V řídicích systémech průmyslové automatizace jsou koncové spínače klíčovou součástí pro transformaci mechanického pohybu na elektrický signál a mají základní funkce detekce polohy, ovládání zdvihu a bezpečnostní ochranu. Rozmanitost výstupního signálu přímo určuje flexibilitu přizpůsobení s programovatelnými logickými automaty. V tomto článku je podrobně analyzován typ výstupního signálu, pracovní princip, hardwarové zapojení a logické programování koncových spínačů, což poskytuje technickou referenci pro návrh průmyslového řídicího systému.
Typ výstupního signálu pro spínače s omezenou polohou-
Výstupní signál koncových spínačů se dělí na dva hlavní typy: kontaktní typ a bez{0}}kontaktní typ. Bezkontaktní také zahrnuje různé technické cesty, jako jsou indukční, kapacitní, fotoelektrické, magnetické a ultrazvukové metody. Různé typy koncových spínačů vykazují zjevné rozdíly v charakteristikách signálu, aplikačních scénářích a metodách přizpůsobení s fázově-závěsnými kroužky.
1.Kontaktujte koncové spínače
Kontaktní koncové spínače realizují výstup signálu rozepnutím a sepnutím mechanického kontaktu. Jejich základní struktura se skládá z ovládacího mechanismu, kontaktního systému a resetovací pružiny. Když se pohyblivé součásti dostanou do kontaktu s ovládacím mechanismem, kontaktní systém změní svůj stav a vytvoří elektrický signál. Podle stavu kontaktu lze koncové spínače kontaktů rozdělit na typy otevřené (NO) a normálně uzavřené (NC):
- Normálně otevřený (NO): Ve výchozím nastavení je kontakt otevřený a není na výstupu žádný signál. Při aktivaci pohybující se součástí se kontakt sepne a vyšle elektrický signál.
- Normální sepnutí (NC): Kontakt je ve výchozím nastavení sepnutý, s trvalým výstupem. Při aktivaci pohybující se součástí se kontakt otevře a přeruší signál.
- Kontaktní koncové spínače mají výhody jednoduché konstrukce, nízké ceny a silné{0}}schopnosti bránit rušení. Je široce používán v obráběcích strojích, výtahech a dopravníkových linkách. Jejich mechanické kontakty jsou však náchylné na opotřebení, jejich životnost je ovlivněna četností používání a jejich odezva je relativně pomalá (obvykle v milisekundách).
2. Bez-kontaktní koncové spínače
Bezkontaktní koncové spínače detekují změny fyzikálních veličin (jako je indukčnost, kapacita, intenzita světla nebo síla magnetického pole) mezi cílovým objektem a snímačem, aby bylo dosaženo výstupního signálu bez mechanického kontaktu. Vyznačuje se vysokou rychlostí odezvy, dlouhou životností a vysokou spolehlivostí. Bezkontaktní koncové spínače lze podle principů detekce rozdělit do následujících typů:
(1) Indukční koncové spínače
Indukční koncové spínače detekují kovové předměty pomocí principů elektromagnetické indukce. Když kovový terč vstoupí do detekčního rozsahu senzoru, amplituda oscilačního obvodu se sníží a spustí se výstup signálu. Jejich výstupní signály jsou obvykle spínací signály (vysoké/nízké úrovně), které lze připojit přímo k digitálnímu vstupnímu modulu PLC. Indukční koncové spínače jsou vhodné pro scénáře detekce kovů, jako je detekce polohy nástroje a třídění kovových součástí v obráběcích strojích.
(2) Kapacitní koncové spínače
Kapacita výstupních signálů mezi cílovým objektem a elektrodou snímače je detekována spínačem omezujícím kapacitu. Když do detekčního rozsahu vstoupí nekovový cíl, jako je plast, kapalina nebo částice, změní se hodnota kapacity a spustí se výstup signálu. Jejich výstupní signály jsou také signálem výměny, ale jejich detekční vzdálenost je kratší než u indukčních typů a jsou více ovlivněny okolní vlhkostí a teplotou. Kapacitní koncové spínače se často používají při detekci hladiny materiálu a polohování balicích strojů.
