Nei sistemi di controllo dell'automazione industriale, i finecorsa sono un componente chiave per trasformare il movimento meccanico in segnale elettrico e hanno le funzioni principali di rilevamento della posizione, controllo della corsa e protezione di sicurezza. La diversità dell'uscita del segnale determina direttamente la flessibilità di abbinamento con i controllori logici programmabili. In questo articolo vengono analizzati in dettaglio il tipo di uscita del segnale, il principio di funzionamento, le connessioni hardware e la programmazione logica dei finecorsa, fornendo un riferimento tecnico per la progettazione del sistema di controllo industriale.
Tipo di uscita del segnale per interruttori di posizione-limitati
L'uscita del segnale dei finecorsa è divisa in due tipi principali: tipo a contatto e tipo senza-contatto. Il contactless comprende anche una varietà di percorsi tecnici come metodi induttivi, capacitivi, fotoelettrici, magnetici e ultrasonici. Diversi tipi di finecorsa presentano evidenti differenze nelle caratteristiche del segnale, negli scenari applicativi e nei metodi di corrispondenza con gli anelli ad aggancio di fase.
1.Interruttori di finecorsa a contatto
Gli interruttori di finecorsa del contatto realizzano l'uscita del segnale aprendo e chiudendo il contatto meccanico. La loro struttura principale è costituita da un meccanismo operativo, un sistema di contatto e una molla di ripristino. Quando i componenti mobili entrano in contatto con il meccanismo di comando, il sistema di contatto cambia stato e produce un segnale elettrico. In base allo stato del contatto, i finecorsa a contatto possono essere suddivisi in tipo aperto (NO) e normalmente chiuso (NC):
- Normalmente aperto (NO): per impostazione predefinita, il contatto è aperto e non c'è uscita di segnale. Quando attivato da un componente in movimento, il contatto si chiude, inviando un segnale elettrico.
- Normal Close (NC): il contatto è chiuso per impostazione predefinita, con uscita continua. Quando attivato da un componente in movimento, il contatto si apre interrompendo il segnale.
- Gli interruttori di finecorsa a contatto presentano i vantaggi di una struttura semplice, di un costo contenuto e di una forte capacità anti-inceppamento. È ampiamente utilizzato nelle macchine utensili, negli ascensori e nelle linee di trasporto. Tuttavia, i loro contatti meccanici sono soggetti a usura, la loro durata è influenzata dalla frequenza di utilizzo e la loro velocità di risposta è relativamente lenta (di solito in millisecondi).
2.Interruttori di finecorsa senza-contatto
Gli interruttori di finecorsa senza contatto rilevano i cambiamenti nelle quantità fisiche (come induttanza, capacità, intensità della luce o intensità del campo magnetico) tra l'oggetto target e il sensore per ottenere un'uscita del segnale senza contatto meccanico. È caratterizzato da elevate velocità di risposta, lunga durata ed elevata affidabilità. In base ai principi di rilevamento, i finecorsa senza contatto possono essere suddivisi nei seguenti tipi:
(1) Interruttori di finecorsa induttivi
Gli interruttori di finecorsa induttivi rilevano oggetti metallici utilizzando i principi di induzione elettromagnetica. Quando il bersaglio metallico entra nel campo di rilevamento del sensore, l'ampiezza del circuito oscillante diminuisce, attivando l'uscita del segnale. Il loro segnale di uscita è solitamente un segnale di commutazione (livelli alto/basso) che può essere collegato direttamente a un modulo di ingresso digitale PLC. Gli interruttori di finecorsa induttivi sono adatti per scenari di rilevamento dei metalli come il rilevamento della posizione dell'utensile e lo smistamento di componenti metallici nelle macchine utensili.
(2) Interruttori di finecorsa capacitivi
La capacità dei segnali di uscita tra l'oggetto target e l'elettrodo del sensore viene rilevata dall'interruttore limitatore di capacità. Quando un target non-metallico, ad esempio plastica, liquido o particolato, entra nel campo di rilevamento, il valore della capacità cambia, attivando un segnale in uscita. Anche il loro segnale in uscita è un segnale di scambio, ma la loro distanza di rilevamento è inferiore a quella dei tipi induttivi e sono maggiormente influenzati dall'umidità e dalla temperatura ambiente. Gli interruttori di finecorsa capacitivi vengono spesso utilizzati nel rilevamento del livello del materiale e nel posizionamento delle macchine confezionatrici.
