در سیستم های کنترل اتوماسیون صنعتی، سوئیچ های محدود جزء کلیدی برای تبدیل حرکت مکانیکی به سیگنال الکتریکی است و عملکردهای اصلی تشخیص موقعیت، کنترل ضربه و حفاظت ایمنی را دارد. تنوع سیگنال خروجی به طور مستقیم انعطاف پذیری تطبیق با کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی را تعیین می کند. در این مقاله، نوع سیگنال خروجی، اصل کار، اتصالات سخت افزاری و برنامه نویسی منطقی سوئیچ های محدود به طور مفصل مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد که مرجع فنی برای طراحی سیستم کنترل صنعتی است.
نوع سیگنال خروجی برای سوئیچ‌های موقعیت محدود{{0}
سیگنال خروجی سوئیچ های محدود به دو نوع اصلی تقسیم می شود: نوع تماس و نوع غیر تماسی. بدون تماس همچنین شامل انواع مسیرهای فنی مانند روش های القایی، خازنی، فوتوالکتریک، مغناطیسی و اولتراسونیک می باشد. انواع مختلف سوئیچ های محدود تفاوت های آشکاری را در ویژگی های سیگنال، سناریوهای کاربردی و روش های تطبیق با حلقه های قفل شده فاز نشان می دهند.
1.تماس با سوئیچ های حد
سوئیچ های محدود کنتاکت با باز و بسته کردن کنتاکت مکانیکی سیگنال خروجی را متوجه می شوند. ساختار هسته آنها از یک مکانیسم عملیاتی، یک سیستم تماس و یک فنر تنظیم مجدد تشکیل شده است. هنگامی که اجزای متحرک با مکانیسم عامل تماس پیدا می کنند، سیستم تماس حالت خود را تغییر می دهد و یک سیگنال الکتریکی تولید می کند. با توجه به وضعیت تماس، سوئیچ های حد تماس را می توان به انواع باز (NO) و معمولا بسته (NC) تقسیم کرد:
- Normal Open (NO): در حالت پیش فرض، مخاطب باز است و هیچ سیگنال خروجی وجود ندارد. هنگامی که توسط یک جزء متحرک تحریک می شود، تماس بسته می شود و سیگنال الکتریکی ارسال می کند.
- Normal Close (NC): مخاطب به طور پیش فرض بسته است، با خروجی پیوسته. هنگامی که توسط یک جزء متحرک فعال می شود، تماس باز می شود و سیگنال را قطع می کند.
- سوئیچ محدود تماس دارای مزایای ساختار ساده، هزینه کم و توانایی ضد پارگی قوی است. این به طور گسترده در ماشین ابزار، آسانسور و خطوط نقاله استفاده می شود. با این حال، تماس های مکانیکی آنها مستعد ساییدگی و پارگی هستند، عمر مفید آنها تحت تأثیر فراوانی استفاده قرار می گیرد و سرعت پاسخ آنها نسبتاً آهسته (معمولاً در میلی ثانیه) است.
2. غیر{1}}سوئیچ محدودیت تماس
سوئیچ های محدود بدون تماس، تغییرات در مقادیر فیزیکی (مانند اندوکتانس، خازن، شدت نور یا قدرت میدان مغناطیسی) بین جسم هدف و سنسور را برای دستیابی به یک سیگنال خروجی بدون تماس مکانیکی تشخیص می دهند. با سرعت پاسخ بالا، عمر طولانی و قابلیت اطمینان بالا مشخص می شود. با توجه به اصول تشخیص آن، سوئیچ های محدود بدون تماس را می توان به انواع زیر تقسیم کرد:
(1) سوئیچ های حد القایی
سوئیچ های حد القایی با استفاده از اصول القای الکترومغناطیسی اجسام فلزی را تشخیص می دهند. هنگامی که هدف فلزی وارد محدوده تشخیص سنسور می شود، دامنه مدار نوسانی کاهش می یابد و باعث خروجی سیگنال می شود. سیگنال های خروجی آنها معمولاً یک سیگنال سوئیچ (سطوح بالا/پایین) است که می تواند مستقیماً به یک ماژول ورودی دیجیتال PLC متصل شود. سوئیچ های حد القایی برای سناریوهای تشخیص فلز مانند تشخیص موقعیت ابزار و مرتب سازی اجزای فلزی در ماشین ابزار مناسب هستند.
