V nadzornih sistemih industrijske avtomatizacije so končna stikala ključna komponenta za pretvorbo mehanskega gibanja v električni signal in imajo glavne funkcije zaznavanja položaja, nadzora giba in varnostne zaščite. Raznolikost izhodnega signala neposredno določa prilagodljivost ujemanja s programabilnimi logičnimi krmilniki. V tem prispevku so podrobno analizirani tip izhodnega signala, princip delovanja, povezave strojne opreme in logično programiranje končnih stikal, kar zagotavlja tehnično referenco za načrtovanje industrijskega krmilnega sistema.
Vrsta izhodnega signala za omejena{0}}položajna stikala
Izhodni signal končnih stikal je razdeljen na dve glavni vrsti: kontaktni tip in brez{0}}kontaktni tip. Brezstično vključuje tudi različne tehnične poti, kot so induktivne, kapacitivne, fotoelektrične, magnetne in ultrazvočne metode. Različne vrste končnih stikal kažejo očitne razlike v značilnostih signala, scenarijih uporabe in metodah ujemanja s fazno zaklenjenimi obroči.
1. Kontaktna končna stikala
Končna kontaktna stikala realizirajo izhod signala z odpiranjem in zapiranjem mehanskega kontakta. Njihovo osnovno strukturo sestavljajo delovni mehanizem, kontaktni sistem in povratna vzmet. Ko gibljive komponente pridejo v stik z delovnim mehanizmom, kontaktni sistem spremeni svoje stanje in proizvede električni signal. Glede na stanje kontakta lahko kontaktna končna stikala razdelimo na odprta (NO) in normalno zaprta (NC) tipa:
- Normal Open (NO): Privzeto je kontakt odprt in ni izhodnega signala. Ko ga sproži premikajoča se komponenta, se kontakt zapre in pošlje električni signal.
- Normal Close (NC): Kontakt je privzeto zaprt z neprekinjenim izhodom. Ko ga sproži premikajoča se komponenta, se kontakt odpre in prekine signal.
- Kontaktna končna stikala imajo prednosti preproste zgradbe, nizke cene in močne proti-motilne sposobnosti. Široko se uporablja v obdelovalnih strojih, dvigalih in tekočih trakovih. Vendar so njihovi mehanski kontakti nagnjeni k obrabi, njihova življenjska doba je odvisna od pogostosti uporabe in odzivajo se relativno počasi (običajno v milisekundah).
2. Brez{1}}kontaktna mejna stikala
Brezkontaktna mejna stikala zaznavajo spremembe fizikalnih količin (kot so induktivnost, kapacitivnost, jakost svetlobe ali jakost magnetnega polja) med ciljnim predmetom in senzorjem, da dosežejo izhodni signal brez mehanskega stika. Odlikujejo ga visoke odzivne hitrosti, dolga življenjska doba in visoka zanesljivost. Glede na načela zaznavanja lahko brezkontaktna končna stikala razdelimo na naslednje vrste:
(1) Induktivna končna stikala
Induktivna končna stikala zaznajo kovinske predmete z uporabo principov elektromagnetne indukcije. Ko kovinska tarča vstopi v območje zaznavanja senzorja, se amplituda nihajnega kroga zmanjša, kar sproži izhodni signal. Njihovi izhodni signali so običajno preklopni signali (visoke/nizke ravni), ki jih je mogoče povezati neposredno z digitalnim vhodnim modulom PLC. Induktivna končna stikala so primerna za scenarije zaznavanja kovin, kot je zaznavanje položaja orodja in razvrščanje kovinskih komponent v obdelovalnih strojih.
(2) Kapacitivna končna stikala
Kapacitivnost izhodnih signalov med ciljnim objektom in senzorsko elektrodo zazna stikalo za omejitev kapacitivnosti. Ko ne-kovinski cilj, kot je plastika, tekočina ali delci, vstopi v območje zaznavanja, se vrednost kapacitivnosti spremeni, kar sproži izhodni signal. Njihov izhodni signal je prav tako izmenjevalni signal, vendar je njihova razdalja zaznavanja krajša kot pri induktivnih tipih, nanje pa bolj vplivata vlažnost in temperatura okolja. Kapacitivna končna stikala se pogosto uporabljajo pri zaznavanju ravni materiala in pozicioniranju pakirnega stroja.
