От приложения к схеме: Руководство по обозначениям и выбору датчиков приближения

Надежность и точность - мерило успеха в промышленной автоматизации. Путь между признанием проблемы на производственной линии и созданием мощной системы управления - серьезный. Этот процесс начинается не с компонента, а с вопроса: Что нам нужно сделать? Только после определения области применения мы можем выбрать подходящее оборудование, смоделировать его на схеме и включить в цепь управления.

Данное подробное руководство поможет вам пройти этот важный путь. Мы начнем с решения реальной задачи, выберем правильную технологию датчика, применим это решение к правильному символу стандарта IEC, вставим его в рабочую схему ПЛК и даже обсудим более продвинутые функции новых интеллектуальных датчиков. Это самое полное руководство по переходу от применения к автоматизации.

Начните с приложения: Выбор правильного датчика

Физическая реальность приложения должна быть известна до того, как на схеме будет нарисована хоть одна линия. Наиболее частой ошибкой при проектировании систем является выбор датчика, потому что он знаком, а не потому, что он подходит. Чтобы избежать этого, необходимо начать с ответов на четыре основных вопроса об объекте и его окружении. Эти вопросы - "Материал", "Окружающая среда", "Расстояние" и "Точность" - являются основой для рационального выбора.

Целевой материал:

Является ли обнаруживаемый объект металлическим или неметаллическим? Непрозрачный, прозрачный или отражающий? Технология, лежащая в основе сенсора, в основном определяется составом материала.

Работа Окружающая среда:

Будет ли датчик подвергаться воздействию загрязняющих веществ, таких как пыль, масло или вода? Существуют ли экстремальные температуры, высокая вибрация или возможность физического воздействия? Датчик должен быть спроектирован и его IP (Ingress Protection) должен соответствовать серьезности окружающей среды.

Расстояние обнаружения:

На каком расстоянии друг от друга должны находиться поверхности датчика и целевой объект (диапазон чувствительности)? Этот номинальный диапазон может составлять от нескольких миллиметров до нескольких метров.

Точность и скорость:

В какой степени должно быть определено положение объекта? С какой скоростью движется объект и какое время реакции требуется системе управления?

Именно эти соображения непосредственно определяют выбор между основными семействами датчиков приближения. Хотя существует множество специализированных датчиков, для решения большинства задач можно использовать четыре основных типа датчиков: индуктивные, емкостные, фотоэлектрические и ультразвуковые. Чтобы упростить принятие решения, в таблице ниже приведена матрица принятия решений.

Методично прорабатывая эту таблицу, инженер может с уверенностью выбрать оптимальную технологию для решения поставленной задачи, обеспечив надежную основу системы управления.

Конкретный пример: Обнаружение ПЭТ-бутылок на конвейере

Чтобы проиллюстрировать этот процесс выбора, давайте проанализируем распространенную и сложную промышленную задачу: надежное обнаружение прозрачных бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТ) на высокоскоростном конвейере линии розлива.

Проблема:

Цель - получить последовательное количество бутылок и запустить последующие действия, такие как розлив или укупорка. Бутылки прозрачны, быстро перемещаются и могут иметь небольшие отклонения в положении на конвейере.

Процесс анализа и устранения:

Начнем с применения наших четырех ключевых факторов:

1. Материал: Мишенью является пластик ПЭТ - неметалл. Это сразу исключает индуктивные датчики, которые работают, обнаруживая изменения в электромагнитном поле, вызванные металлическими объектами.
2. Окружающая среда: Окружающая среда относительно чистая, но может быть связана с влажностью или промывкой. Скорость является критическим фактором.
3. Расстояние: Датчик устанавливается рядом с конвейером, расстояние срабатывания составляет примерно 100-300 мм.
4. Точность: Нам нужен надежный сигнал включения/выключения для каждой бутылки.

Поскольку индуктивные датчики не подходят, мы рассмотрим другие возможности. Емкостной датчик технически сможет почувствовать пластик и жидкость внутри него, но его ограниченное расстояние срабатывания и возможная чувствительность к влажности окружающей среды будут менее надежным вариантом в высокоскоростной и, возможно, влажной среде. Ультразвуковой датчик может быть эффективным, поскольку он не чувствителен к прозрачности. Но он работает медленнее, чем фотоэлектрический, из-за скорости распространения звуковой волны и не очень подходит для высокоскоростных приложений.

Логичным результатом этого процесса являются фотоэлектрические датчики. Однако даже в этом семействе необходимо принимать решение. Типичный диффузный фотоэлектрический датчик, который напрямую отражает свет от цели, скорее всего, не сработает. Большая часть света будет рассеяна или пропущена через прозрачную, изогнутую поверхность ПЭТ-бутылки, и сигнал будет ненадежным.