(2) سوئیچ های محدود خازنی
ظرفیت سیگنال های خروجی بین شی هدف و الکترود حسگر توسط کلید محدود کننده ظرفیت شناسایی می شود. هنگامی که یک هدف غیر فلزی، مانند مواد پلاستیکی، مایع یا ذرات، وارد محدوده تشخیص می شود، مقدار خازن تغییر می کند و یک سیگنال خروجی را راه اندازی می کند. سیگنال های خروجی آنها نیز یک سیگنال مبادله ای است، اما فاصله تشخیص آنها کوتاهتر از انواع القایی است و بیشتر تحت تأثیر رطوبت و دمای محیط قرار می گیرند. سوئیچ های محدود خازنی اغلب در تشخیص سطح مواد و تعیین موقعیت دستگاه بسته بندی استفاده می شود.
(3) سوئیچ های حد فوتوالکتریک
سوئیچ محدود فوتوالکتریک شی مورد نظر را با اثر فوتوالکتریک تشخیص می دهد. بسته به محدوده نوری آنها، آنها را می توان به فرستنده، بازتابنده و بازتابنده پخش طبقه بندی کرد:
چراغ انتقال: فرستنده ها و گیرنده ها به طور جداگانه نصب می شوند. هنگامی که یک جسم هدف مسیر نور را مسدود می کند، سیگنالی را ایجاد می کند. فاصله تشخیص آنها (تا چند ده متر) آنها را برای موقعیت یابی از راه دور مناسب می کند.
انعکاس: فرستنده و گیرنده در یک واحد ادغام شده اند. یک بازتابنده برای به کار انداختن سیگنالی لازم است که هنگامی که یک جسم هدف نور را به گیرنده منعکس می کند، فعال می شود. فاصله تشخیص آنها متوسط است.
بازتابی پراکنده: فرستنده و گیرنده نیز در یک واحد ادغام شده اند. سیگنال زمانی فعال می شود که نور از سطح شی هدف به گیرنده بدون نیاز به بازتابنده پخش شود. با این حال، فواصل تشخیص آنها نسبتاً کوتاه است (معمولاً کمتر از 1 متر) که آنها را برای موقعیت یابی نزدیک مناسب می کند.
سرعت پاسخ سیگنال سوئیچ خروجی {0}موقعیت محدود فتوولتائیک (محدوده میکروثانیه)، به طور گسترده در خطوط تولید خودکار، مرتب‌سازی لجستیک، موقعیت‌یابی ربات و سایر سناریوها استفاده می‌شود.
(4) سوئیچ های حد مغناطیسی
سوئیچ های محدود مغناطیسی از اثر هال یا اثر مغناطیسی مقاومتی برای تشخیص تغییر میدان مغناطیسی استفاده می کنند. هنگامی که یک جسم مغناطیسی، مانند یک آهنربای دائمی، وارد محدوده تشخیص می شود، سنسور یک سیگنال الکتریکی تولید می کند. سیگنال‌های خروجی آنها یک سیگنال خاموش{2} با مقاومت در برابر گیر کردن قوی است که آن را برای تشخیص موقعیت در محیط‌های خشن (مانند روغن و گرد و غبار)، مانند بازخورد موقعیت سیلندر هیدرولیک و تشخیص باز شدن سوپاپ مناسب می‌کند.
(5) سوئیچ های حد التراسونیک
سوئیچ محدود اولتراسونیک با انتشار امواج اولتراسونیک و تشخیص زمان اکو اندازه گیری فاصله را تغییر می دهد. هنگامی که جسم مورد نظر وارد یک محدوده تنظیم شده می شود، سنسور یک سیگنال الکتریکی خروجی می دهد. سیگنال‌های خروجی آنها می‌تواند سیگنال‌های سوئیچینگ یا سیگنال‌های آنالوگ (مقادیر فاصله)، مناسب برای سناریوهای تشخیص فاصله بدون تماس مانند تشخیص ارتفاع پشته مواد و اجتناب از موانع ربات باشد.