(3) Fotoelektrična končna stikala
Fotoelektrična končna stikala zaznajo ciljni predmet s fotoelektričnim učinkom. Glede na njihov optični obseg jih lahko razvrstimo v oddajnike, reflektorje in difuzne reflektorje:
Oddajna svetloba: oddajniki in sprejemniki so nameščeni ločeno. Ko ciljni predmet blokira pot svetlobe, sproži signal. Njihove razdalje zaznavanja (do več deset metrov) jih naredijo primerne za daljinsko pozicioniranje.
Odsev: Oddajnik in sprejemnik sta integrirana v eno samo enoto. Reflektor je potreben za delovanje signala, ki se sproži, ko ciljni predmet odbija svetlobo nazaj v sprejemnik. Njihove razdalje zaznavanja so zmerne.
Difuzni odboj: oddajnik in sprejemnik sta prav tako integrirana v eno samo enoto. Signal se sproži, ko se svetloba razprši od površine ciljnega predmeta do sprejemnika brez potrebe po reflektorju. Vendar so njihove razdalje zaznavanja relativno kratke (običajno manj kot 1 meter), zaradi česar so primerni za pozicioniranje na blizu.
Hitrost odziva signala izhodnega stikala fotonapetostnega stikala z omejenim- položajem (mikrosekundno območje), ki se pogosto uporablja v avtomatiziranih proizvodnih linijah, logističnem sortiranju, pozicioniranju robotov in drugih scenarijih.
(4) Magnetna končna stikala
Magnetna končna stikala uporabljajo Hallov učinek ali magnetorezivni učinek za zaznavanje spremembe magnetnega polja. Ko magnetni predmet, kot je trajni magnet, vstopi v območje zaznavanja, senzor odda električni signal. Njihovi izhodni signali so signal za vklop-izklop z močno odpornostjo proti motnjam, zaradi česar je primeren za zaznavanje položaja v težkih okoljih (kot sta olje in prah), kot je povratna informacija o položaju hidravličnega cilindra in zaznavanje odpiranja ventila.
(5) Ultrazvočna končna stikala
Ultrazvočno mejno stikalo meri razdaljo z oddajanjem ultrazvočnih valov in zaznavanjem časa odmeva. Ko ciljni predmet vstopi v nastavljeno območje, senzor odda električni signal. Njihovi izhodni signali so lahko preklopni signali ali analogni signali (vrednosti razdalje), primerni za brezkontaktne scenarije zaznavanja razdalje, kot sta zaznavanje višine skladovnice materiala in robotsko izogibanje oviram.
Metode ujemanja mejnih stikal in zanke faznega zaklepanja
Da bi zagotovili zanesljiv prenos signala in pravilno logiko krmilne logike, je treba združiti povezave strojne opreme in logično programiranje, da se stikalo omejenega-položaja ujema s fazno-zaklenjeno zanko.
1. Povezava strojne opreme
(1) Ujemanje napajalnika
Napajalna napetost končnih stikal se mora ujemati z napetostjo vhodnega modula PLC. Običajni vhodni moduli PLC podpirajo napajalnike DC24V ali AC220V, medtem ko omejena{3}}položajna stikala običajno delujejo na DC12V, DC24V ali AC220V. Če se napetost ne ujema, lahko za prilagoditev uporabite modul za pretvorbo moči (kot je pretvornik DC-DC) ali rele.
(2) Ujemanje vrste signala
Vrsta izhodnega signala (NPN ali PNP) končnih stikal se mora ujemati z vrsto sprejema signala vhodnega modula PLC:
- Končna stikala NPN: izhodni terminal je povezan s skupnim priključkom (COM) in ozemljitvenim koncem (GND) vhodnega modula PLC, signalna linija pa je povezana z vhodno točko PLC. Ko se sproži, se signalna linija prenese na tla in vhodna točka PLC zazna signal nizke-nivoje.
- Končna stikala PNP: Izhodni terminal je povezan s skupnim priključkom (COM) in pozitivnim napajanjem (VCC) vhodnega modula PLC, signalna linija pa je povezana z vhodno točko PLC. Ko se sproži, je signalna linija priključena na pozitivno napajanje, vhodna točka PLC pa zazna napredni signal.