(3) Interruttori di finecorsa fotoelettrici
I finecorsa fotoelettrici rilevano l'oggetto target tramite l'effetto fotoelettrico. A seconda della loro portata ottica, possono essere classificati in emettitori, riflettori e riflettori diffusi:
Luce di trasmissione: trasmettitori e ricevitori sono installati separatamente. Quando un oggetto target blocca il percorso della luce, attiva un segnale. Le loro distanze di rilevamento (fino a diverse decine di metri) li rendono adatti al posizionamento remoto.
Riflessione: il trasmettitore e il ricevitore sono integrati in una singola unità. È necessario un riflettore per azionare un segnale che viene attivato quando un oggetto target riflette la luce verso il ricevitore. La loro distanza di rilevamento è moderata.
Riflessione diffusa: anche il trasmettitore e il ricevitore sono integrati in una singola unità. Il segnale viene attivato quando la luce viene diffusa dalla superficie dell'oggetto target al ricevitore senza la necessità di un riflettore. Tuttavia, le loro distanze di rilevamento sono relativamente brevi (solitamente inferiori a 1 metro), rendendoli adatti per il posizionamento ravvicinato.
Velocità di risposta del segnale dell'interruttore di uscita dell'interruttore di posizione limitata fotovoltaica (intervallo di microsecondi), ampiamente utilizzata nelle linee di produzione automatizzate, nello smistamento logistico, nel posizionamento dei robot e in altri scenari.
(4) Interruttori di finecorsa magnetici
Gli interruttori di limite magnetici utilizzano l'effetto Hall o l'effetto magnetoresistivo per rilevare il cambiamento del campo magnetico. Quando un oggetto magnetico, ad esempio un magnete permanente, entra nel campo di rilevamento, il sensore emette un segnale elettrico. Il loro segnale di uscita è un segnale on-off con forte resistenza ai disturbi, che lo rende adatto per il rilevamento della posizione in ambienti difficili (come olio e polvere), come il feedback della posizione del cilindro idraulico e il rilevamento dell'apertura della valvola.
(5) Interruttori di finecorsa a ultrasuoni
Misurazione della distanza dei finecorsa ad ultrasuoni mediante emissione di onde ultrasoniche e rilevamento del tempo di eco. Quando l'oggetto target entra in un intervallo prestabilito, il sensore emette un segnale elettrico. I loro segnali di uscita possono essere segnali di commutazione o segnali analogici (valori di distanza), adatti per scenari di rilevamento della distanza senza contatto come il rilevamento dell'altezza della pila di materiali e l'elusione degli ostacoli del robot.
Metodi di abbinamento degli interruttori di finecorsa e del circuito ad aggancio di fase
Per garantire una trasmissione affidabile del segnale e una corretta logica di controllo, è necessario combinare le connessioni hardware e la programmazione logica per abbinare l'interruttore di posizione-limitata con il circuito ad aggancio di fase-.
1. Collegamento hardware
(1) Corrispondenza dell'alimentazione
La tensione di alimentazione dei finecorsa deve corrispondere al livello di tensione del modulo di ingresso PLC. I comuni moduli di ingresso PLC supportano alimentatori a 24 V CC o 220 V CA, mentre gli interruttori a posizione limitata- funzionano generalmente a 12 V CC, 24 V CC o 220 V CA. Se la tensione non corrisponde, puoi utilizzare un modulo di conversione di potenza (come un convertitore CC-CC) o un relè per la regolazione.
(2) Corrispondenza del tipo di segnale
Il tipo di uscita del segnale (NPN o PNP) dei finecorsa deve corrispondere al tipo di ricezione del segnale del modulo di ingresso PLC:
- Interruttori di limite NPN: il terminale di uscita è collegato al terminale comune (COM) e all'estremità di terra (GND) del modulo di ingresso PLC e la linea del segnale è collegata al punto di ingresso PLC. Quando viene attivata, la linea del segnale viene trasmessa a terra e il punto di ingresso del PLC rileva un segnale di livello- basso.
- Interruttori di limite PNP: il terminale di uscita è collegato al terminale comune (COM) e all'alimentazione positiva (VCC) del modulo di ingresso PLC e la linea del segnale è collegata al punto di ingresso PLC. Quando viene attivata, la linea del segnale è collegata all'alimentazione positiva e il punto di ingresso del PLC rileva il segnale avanzato.
