การใช้อุปกรณ์โฟโตอิเล็กทริกขั้นสูงเพื่อลดความยุ่งยากในการใช้งานระบบตรวจจับแบบพร็อกซิมิตี้

By Bill Schweber

Contributed By DigiKey's North American Editors

เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริก (PE) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการตรวจจับระยะใกล้ที่ไม่ต้องสัมผัสในระบบการผลิต อุตสาหกรรม และการพาณิชย์ เนื่องจากมีประสิทธิภาพ ทนทาน และหลักการทำงานที่ชัดเจน การใช้งานทั่วไป ได้แก่ การตรวจจับขวดหรือกระป๋องบนสายการผลิตความเร็วสูง การหาแพ็คเกจในกล่องจัดส่ง การตรวจสอบประตูเปิดหรือปิด หรือการตรวจจับมนุษย์

พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์แบบ PE สามารถออกแบบสำหรับโหมดการตรวจจับด้วยแสงที่แตกต่างกัน และแนวทางการสะท้อนกลับพื้นฐานก็เป็นการจัดเตรียมทั่วไป แม้ว่าหลักการทำงานจะเรียบง่าย แต่การตั้งค่าเซ็นเซอร์ PE อาจต้องใช้เวลาในการลองผิดลองถูกที่ใช้เวลานานในการเริ่มต้น ปรับแต่ง และเพิ่มประสิทธิภาพของอัลกอริทึมการกำหนดค่าและการตรวจจับให้เหมาะกับการใช้งานโดยเฉพาะ หรืออาจต้องปรับใหม่สำหรับการผลิตครั้งต่อไป นักออกแบบระบบจำเป็นต้องมีโซลูชันที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อหลีกเลี่ยงการติดตั้งที่เกี่ยวข้องและการปรับใช้ที่ล่าช้า

บทความนี้ให้ภาพรวมโดยสังเขปเกี่ยวกับพื้นฐานของ PE จากนั้นจะแนะนำพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์แบบ PE จาก SICK, Inc. และแสดงให้เห็นว่าสามารถนำเซ็นเซอร์ดังกล่าวไปประยุกต์ใช้ได้อย่างไรโดยใช้กระบวนการตั้งค่าที่เรียบง่ายเป็นพิเศษ

พื้นฐานการตรวจจับ PE

การตรวจจับแบบพร็อกซิมิตี้ของ PE อาศัยแหล่งกำเนิดแสงที่มีลำแสงที่โฟกัสไปยังวัตถุที่ต้องการตรวจจับ โดยลำแสงนี้จะถูกใช้ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งจากสามวิธี ขึ้นอยู่กับว่าตัวรับสามารถตรวจจับลำแสงนี้ได้อย่างไร (รูปที่ 1)

แผนภาพการตรวจจับแบบพร็อกซิมิตี้ของ PE สามารถใช้ลำแสงที่ส่งผ่านได้ (คลิกเพื่อขยายภาพ)รูปที่ 1: การตรวจจับแบบพร็อกซิมิตี้ของ PE สามารถใช้ลำแสงที่ส่งผ่านและตัวรับที่ไวต่อแสงที่สอดคล้องกันในรูปแบบทางกายภาพสามแบบ (แหล่งที่มาภาพ: Proximity Switch)

  • ในการตรวจจับวัตถุแบบตัวส่งและตัวรับรวมอยู่ในตัวเรือนเดียวกัน การตรวจจับจะเกิดขึ้นเมื่อลำแสงจากเครื่องส่งสัญญาณสะท้อนออกจากวัตถุตรวจจับ
  • ในการตรวจจับแบบเรโทรรีเฟล็กเตอร์ ตัวส่งและตัวรับอยู่ในตัวเรือนเดียวกัน แต่แผ่นสะท้อนแสงจะอยู่ด้านไกลของวัตถุเป้าหมาย
  • ในการตรวจจับแบบผ่านลำแสง เซ็นเซอร์แสงจะอยู่ด้านหนึ่งของวัตถุ และจะระบุการมีอยู่ของวัตถุโดยการปิดกั้นแสงจากตัวส่งไปยังตัวรับ

การตรวจจับแบบพร็อกซิมิตี้ของ PE ยังสามารถนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์ด้านความปลอดภัยได้ เช่น ที่กั้นแสงหรือม่านแสง โดยที่อุปกรณ์เหล่านี้จะได้รับการติดตั้งในตำแหน่งที่เหมาะสมและทำหน้าที่เป็นประตูนิรภัย (รูปที่ 2) เมื่อตรวจพบสิ่งกีดขวาง แผงกั้นแสงจะส่งสัญญาณไปยังตัวควบคุมหรือวงจรนิรภัยแบบมีสายซึ่งจะปิดเครื่องจักรหากเกิดสิ่งกีดขวางโดยไม่คาดคิดหรือเป็นอันตราย

แผนผังแผงกั้นแสงหรือม่านนิรภัย รูปที่ 2: การตรวจจับระยะใกล้สามารถใช้ในฉากกั้นหรือม่านแสงที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยได้ (แหล่งที่มาภาพ: SICK, Inc.)