Оптимальное решение:

Фотоэлектрический датчик с обратным отражением - самое сильное решение. В этой системе используется датчик и дискретный отражатель. Датчик испускает луч света, который отражается обратно на датчик. Когда между ними проходит ПЭТ-бутылка, она прерывает этот стабильный луч. Минимальная разница в преломлении и отражении света из-за материала и изогнутой поверхности бутылки достаточна для прерывания луча, что обеспечивает чистое высокоскоростное срабатывание. Для достижения максимальной надежности при считывании очень четких объектов используется модель с поляризационным фильтром, чтобы исключить отражение от блестящих поверхностей, отличных от специализированного отражателя.

Такой методичный подход, идущий от проблемы к технологии, обеспечивает выбор датчика, который не просто функционален, но и оптимизирован для решения конкретных задач.

От датчика к символу: Правильное представление схемы

После того как выбран светоотражающий фотоэлектрический датчик, второй шаг - правильно смоделировать его на электрической схеме. Это не просто упражнение по рисованию; условное обозначение схемы - это точная часть технической коммуникации, которая подсказывает любому, кто строит, устраняет неполадки или обслуживает систему. Эти символы имеют универсальный язык в международном стандарте IEC 60617.

В случае с выбранным нами фотоэлектрическим датчиком самым простым символом является квадрат, который представляет собой корпус устройства. Внутри графика обозначает его роль. Здесь символами представлены светоизлучатель и светоприемник, а также значок, указывающий на то, что он светоотражающего типа.

Тем не менее, символ должен представлять не только технологию считывания. Необходимо указать две важные электрические конфигурации: тип выхода (PNP против NPN) и логическое состояние по умолчанию (NO против NC).

PNP против NPN: Определяет, как выход датчика переключает электрическую нагрузку.

• PNP (источник): Выход датчика подает положительное (+) напряжение на нагрузку (например, на вход ПЛК). При активации выход подключает нагрузку к источнику питания +24 В постоянного тока. Это наиболее распространенный стандарт в Европе и Северной Америке.
• NPN (тонущий): Выход датчика переключает отрицательное (-) или 0В соединение с нагрузкой. При активации выход подключает нагрузку к шине 0 В (GND). Это более распространено в Азии.

NO (нормально открытый) против NC (нормально закрытый): Определяет состояние выхода датчика, когда он не обнаруживает цель.

• Нормально открытый (NO): По умолчанию выходной переключатель разомкнут. Когда датчик обнаруживает ПЭТ-бутылку, переключатель замыкается, и посылается сигнал. Это идеальный вариант для задач обнаружения присутствия.
• Нормально закрытый (NC): Выходной переключатель по умолчанию замкнут, обеспечивая непрерывный сигнал. Когда датчик обнаруживает бутылку, переключатель размыкается, и сигнал прерывается. Это может быть полезно для отказоустойчивых приложений, поскольку оборванный провод будет выдавать то же состояние, что и обнаруженный объект.

В нашем приложении для ПЭТ-бутылок мы должны считать бутылки по мере их поступления. Таким образом, подходит нормально открытый выход (NO). Выход PNP будет типичным вариантом, если система управления представляет собой современный ПЛК в Северной Америке.

Итак, мы остановились на ретро-отражающем фотоэлектрическом датчике, PNP-выходе, нормально-открытой (NO) логике. Чтобы на схеме не было никаких двусмысленностей, к обозначению схемы будут добавлены небольшие обозначения.

Общие символы датчиков приближения и их значения

Для обеспечения ясности при разработке схем и эффективной коммуникации между инженерными группами используются стандартные символы для обозначения различных типов датчиков приближения и реле. Эти символы, регулируемые стандартом IEC 60617, визуально кодируют функцию и конфигурацию датчика без двусмысленности. Ниже приведены наиболее часто используемые символы датчиков приближения:

1. Индуктивный Датчик приближения
   1. Символ: Квадрат (представляющий собой корпус устройства) с катушкой или петлей внутри.
   2. Используйте: Обнаруживает металлические предметы с помощью электромагнитных полей.
   3. Примечание: Часто маркируется “Ind” или содержит графическое изображение индуктора.
2. Емкостной Датчик приближения
   1. Символ: Квадрат с двумя параллельными линиями (представляющими пластины конденсатора) или открытый прямоугольник.
   2. Используйте: Обнаруживает металлические и неметаллические объекты. Пожалуйста, приложите скриншот, если вы хотите получить более подробную информацию.
   3. Примечание: Иногда включает пунктирную линию или идентификатор материала внутри квадрата.
3. Фотоэлектрический датчик
   1. Символ: Квадрат со стрелкой (лучом света), направленным на цель.
   2. Варианты:
      1. Диффузный: Излучатель и приемник в одном устройстве.
      2. Светоотражающие: Стрелка отражается от символического отражателя.
      3. Сквозная балка: Отдельные символы излучателя и приемника, соединенные линией или стрелкой.
   3. Используйте: Обнаруживает присутствие благодаря прерыванию света.
4. Ультразвуковой датчик
   1. Символ: Квадрат с изогнутыми линиями (представляющими звуковые волны), испускаемыми с одной стороны.
   2. Используйте: Подходит для прозрачных или прозрачных целей и обнаружения на больших расстояниях.
5. Датчик Выход Обозначения типов (PNP/NPN)
   1. PNP (источник): Часто обозначается направленным вверх треугольником или знаком “+”.
   2. NPN (тонущий): Часто обозначается направленным вниз треугольником или знаком “-“.
   3. Наконечник: Эти обозначения добавляются рядом с символом или указываются в легендах электропроводки.
6. Логическое состояние (НЕТ/NC)
   1. Нормально открытый (NO): В состоянии по умолчанию контакт разомкнут; при активации он замыкается.
   2. Нормально закрытый (NC): Показывает замкнутый контакт; размыкается при срабатывании датчика.
   3. Представительство: Обычно отображается на вспомогательных схемах, контактных блоках или в аннотациях рядом с символом датчика.

Сводная таблица

Понимание и правильное применение этих символов гарантирует, что схемы системы будут интуитивно понятны, международны и готовы к устранению неисправностей или расширению.

Подключение к ПЛК: Чертеж цепи управления

Схематический символ - это абстрактное представление; его истинное назначение - направлять физическое подключение схемы управления. Интеграция нашего фотоэлектрического датчика PNP, NO с модулем ввода программируемого логического контроллера (ПЛК) является фундаментальной задачей в области автоматизации. Типичный трехпроводной датчик постоянного тока требует трех соединений: питания, общего и сигнального.

Схема состоит из трех основных компонентов:

• Источник питания 24 В постоянного тока: Обеспечивает рабочее напряжение для датчика и ПЛК. Имеет положительную (+) клемму и клемму 0 В (общую).
• Сайт Датчик приближения: Имеет три провода. Для нашего датчика PNP они обычно имеют цветовую маркировку:
  • Коричневый: +24 В постоянного тока (вход питания)
  • Голубой: 0 В (общий)
  • Черный: Выход сигнала
• Сайт ПЛКВход Модуль: Этот модуль имеет несколько входных клемм и общую клемму. Он считывает состояние напряжения на сигнальном проводе, чтобы определить, включен или выключен датчик.“

Подключение датчика PNP (источник питания):

В конфигурации PNP датчик подает положительное напряжение на вход ПЛК, когда обнаруживает цель. Подключение осуществляется следующим образом:

• Датчик Коричневый провод подключается к клемме +24 В постоянного тока источника питания.
• Датчик Голубой Провод подключается к клемме 0 В источника питания.
• Датчик Черный сигнальный провод подключается к определенной входной клемме ПЛК (например, I0.0).
• Модуль ввода ПЛК Общий клемма подключается к шине 0 В источника питания для завершения цепи.

Диаграммное представление протекания тока (PNP):

+24VDC ----------------------> Коричневый провод (датчик)
                             |
                             V
                          [Датчик]
                             |
Вход ПЛК (I0.0)  Синий провод (датчик)
                             |
                             V
                          [PLC Common]

При обнаружении ПЭТ-бутылки внутренний переключатель в датчике PNP соединяет Коричневый (+24 В) провод к Черный (сигнал) провод. Это посылает сигнал +24 В постоянного тока на входную клемму ПЛК, который процессор ПЛК регистрирует как логическую “1” или “высокий” уровень.

В отличие от проводки NPN (тонущей):

Для наглядности, датчик NPN работает противоположным образом. Он “отводит” ток со входа ПЛК на землю. Общий вход ПЛК должен быть привязан к +24 В постоянного тока, а выход датчика при активации будет тянуть входную клемму вниз до 0 В. Правильная интерпретация обозначения PNP/NPN на схеме абсолютно важна для функционального подключения и предотвращения повреждения компонентов.