روش‌های تطبیق کلیدهای محدود و حلقه قفل فاز
به منظور اطمینان از انتقال قابل اعتماد سیگنال و منطق منطقی کنترل صحیح، لازم است اتصالات سخت افزاری و برنامه ریزی منطقی را برای تطبیق سوئیچ موقعیت محدود با فاز-حلقه قفل شده ترکیب کنید.
1. اتصال سخت افزاری
(1) تطبیق منبع تغذیه
ولتاژ تغذیه سوئیچ های محدود باید با سطح ولتاژ ماژول ورودی PLC مطابقت داشته باشد. ماژول‌های ورودی PLC معمولی از منابع تغذیه DC24V یا AC220V پشتیبانی می‌کنند، در حالی که سوئیچ‌های موقعیت محدود معمولاً روی DC12V، DC24V یا AC220V کار می‌کنند. اگر ولتاژ مطابقت نداشت، می توانید از یک ماژول تبدیل توان (مانند مبدل DC-DC) یا رله برای تنظیم استفاده کنید.
(2) تطبیق نوع سیگنال
نوع سیگنال خروجی (NPN یا PNP) سوئیچ های محدود باید با نوع دریافت سیگنال ماژول ورودی PLC مطابقت داشته باشد:
- سوئیچ های محدود NPN: ترمینال خروجی به ترمینال مشترک (COM) و انتهای زمین (GND) ماژول ورودی PLC وصل می شود و خط سیگنال به نقطه ورودی PLC متصل می شود. هنگامی که راه اندازی می شود، خط سیگنال به زمین منتقل می شود و نقطه ورودی PLC یک سیگنال سطح پایین{1}} را تشخیص می دهد.
- سوئیچ های محدود PNP: ترمینال خروجی به ترمینال مشترک (COM) و منبع تغذیه مثبت (VCC) ماژول ورودی PLC متصل می شود و خط سیگنال به نقطه ورودی PLC متصل می شود. هنگامی که راه اندازی می شود، خط سیگنال به منبع تغذیه مثبت متصل می شود و نقطه ورودی PLC سیگنال پیشرفته را تشخیص می دهد.
- اگر نوع سیگنال سوئیچ محدود با PLC مطابقت نداشته باشد، می‌توان از یک ماژول تبدیل سیگنال (مانند مبدل‌های NPN-PNP) یا رله برای تبدیل استفاده کرد.
(3) بهینه سازی سیم کشی
به منظور بهبود قابلیت‌های ضد تداخل سیستم، هنگام اتصال یک سوئیچ محدود به یک حلقه قفل فاز- اصول زیر باید رعایت شود:
- استفاده از کابل محافظ: در صورت انتقال از راه دور یا تداخل جدی الکترومغناطیسی، از کابل محافظ برای اتصال کلیدهای محدود و حلقه‌های قفل فاز- استفاده می‌شود و لایه محافظ باید به زمین متصل شود.
- منبع تغذیه مستقل: منبع تغذیه مستقل را برای سوئیچ های محدود فراهم می کند، از اشتراک منبع تغذیه با ماژول خروجی PLC یا سایر تجهیزات توان بالا اجتناب می کند، نوسانات برق را تا تاثیر سیگنال کاهش می دهد.
- حفاظت تماس: برای کلیدهای حد تماس، مدارهای جذب RC یا دیودها را می توان به صورت موازی بین کنتاکت ها وصل کرد تا قوسی را که هنگام باز شدن کنتاکت ایجاد می شود مهار کند و عمر تماس را افزایش دهد.
2. برنامه نویسی منطقی
(1) پیکربندی نقطه ورودی
در نرم افزار برنامه نویسی PLC، نقطه ورودی متصل به یک سوئیچ موقعیت محدود باید نوع سیگنال صحیح (بالا یا کم) داشته باشد و باید با روش اتصال سخت افزاری سازگار باشد. به عنوان مثال، اگر از یک سوئیچ محدود NPN استفاده می شود، نقطه ورودی PLC باید به گونه ای پیکربندی شود که{2}}پایان فعال باشد.