(3) Fotoelektrické koncové spínače
Fotoelektrické koncové spínače detekují cílový objekt pomocí fotoelektrického jevu. V závislosti na jejich optickém rozsahu je lze rozdělit na vysílače, reflektory a difuzní reflektory:
Vysílací světlo: vysílače a přijímače se instalují samostatně. Když cílový objekt zablokuje cestu světla, spustí signál. Jejich detekční vzdálenost (až několik desítek metrů) je předurčuje pro vzdálené polohování.
Odraz: Vysílač a přijímač jsou integrovány v jedné jednotce. Reflektor je nutný pro provoz signálu, který se spustí, když cílový objekt odráží světlo zpět do přijímače. Jejich detekční vzdálenosti jsou střední.
Difuzní reflexní: Vysílač a přijímač jsou také integrovány do jedné jednotky. Signál se spouští, když je světlo rozptýleno z povrchu cílového objektu do přijímače bez potřeby reflektoru. Jejich detekční vzdálenosti jsou však relativně krátké (obvykle méně než 1 metr), díky čemuž jsou vhodné pro blízké umístění.
Rychlost odezvy výstupního spínače fotovoltaického přepínače s omezenou polohou{0}} (rozsah mikrosekund), široce používané v automatizovaných výrobních linkách, logistickém třídění, polohování robotů a dalších scénářích.
(4) Magnetické koncové spínače
Magnetické koncové spínače využívají Hallův jev nebo magnetorezistivní jev k detekci změny magnetického pole. Když magnetický objekt, jako je permanentní magnet, vstoupí do detekčního rozsahu, senzor vydá elektrický signál. Jejich výstupním signálem je signál zapnuto-vypnuto se silným odporem proti rušení, takže je vhodný pro detekci polohy v drsných prostředích (jako je olej a prach), jako je zpětná vazba polohy hydraulického válce a detekce otevření ventilu.
(5) Ultrazvukové koncové spínače
Ultrazvukové limitní spínače měření vzdálenosti vysíláním ultrazvukových vln a detekcí času echa. Když cílový objekt vstoupí do nastaveného rozsahu, senzor vydá elektrický signál. Jejich výstupní signály mohou být spínací signály nebo analogové signály (hodnoty vzdálenosti), vhodné pro scénáře bezkontaktní detekce vzdálenosti, jako je detekce výšky stohu materiálu a vyhýbání se překážkám robota.
Metody přizpůsobení koncových spínačů a smyčky Phase Lock
Aby byl zajištěn spolehlivý přenos signálu a správná logika řízení, je nutné zkombinovat hardwarová připojení a logické programování tak, aby odpovídalo přepínači s omezenou polohou-smyčce fázového závěsu-.
1. Hardwarové připojení
(1) Přizpůsobení napájecího zdroje
Napájecí napětí koncových spínačů musí odpovídat napěťové úrovni vstupního modulu PLC. Běžné vstupní moduly PLC podporují napájení DC24V nebo AC220V, zatímco přepínače s omezenou polohou obvykle fungují na DC12V, DC24V nebo AC220V. Pokud se napětí neshoduje, můžete k nastavení použít modul pro převod energie (jako je DC-DC převodník) nebo relé.
(2) Přizpůsobení typu signálu
Typ výstupu signálu (NPN nebo PNP) koncových spínačů musí odpovídat typu příjmu signálu vstupního modulu PLC:
- Koncové spínače NPN: výstupní svorka je připojena ke společné svorce (COM) a zemnicímu konci (GND) vstupního modulu PLC a signální vedení je připojeno ke vstupnímu bodu PLC. Po spuštění se signální vedení přenese do země a vstupní bod PLC detekuje signál nízké-úrovně.
- Koncové spínače PNP: Výstupní svorka je připojena ke společné svorce (COM) a kladnému napájení (VCC) vstupního modulu PLC a signální vedení je připojeno ke vstupnímu bodu PLC. Při spuštění je signální vedení připojeno ke kladnému napájecímu zdroji a vstupní bod PLC detekuje pokročilý signál.