- Se il tipo di segnale del finecorsa non corrisponde al PLC, è possibile utilizzare un modulo di conversione del segnale (come convertitori NPN-PNP) o un relè per la conversione.
(3) Ottimizzazione del cablaggio
Per migliorare le capacità anti-interferenza del sistema, è necessario seguire i seguenti principi quando si collega un interruttore di finecorsa a un anello-a fase bloccata:
- Utilizzo del cavo schermato: in caso di trasmissione a lunga distanza o di gravi interferenze elettromagnetiche, è necessario utilizzare un cavo schermato per collegare gli interruttori di finecorsa e gli anelli di bloccaggio di fase-e lo strato di schermatura deve essere messo a terra.
- Alimentazione indipendente: fornisce alimentazione indipendente per i finecorsa, evita di condividere l'alimentazione con il modulo di uscita PLC o altre apparecchiature ad alta potenza, riduce le fluttuazioni di potenza dovute all'influenza del segnale.
- Protezione dei contatti: per gli interruttori di finecorsa a contatto, i circuiti di assorbimento RC o i diodi possono essere collegati in parallelo tra i contatti per inibire l'arco che si verifica quando il contatto viene aperto, prolungando la durata del contatto.
2. Programmazione logica
(1) Configurazione del punto di ingresso
Nel software di programmazione PLC, il punto di ingresso collegato a un interruttore di posizione-limitata deve avere il tipo di segnale corretto (alto o basso) e deve essere coerente con il metodo di connessione hardware. Ad esempio, se viene utilizzato un interruttore di limite NPN, il punto di ingresso del PLC deve essere configurato per essere attivo di fascia bassa-.
(2) Progettazione della logica di controllo
La logica di controllo dei finecorsa deve essere progettata in base a specifici scenari applicativi. La logica comune include:
- Controllo di viaggio: attiva l'arresto o la retromarcia del motore utilizzando un interruttore di posizione-limitata per rilevare la posizione finale dei componenti in movimento. Ad esempio, in una linea di produzione automatizzata, quando il carrello si sposta a destra, viene attivato il finecorsa e il segnale di uscita del PLC inverte il motore, provocando lo spostamento del carrello a sinistra.
- Protezione di sicurezza: utilizzare i finecorsa per rilevare aree pericolose, attivando arresti di emergenza. Nella lavorazione delle macchine utensili, ad esempio, quando la macchina si sposta al limite, viene attivato un interruttore di finecorsa e il PLC spegne immediatamente il motore per evitare danni all'attrezzatura.
- Controllo sequenziale: il complesso controllo sequenziale del movimento viene realizzato attraverso la combinazione di diversi finecorsa. Ad esempio, nel controllo della punta, la combinazione del finecorsa della posizione originale, del finecorsa di inizio avanzamento e del finecorsa di fine avanzamento consente il ciclo automatico, l'avanzamento rapido, l'avanzamento e il ritiro rapido della punta.
(3) Diagnosi e gestione dei guasti.
Per migliorare l'affidabilità del sistema, la logica di diagnosi dei finecorsa dovrebbe essere aggiunta al programma PLC, come ad esempio:
- Rilevamento della perdita di segnale: utilizzo di un timer per rilevare se il segnale del finecorsa-non è cambiato nel tempo specificato. Se scade il tempo, attiva un allarme.
- Rilevamento conflitto di segnale: rileva se i segnali provenienti da interruttori di limite mutuamente esclusivi, come interruttori di limitazione avanti e indietro, sono attivi contemporaneamente. Se è così, attiva l'allarme.
- Funzione di ripristino manuale: dopo che si verifica un malfunzionamento, il segnale di guasto deve essere cancellato manualmente (ad esempio, premendo il pulsante di ripristino) per ripristinare il normale funzionamento del sistema.
Analisi del caso applicativo
In questo documento, il metodo di abbinamento di finecorsa e PLC viene introdotto in dettaglio prendendo come esempio il controllo alternativo del carrello in una linea di produzione automatica:
1. Composizione del sistema
- Componenti mobili: carrelli che si muovono a destra e a sinistra lungo il binario di guida.
- Azionamento: un motore che aziona un tram attraverso un cambio.
