui, mais aussi intelligents et flexibles pour relever les défis de demain. C'est cette approche systématique, de bout en bout, qui constitue la feuille de route pour la conception de systèmes d'automatisation résilients, faciles à entretenir et véritablement fiables.

OMCH : Votre partenaire en automatisation industrielle

La théorie et la pratique sont discutées, et la bonne sélection des composants est cruciale pour la réussite de votre projet. La qualité et la disponibilité du matériel que vous spécifiez déterminent dans quelle mesure un schéma bien conçu se traduira par un système fiable et fonctionnel. Une chaîne d'approvisionnement solide et une assistance technique professionnelle sont tout aussi importantes que la conception.

Nous ne fournissons pas seulement à nos partenaires de distribution une gamme complète de détecteurs de proximité, allant des simples unités inductives aux modèles photoélectriques sophistiqués avec capacité IO-Link, mais aussi l'expertise technique d'OMCH (https://www.omch.com/). Nous savons que nos partenaires ne se contentent pas de déplacer des boîtes, mais qu'ils résolvent des problèmes d'automatisation complexes pour leurs clients.

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