- Pokud typ signálu koncového spínače neodpovídá PLC, lze pro převod použít modul pro převod signálu (např. převodníky NPN-PNP) nebo relé.
(3) Optimalizace zapojení
Aby se zlepšila ochrana systému proti-rušení systému, měli byste při připojování koncových spínačů k prstenci s fázovým{1}}zámkem dodržovat následující zásady:
- Použití stíněného kabelu: V případě přenosu na velkou vzdálenost nebo vážného elektromagnetického rušení je třeba použít stíněný kabel pro připojení koncových spínačů a fázové -kroužky a stínící vrstva musí být uzemněna.
- Nezávislý napájecí zdroj: poskytuje nezávislé napájení pro koncové spínače, zabraňuje sdílení napájecího zdroje s výstupním modulem PLC nebo jiným vysoce výkonným zařízením, snižuje kolísání výkonu na vliv signálu.
- Kontaktní ochrana: Pro kontaktní koncové spínače mohou být RC absorpční obvody nebo diody zapojeny paralelně mezi kontakty, aby se zabránilo oblouku, který vzniká při rozepnutí kontaktu, čímž se prodlouží životnost kontaktu.
2. Logické programování
(1) Konfigurace vstupního bodu
V programovacím softwaru PLC musí mít vstupní bod připojený k přepínači s omezenou polohou- správný typ signálu (vysoký nebo nízký) a musí být v souladu s metodou hardwarového připojení. Pokud je například použit koncový spínač NPN, měl by být vstupní bod PLC nakonfigurován tak, aby byl aktivní na spodním-konci.
(2) Návrh řídicí logiky
Logika ovládání koncových spínačů musí být navržena podle konkrétních aplikačních scénářů. Běžná logika zahrnuje:
- Ovládání vypnutí: Spouští motor k zastavení nebo zpětnému chodu pomocí spínače s omezenou polohou-, který detekuje koncovou polohu pohyblivých součástí. Například v automatizované výrobní lince, když se vozík pohne doprava, spustí se koncový spínač a výstupní signál PLC obrátí motor, což způsobí pohyb vozíku doleva.
- Bezpečnostní ochrana: použijte koncové spínače k detekci nebezpečných oblastí, spouštění nouzového zastavení. Například při obrábění na obráběcích strojích, když se stroj pohybuje na hranici svých možností, je spuštěn koncový spínač a PLC okamžitě odpojí motor, aby se zabránilo poškození zařízení.
- Sekvenční řízení: Komplexní sekvenční řízení pohybu je realizováno kombinací několika koncových spínačů. Například při ovládání bitů kombinace původního polohového koncového spínače, koncového spínače začátku posuvu a koncového spínače konce posuvu umožňuje automatickou smyčku, rychlý posuv, posuv a rychlé vysunutí korunky.
(3) Diagnostika a řešení poruch.
Aby se zlepšila spolehlivost systému, měla by být do programu PLC přidána logika diagnostiky koncových spínačů, jako například:
- Detekce ztráty signálu: pomocí časovače zjišťuje, zda se signál limitního-spínače nezměnil v určeném čase. Pokud dojde mimo čas, spustí alarm.
- Detekce konfliktu signálu: Detekuje, zda jsou současně aktivní signály ze vzájemně se vylučujících koncových spínačů, jako jsou koncové spínače vpřed a vzad. Pokud ano, spusťte budík.
- Funkce ručního resetu: Po výskytu závady musí být chybový signál vymazán ručně (například stisknutím tlačítka reset), aby se obnovil normální provoz systému.
Analýza případu aplikace
V tomto článku je podrobně představena metoda přizpůsobení koncových spínačů a PLC, přičemž jako příklad se vezme vratné ovládání vozíku v automatické výrobní lince:
1. Složení systému
- Pohyblivé komponenty: Vozíky, které se pohybují doleva a doprava po vodicí kolejnici.