- Finecorsa: Un finecorsa sinistro (tipo NC) e un finecorsa destro (tipo NA) vengono utilizzati per rilevare la posizione del carrello rispettivamente a sinistra e a destra.
- PLC: un marchio di PLC universale, con supporto per alimentazione DC24V e tipi di segnale PNP.
2. Collegamento hardware
- Abbinamento dell'alimentazione: gli interruttori di limite funzionano a 24 V CC e corrispondono al livello di tensione dei moduli di ingresso PLC, quindi non è richiesta alcuna conversione.
- Corrispondenza del tipo di segnale: il finecorsa corretto è di tipo NO, che richiede l'uso di relè per la conversione in un segnale PNP. Nello specifico, il terminale di uscita del finecorsa è collegato alla bobina del relè e l'estremità del contatto normalmente aperto del relè è collegata al terminale comune (VCC) del modulo di ingresso del PLC e l'altra estremità al punto di ingresso del PLC. Il finecorsa sinistro è di tipo NC ed è collegato direttamente al terminale comune (VCC) e al punto di ingresso del modulo di ingresso PLC (deve essere configurato come fascia bassa attiva nel programma PLC).
- Ottimizzazione del cablaggio: utilizzo di finecorsa di collegamento cavi schermati e PLC, messa a terra dello strato di schermatura. Viene fornita un'alimentazione DC24V indipendente per i finecorsa per evitare la condivisione dell'alimentazione con i moduli di uscita del PLC.
3. Programmazione logica
Configurazione del punto di ingresso: nel software di programmazione PLC, la configurazione del punto di ingresso per l'interruttore di limite destro è alta e la configurazione del punto di ingresso per l'interruttore di limite sinistro è bassa.
Progettazione della logica di controllo:
- Controllo di avvio: premi il pulsante di avvio e il PLC emette un segnale che fa girare il motore in avanti e sposta l'auto a destra.
- Rilevamento del limite destro: quando il carrello si sposta verso destra, viene attivato l'interruttore del limite destro, i relè vengono chiusi e i punti di ingresso del PLC rilevano i segnali avanzati. Il PLC quindi emette un segnale per invertire il motore e spostare il carrello a sinistra.
- Rilevamento limite sinistro: quando il carrello si sposta a sinistra, viene attivato l'interruttore di limite sinistro e viene rilevato un segnale di livello basso nel punto di ingresso del PLC. Il PLC quindi emette un segnale che fa girare il motore in avanti e sposta il carrello a destra.
- CONTROLLO ARRESTO: Premendo il pulsante di arresto, il PLC spegne il motore e arresta il movimento del carrello.
Diagnosi e gestione dei guasti:
- Rilevamento perdita di segnale: utilizzare un timer per rilevare se il segnale del finecorsa corretto non è cambiato in 10 secondi. Se si verifica il timeout, viene attivato l'allarme "errore limite destro".
- Rilevamento conflitto segnali: rileva se i segnali provenienti dai finecorsa sinistro-destro sono attivi contemporaneamente. In tal caso, attiva un allarme di "conflitto limite".
Funzione di ripristino manuale: dopo l'errore, premere il pulsante di ripristino per eliminare il segnale di guasto e ripristinare il normale funzionamento del sistema.
INTRODUZIONE Conclusione:
Essendo un componente chiave dei sistemi di controllo dell'automazione industriale, l'interruttore a posizione- limitata offre una varietà di modalità di uscita del segnale e una scelta flessibile per la progettazione del sistema. Abbinando ragionevolmente il tipo di segnale, le tensioni di alimentazione e i metodi di cablaggio degli interruttori di finecorsa e combinandoli con la programmazione logica del PLC, è possibile ottenere un rilevamento della posizione e un controllo del movimento affidabili e ad alta efficienza. Nelle applicazioni pratiche, è necessario selezionare i tipi di finecorsa appropriati in base ai requisiti dello scenario specifico e seguire le migliori pratiche nelle connessioni hardware e nella programmazione logica per garantire la stabilità e la sicurezza del sistema. Con lo sviluppo dell'Industria 4.0 e dell'Internet delle cose (IoT), i finecorsa si stanno spostando verso dispositivi intelligenti, collegati in rete e in futuro saranno profondamente integrati con dispositivi come PLC, sensori e attuatori, offrendo maggiori possibilità di controllo dell'automazione industriale.