- Če se vrsta signala končnega stikala ne ujema s PLC-jem, se lahko za pretvorbo uporabi modul za pretvorbo signala (kot so pretvorniki NPN-PNP) ali rele.
(3) Optimizacija ožičenja
Za izboljšanje zmožnosti sistema za-proti motnjam sistema je treba upoštevati naslednja načela pri povezovanju končnih stikal na fazno zaklenjeni obroč:
- Uporaba oklopljenega kabla: V primeru prenosa na dolge razdalje ali resnih elektromagnetnih motenj je treba za povezavo mejnih stikal in faznih-blokirnih obročev uporabiti oklopljen kabel, oklopni sloj pa mora biti ozemljen.
- Neodvisno napajanje: zagotavlja neodvisno napajanje za končna stikala, izogiba se delitvi napajanja z izhodnim modulom PLC ali drugo visoko zmogljivo opremo, zmanjšuje nihanja moči zaradi vpliva signala.
- Zaščita kontaktov: Za kontaktna končna stikala se lahko RC-absorpcijska vezja ali diode povežejo vzporedno med kontakti, da preprečijo oblok, ki nastane, ko se kontakt odpre, in tako podaljšajo življenjsko dobo kontakta.
2. Logično programiranje
(1) Konfiguracija vhodne točke
V programski opremi za programiranje PLC mora imeti vhodna točka, povezana s stikalom omejenega-položaja, pravilno vrsto signala (visok ali nizek) in mora biti skladna z metodo povezave strojne opreme. Na primer, če se uporablja končno stikalo NPN, mora biti vhodna točka PLC konfigurirana tako, da je nizko-aktivna.
(2) Zasnova krmilne logike
Krmilna logika končnih stikal mora biti zasnovana v skladu s posebnimi scenariji uporabe. Skupna logika vključuje:
- Nadzor potovanja: sproži zaustavitev ali vzvratno vožnjo motorja z uporabo stikala za omejen{0}}položaj za zaznavanje končnega položaja gibljivih komponent. Na primer, v avtomatizirani proizvodni liniji, ko se voziček premakne v desno, se sproži končno stikalo in izhodni signal PLC obrne motor, kar povzroči, da se voziček premakne v levo.
- Varnostna zaščita: uporabite končna stikala za zaznavanje nevarnih območij, ki sprožijo zaustavitev v sili. Pri obdelavi obdelovalnih strojev, na primer, ko se stroj premakne do svoje meje, se sproži končno stikalo in PLC takoj izklopi motor, da prepreči poškodbe opreme.
- Zaporedna regulacija: Kompleksna sekvenčna regulacija gibanja se izvaja s kombinacijo več končnih stikal. Na primer, pri krmiljenju bitov kombinacija prvotnega mejnega stikala za položaj, mejnega stikala za začetek podajanja in končnega stikala za konec podajanja omogoča samodejno zanko, hiter pomik, pomik in hiter umik nastavka.
(3) Diagnoza napak in ravnanje.
Da bi izboljšali zanesljivost sistema, je treba v program PLC dodati diagnostično logiko končnih stikal, kot so:
- Zaznavanje izgube signala: uporaba časovnika za zaznavanje, ali se signal mejnega-stikala ni spremenil v določenem času. Če preteče čas, sproži alarm.
- Zaznavanje konflikta signala: zazna, ali so signali medsebojno izključujočih mejnih stikal, kot sta stikala za omejevanje naprej in nazaj, aktivni hkrati. Če je tako, sprožite alarm.
- Funkcija ročne ponastavitve: Ko pride do okvare, je treba signal napake ročno izbrisati (na primer s pritiskom na gumb za ponastavitev), da se ponovno vzpostavi normalno delovanje sistema.
Analiza primera uporabe
V tem prispevku je metoda ujemanja končnih stikal in PLC-ja podrobno predstavljena na primeru izmeničnega krmiljenja vozička v avtomatski proizvodni liniji:
1. Sestava sistema
- Premične komponente: vozički, ki se premikajo levo in desno po vodilu.