- Pohon: Motor, který pohání tramvaj přes převodovku.
- Koncový spínač: Levý koncový spínač (typ NC) a pravý koncový spínač (typ NO) se používají k detekci polohy vozíku vlevo a vpravo.
- PLC: Značka univerzálního PLC s podporou napájení DC24V a typů signálu PNP.
2. Hardwarové připojení
- Přizpůsobení napájecího zdroje: koncové spínače pracují v DC24V a odpovídají napěťové úrovni vstupních modulů PLC, takže není nutná žádná konverze.
- Přizpůsobení typu signálu: Správný koncový spínač je typu NO, který vyžaduje použití relé pro převod na signál PNP. Konkrétně je výstupní svorka koncového spínače připojena k cívce relé a konec normálního otevřeného kontaktu relé je připojen ke společné svorce (VCC) vstupního modulu PLC a druhý konec ke vstupnímu bodu PLC. Levý koncový spínač je typu NC a je přímo připojen ke společné svorce (VCC) a vstupnímu bodu vstupního modulu PLC (musí být v programu PLC nakonfigurován jako spodní aktivní).
- Optimalizace zapojení: použití stíněných kabelů připojení koncových spínačů a PLC, uzemnění stínící vrstvy. Pro koncové spínače je k dispozici nezávislé napájení DC24V, aby se zabránilo sdílení napájení s výstupními moduly PLC.
3. Logické programování
Konfigurace vstupního bodu: V programovacím softwaru PLC je konfigurace vstupního bodu pro pravý koncový spínač vysoká a konfigurace vstupního bodu pro levý koncový spínač je nízká.
Návrh řídicí logiky:
- Ovládání startu: Stiskněte tlačítko start a PLC vydá signál, který roztočí motor dopředu a posune vůz doprava.
- Detekce pravého limitu: Když se vozík pohne doprava, sepne se pravý koncový spínač, sepnou se relé a vstupní body PLC detekují pokročilé signály. PLC poté vydá signál, aby obrátil motor a posunul vozík doleva.
- Detekce levého limitu: Když se vozík pohne doleva, spustí se levý koncový spínač a ve vstupním bodě PLC je detekován signál nízké úrovně. PLC poté vydá signál, který roztočí motor dopředu a posune vozík doprava.
- OVLÁDÁNÍ STOP: Stisknutím tlačítka stop PLC vypne motor a zastaví pohyb vozíku.
Diagnostika a řešení závad:
- Detekce ztráty signálu: Pomocí časovače zjistěte, zda se během 10 sekund nezměnil správný signál koncového spínače. Dojde-li k vypršení časového limitu, spustí se alarm "pravá limitní porucha".
- Detekce konfliktu signálu: Zjišťuje, zda jsou současně aktivní signály z levého-pravého koncového spínače. Pokud ano, spusťte alarm „konflikt limitů“.
Funkce ručního resetu: po poruše stiskněte tlačítko reset pro vymazání chybového signálu a obnovení normálního provozu systému.
ÚVOD Závěr:
Jako klíčová součást řídicích systémů průmyslové automatizace poskytuje přepínač s omezenou polohou- řadu režimů výstupního signálu a flexibilní volbu pro návrh systému. Přiměřeným přizpůsobením typu signálu, napájecích napětí a způsobů zapojení koncových spínačů a jejich kombinací s programováním logiky PLC lze dosáhnout vysoké účinnosti a spolehlivé detekce polohy a řízení pohybu. V praktických aplikacích by měly být vybrány vhodné typy koncových spínačů podle požadavků konkrétního scénáře a měly by se dodržovat osvědčené postupy v hardwarových připojeních a logickém programování, aby byla zajištěna stabilita a bezpečnost systému. S rozvojem Průmyslu 4.0 a internetu věcí (IoT) se koncové spínače posouvají směrem k inteligentním, síťovým a v budoucnu budou hluboce integrovány se zařízeními, jako jsou PLC, senzory a akční členy, což přinese více možností pro řízení průmyslové automatizace.