(2) طراحی منطق کنترل
منطق کنترل لیمیت سوئیچ ها باید بر اساس سناریوهای کاربردی خاص طراحی شود. منطق مشترک شامل:
- کنترل سفر: موتور را برای توقف یا معکوس کردن با استفاده از یک سوئیچ موقعیت محدود- برای تشخیص موقعیت انتهایی اجزای متحرک فعال می کند. به عنوان مثال، در یک خط تولید خودکار، هنگامی که گاری به سمت راست حرکت می کند، سوئیچ محدود فعال می شود و سیگنال خروجی PLC موتور را معکوس می کند و باعث می شود گاری به سمت چپ حرکت کند.
- حفاظت ایمنی: از کلیدهای محدود برای شناسایی مناطق خطرناک استفاده کنید و باعث توقف اضطراری شود. به عنوان مثال، در پردازش ماشین ابزار، هنگامی که ماشین به حد خود می رسد، یک سوئیچ محدود فعال می شود و PLC بلافاصله موتور را قطع می کند تا از آسیب به تجهیزات جلوگیری کند.
- کنترل متوالی: کنترل متوالی پیچیده حرکت از طریق ترکیب چندین کلید محدود تحقق می یابد. به عنوان مثال، در کنترل بیت، ترکیب سوئیچ محدود موقعیت اصلی، کلید حد شروع تغذیه و کلید حد پایان تغذیه، حلقه خودکار، تغذیه سریع، تغذیه و عقب نشینی سریع بیت را امکان پذیر می کند.
(3) عیب یابی و رسیدگی.
به منظور بهبود قابلیت اطمینان سیستم، منطق تشخیص لیمیت سوئیچ ها باید به برنامه PLC اضافه شود، مانند:
- تشخیص از دست دادن سیگنال: استفاده از یک تایمر برای تشخیص اینکه آیا سیگنال سوئیچ محدود در زمان مشخص شده تغییر نکرده است یا خیر. اگر زمانش تمام شود، زنگ هشدار را راه‌اندازی می‌کند.
- تشخیص تداخل سیگنال: تشخیص می دهد که آیا سیگنال های سوئیچ های محدود متقابل منحصر به فرد، مانند سوئیچ های محدود کننده رو به جلو و معکوس، همزمان فعال هستند یا خیر. اگر چنین است، زنگ هشدار را روشن کنید.
- عملکرد تنظیم مجدد دستی: پس از وقوع یک نقص، سیگنال خطا باید به صورت دستی (مثلاً با فشار دادن دکمه تنظیم مجدد) پاک شود تا عملکرد عادی سیستم بازیابی شود.
تحلیل موردی کاربردی
در این مقاله، روش تطبیق سوئیچ های محدود و PLC با در نظر گرفتن کنترل رفت و برگشتی چرخ دستی در خط تولید اتوماتیک به عنوان مثال، به طور مفصل معرفی می شود:
1. ترکیب سیستم
- اجزای متحرک: گاری هایی که در امتداد ریل راهنما به چپ و راست حرکت می کنند.
- درایو: موتوری که تراموا را از طریق جعبه دنده به حرکت در می آورد.
- سوئیچ لیمیت: کلید حد چپ (نوع NC) و سوئیچ محدود سمت راست (نوع NO) به ترتیب برای تشخیص موقعیت چرخ دستی در سمت چپ و راست استفاده می شود.
- PLC: نام تجاری PLC جهانی، با پشتیبانی از منبع تغذیه DC24V و انواع سیگنال PNP.
2. اتصال سخت افزاری
- تطبیق منبع تغذیه: سوئیچ های محدود در DC24V کار می کنند و با سطح ولتاژ ماژول های ورودی PLC مطابقت دارند، بنابراین نیازی به تبدیل نیست.
- تطبیق نوع سیگنال: سوئیچ حد مجاز از نوع NO است که برای تبدیل به سیگنال PNP نیاز به استفاده از رله دارد. به طور خاص، ترمینال خروجی سوئیچ محدود به سیم پیچ رله وصل می شود و انتهای تماس معمولی باز رله به ترمینال مشترک (VCC) ماژول ورودی PLC و انتهای دیگر به نقطه ورودی PLC متصل می شود. سوئیچ محدود سمت چپ از نوع NC است و مستقیماً به ترمینال مشترک (VCC) و نقطه ورودی ماژول ورودی PLC متصل می شود (باید در برنامه PLC به عنوان پایین فعال پیکربندی شود).