Интеллектуальная система: Представляем датчики IO-Link

На протяжении десятилетий выходной сигнал бесконтактного датчика всегда был двоичным: ВКЛ или ВЫКЛ. Это хорошо работает в простых задачах управления, но современный производственный процесс требует дополнительных данных, гибкости и интеллектуальности на всех уровнях заводского цеха. Это и есть область применения IO-Link.

IO-Link - это не вторая промышленная шинная сеть, такая как EtherNet/IP или Profinet. Стандартизированный протокол связи "точка-точка" (IEC 61131-9) позволяет обычному трехжильному кабелю датчика выполнять гораздо больше функций, чем простой коммутационный сигнал. Он устанавливает электронный интерфейс связи между датчиком и модулем IO-Link Master, который впоследствии интерпретирует данные для главного ПЛК или системы управления.

Эта технология привносит значительную ценность в наше производство ПЭТ-бутылок:

• Данные процесса: Датчик IO-Link способен передавать более подробные данные, чем просто ON/OFF. Например, он может передавать аналоговое значение уровня сигнала, чтобы система могла узнать, постепенно ли загрязняется линза датчика, пока не стало слишком поздно.
• Диагностика: Датчик способен проактивно сообщать о своем состоянии и здоровье. Он способен предупреждать о таких критических неисправностях, как короткое замыкание, перегрев или внутренние неисправности. Это позволяет проводить профилактическое обслуживание, благодаря чему технические специалисты могут устранять проблемы до того, как они приведут к незапланированному простою.
• Параметризация: Удаленные настройки датчика можно изменять на ПЛК "на лету". Когда производственная линия переходит на другой тип бутылок, требующий нового уровня чувствительности, изменение может быть немедленно выполнено в программном обеспечении без необходимости физического прикосновения технического специалиста к датчику и использования крошечной отвертки для изменения уровня чувствительности. Это очень важно для приложений, в которые часто вносятся изменения.

Датчик IO-Link не изображается в виде обычного символа на уровне схемы на диаграмме архитектуры системы. Вместо этого он изображается в виде маркированного блока, подключенного к ведущему устройству IO-Link. Это ведущее устройство является шлюзом, который объединяет данные нескольких датчиков IO-Link и передает их по сети промышленной шины на центральный контроллер.

Когда мы модернизируем наш светоотражающий датчик до устройства с поддержкой IO-Link, мы превращаем его в интеллектуальный источник данных, что обеспечивает нам видимость и контроль, необходимые в проектах Industry 4.0, и приводит к созданию более устойчивой, эффективной и гибкой системы автоматизации.

Заключение: Проект надежности

Путь между реальной задачей, такой как обнаружение прозрачной бутылки, и полностью документированной схемой управления - это фундаментальная инженерная наука. Он показывает, что символы на схеме - это не случайные рисунки; это лаконичный и мощный результат тщательного процесса анализа и выбора.

Если вы всегда начинаете с приложения, вы можете быть уверены, что выбранная вами технология подходит для конкретной цели. Используя конкретный пример, вы превращаете абстрактные требования в физическое решение. Это решение может быть кодифицировано, чтобы быть понятным всем, благодаря пониманию языка символов и стандартов проводки, таких как PNP/NPN. И наконец, если вы смотрите вперед, на такие технологии, как IO-Link, вы создаете системы, которые не только работают сегодня, но и являются интеллектуальными и гибкими для решения задач завтрашнего дня. Именно такой систематический, сквозной подход является дорожной картой для проектирования систем автоматизации, которые отличаются устойчивостью, ремонтопригодностью и подлинной надежностью.

OMCH: ваш партнер в области промышленной автоматизации

Обсуждаются теория и практика, а правильный выбор компонентов имеет решающее значение для успеха вашего проекта. Насколько хорошо разработанная схема воплотится в надежную, функционирующую систему, зависит от качества и доступности указанного вами оборудования. Не менее важна, чем дизайн, прочная цепочка поставок и профессиональная техническая поддержка.

Мы не только предоставляем нашим партнерам по сбыту полную линейку датчиков приближения, начиная с простых индуктивных устройств и заканчивая сложными фотоэлектрическими моделями с поддержкой IO-Link, но и обеспечиваем техническую экспертизу в OMCH (https://www.omch.com/). Мы знаем, что наши партнеры не просто перемещают коробки, они решают сложные проблемы автоматизации для своих клиентов.

Если вы являетесь производителем оборудования, модернизирующим производственную линию, или системным интегратором, разрабатывающим новую систему управления, у нас есть универсальный источник надежных деталей для автоматизации. Мы стремимся сделать ваши решения эффективными и действенными с помощью компонентов, которые обеспечивают производительность, и партнерства, которое обеспечивает уверенность.