- Pogon: motor, ki poganja tramvaj preko menjalnika.
- Končno stikalo: levo končno stikalo (NC tip) in desno končno stikalo (NO tip) se uporabljata za zaznavanje položaja vozička na levi oziroma desni strani.
- PLC: Blagovna znamka univerzalnega PLC-ja s podporo za napajanje DC24V in vrste signalov PNP.
2. Povezava strojne opreme
- Ujemanje napajanja: končna stikala delujejo v DC24V in se ujemajo z napetostnim nivojem vhodnih modulov PLC, zato pretvorba ni potrebna.
- Ujemanje tipa signala: Pravilno končno stikalo je tipa NO, ki zahteva uporabo relejev za pretvorbo v signal PNP. Natančneje, izhodni priključek končnega stikala je povezan s tuljavo releja, normalno odprt kontaktni konec releja pa je povezan s skupnim priključkom (VCC) vhodnega modula PLC, drugi konec pa z vhodno točko PLC. Levo končno stikalo je tipa NC in je neposredno povezano s skupnim terminalom (VCC) in vhodno točko vhodnega modula PLC (mora biti konfigurirano kot nizko delujoče v programu PLC).
- Optimizacija ožičenja: uporaba končnih stikal za povezavo oklopljenih kablov in PLC, ozemljitev oklopnega sloja. Za končna stikala je na voljo neodvisen napajalnik DC24V, da se izognete delitvi napajanja z izhodnimi moduli PLC.
3. Logično programiranje
Konfiguracija vhodne točke: V programski opremi za programiranje PLC je konfiguracija vhodne točke za desno končno stikalo visoka, konfiguracija vhodne točke za levo končno stikalo pa nizka.
Zasnova krmilne logike:
- Nadzor zagona: Pritisnite gumb za zagon in PLC odda signal, ki zavrti motor naprej in premakne avto v desno.
- Zaznavanje desne meje: Ko se voziček premakne v desno, se sproži desno končno stikalo, releji so zaprti in vhodne točke PLC zaznajo napredne signale. PLC nato odda signal za vzvratno vožnjo motorja in premaknitev vozička v levo.
- Zaznavanje leve meje: Ko se voziček premakne v levo, se sproži levo končno stikalo in na vhodni točki PLC je zaznan signal nizke ravni. PLC nato odda signal, ki zavrti motor naprej in premakne voziček v desno.
- STOP NADZOR: S pritiskom na gumb za zaustavitev PLC prekine motor in ustavi gibanje vozička.
Diagnostika napak in ravnanje:
- Zaznavanje izgube signala: Uporabite časovnik, da zaznate, ali se pravi signal končnega stikala ni spremenil v 10 sekundah. Če pride do časovne omejitve, se sproži alarm "napaka desne meje".
- Zaznavanje konflikta signala: zazna, ali so signali iz levega-desnega končnega stikala aktivni hkrati. Če je tako, sprožite alarm "konflikt omejitev".
Funkcija ročne ponastavitve: po okvari pritisnite gumb za ponastavitev, da izbrišete signal napake in obnovite normalno delovanje sistema.
UVOD Zaključek:
Kot ključna komponenta nadzornih sistemov industrijske avtomatizacije stikalo z omejenim-položajem zagotavlja različne načine izhodnega signala in prilagodljivo izbiro za načrtovanje sistema. Z razumnim usklajevanjem vrste signala, napajalnih napetosti in načinov ožičenja končnih stikal ter kombiniranjem z logičnim programiranjem PLC je mogoče doseči visoko učinkovitost in zanesljivo zaznavanje položaja in nadzor gibanja. V praktičnih aplikacijah je treba izbrati ustrezne vrste mejnih stikal glede na zahteve specifičnega scenarija in upoštevati najboljše prakse pri povezavah strojne opreme in logičnem programiranju, da se zagotovi stabilnost in varnost sistema. Z razvojem industrije 4.0 in interneta stvari (IoT) se mejna stikala premikajo proti inteligentnim, omrežnim in bodo v prihodnosti globoko integrirana z napravami, kot so PLC, senzorji in aktuatorji, kar prinaša več možnosti za nadzor industrijske avtomatizacije.