- بهینه سازی سیم کشی: با استفاده از سوئیچ های محدود اتصال کابل های محافظ و PLC، اتصال به زمین لایه محافظ. یک منبع تغذیه مستقل DC24V برای سوئیچ های محدود ارائه شده است تا از اشتراک منبع تغذیه با ماژول های خروجی PLC جلوگیری شود.
3. برنامه نویسی منطقی
پیکربندی نقطه ورودی: در نرم افزار برنامه نویسی PLC، پیکربندی نقطه ورودی به سوئیچ لیمیت سمت راست بالا و پیکربندی نقطه ورودی به سوئیچ حد چپ پایین است.
طراحی منطق کنترل:
- کنترل استارت: دکمه استارت را فشار دهید و PLC سیگنالی را صادر می کند که موتور را به جلو می چرخاند و ماشین را به سمت راست حرکت می دهد.
- تشخیص حد راست: وقتی گاری به سمت راست حرکت می کند، سوئیچ محدود سمت راست فعال می شود، رله ها بسته می شوند و نقاط ورودی PLC سیگنال های پیشرفته را تشخیص می دهند. سپس PLC سیگنالی را برای معکوس کردن موتور و حرکت چرخ دستی به سمت چپ خروجی می دهد.
- تشخیص حد چپ: هنگامی که چرخ دستی به سمت چپ حرکت می کند، سوئیچ حد چپ فعال می شود و یک سیگنال سطح پایین در نقطه ورودی PLC شناسایی می شود. سپس PLC سیگنالی را خروجی می دهد که موتور را به جلو می چرخاند و گاری را به سمت راست حرکت می دهد.
- STOP CONTROL: با فشار دادن دکمه توقف، PLC موتور را قطع کرده و حرکت چرخ دستی را متوقف می کند.
عیب یابی و رسیدگی:
- تشخیص از دست دادن سیگنال: از یک تایمر برای تشخیص عدم تغییر سیگنال صحیح سوئیچ در 10 ثانیه استفاده کنید. اگر مهلت زمانی رخ دهد، یک هشدار "عیب حد راست" فعال می شود.
- تشخیص تداخل سیگنال: تشخیص می‌دهد که آیا سیگنال‌های سوئیچ محدود چپ-راست همزمان فعال هستند یا خیر. اگر چنین است، زنگ هشدار "تعارض حد" را راه اندازی کنید.
عملکرد تنظیم مجدد دستی: پس از شکست، دکمه تنظیم مجدد را فشار دهید تا سیگنال خطا پاک شود، عملکرد عادی سیستم بازیابی شود.
مقدمه نتیجه گیری:
سوئیچ موقعیت محدود به عنوان یکی از اجزای کلیدی سیستم‌های کنترل اتوماسیون صنعتی، انواع حالت‌های خروجی سیگنال و انتخاب انعطاف‌پذیری را برای طراحی سیستم فراهم می‌کند. با تطبیق منطقی نوع سیگنال، ولتاژهای تغذیه و روش‌های سیم‌کشی سوئیچ‌های محدود، و ترکیب آن با برنامه‌نویسی منطقی PLC، تشخیص موقعیت و کنترل حرکت راندمان بالا و قابل اطمینان حاصل می‌شود. در کاربردهای عملی، انواع سوئیچ محدود مناسب باید با توجه به الزامات سناریوی خاص انتخاب شوند و بهترین شیوه ها در اتصالات سخت افزاری و برنامه نویسی منطقی باید برای اطمینان از پایداری و امنیت سیستم دنبال شود. با توسعه Industry 4.0 و اینترنت اشیا (IoT)، سوئیچ های محدود به سمت هوشمند، شبکه ای حرکت می کنند و در آینده عمیقاً با دستگاه هایی مانند PLC، حسگرها و محرک ها ادغام خواهند شد و امکانات بیشتری را برای کنترل اتوماسیون صنعتی به ارمغان می آورند.