การตรวจจับด้วย PE มีความน่าสนใจเนื่องจากใช้หลักการทำงานดั้งเดิมและรูปแบบกายภาพ นอกจากนี้แนวทางการสะท้อนกลับก็เป็นที่ต้องการเนื่องจากต้องใช้อุปกรณ์แบบมีสายเพียงด้านเดียวเท่านั้น ทำให้การติดตั้งง่ายขึ้น

การออกแบบใหม่และอินเทอร์เฟซผู้ใช้ช่วยแก้ไขปัญหาต่างๆ มากมาย

แม้ว่าการตรวจจับแบบพร็อกซิมิตี้ของ PE จะมีความเรียบง่ายในเชิงแนวคิด แต่ต้องมีการติดตั้งและจัดวางในบริเวณที่ระมัดระวัง สภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวนอาจเป็นเรื่องท้าทายและน่าหงุดหงิดสำหรับช่างเทคนิค และการพิจารณาระยะและเป้าหมายก็ส่งผลต่อประสิทธิภาพและความสม่ำเสมอ

การตรวจจับด้วย PE มักใช้ร่วมกับตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) บ่อยครั้งผู้ติดตั้งจะต้องตั้งค่า ทดสอบ ปรับแต่ง และทดสอบซ้ำที่ PLC ซึ่งอาจอยู่ห่างจากเซ็นเซอร์ PE นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงของแสง การสะท้อนที่ไม่ต้องการและการเปลี่ยนแปลง รวมถึงการบิดเบือนอื่นๆ ในโลกแห่งความเป็นจริงอาจส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและความแม่นยำ

ปัญหาที่เกิดขึ้นระหว่างการผลิตนั้นน่ากังวลใจเป็นอย่างยิ่ง และมักจะรุนแรงขึ้นเนื่องจากความเร่งด่วนที่จะต้องแก้ไขอย่างรวดเร็ว

เพื่อเอาชนะปัญหาเหล่านี้ SICK จึงได้พัฒนากลุ่มผลิตภัณฑ์พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ W10 (รูปที่ 3)

รูปภาพของพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์แบบ PE ซีรีส์ SICK W10 รูปที่ 3: ซีรีย์ W10 นำเสนอพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์แบบ PE ที่สมบูรณ์และซับซ้อนในตัวเรือนที่กะทัดรัดและทนทาน (แหล่งที่มาภาพ: SICK, Inc.)

เซ็นเซอร์เหล่านี้มีความโดดเด่นเป็นพิเศษเนื่องจากเป็นอุปกรณ์แรกที่มีจอแสดงผลแบบหน้าจอสัมผัส (รูปที่ 4)

ภาพหน้าจอสัมผัสแบบบูรณาการเฉพาะของหน่วย SICK W10รูปที่ 4: หน้าจอสัมผัสแบบบูรณาการอันเป็นเอกลักษณ์ของหน่วย W10 มอบประสบการณ์ผู้ใช้ที่ดียิ่งขึ้นอย่างมาก (แหล่งที่มาภาพ: SICK, Inc.)

อินเทอร์เฟซการแสดงผลนี้ใช้งานง่าย รองรับการติดตั้งอย่างรวดเร็ว และเร่งการปรับให้เข้ากับแต่ละการใช้งาน การนำทางที่ง่ายดายช่วยลดเวลาที่ใช้ในการติดตั้งและใช้งานอุปกรณ์ และอำนวยความสะดวกในการปรับแต่งระหว่างใช้งานสำหรับเป้าหมาย ความเร็ว หรือปัญหาที่ไม่คาดคิดที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังขจัดความจำเป็นในการใช้สวิตช์ ลูกบิด และการปรับแต่งทางกายภาพ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ ความสมบูรณ์ของกล่อง และความปลอดภัย

แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์คลาส 1 ของซีรีส์ W10 มอบผลการตรวจจับที่แม่นยำพร้อมความแม่นยำในการทำซ้ำสูง ลำแสงเลเซอร์สีแดงที่โฟกัสจะสร้างจุดแสงเล็กๆ บนวัตถุ และทำงานรวมกับระบบการวัดแบบสามเหลี่ยมด้วยเลเซอร์ตัวรับที่รวดเร็วและแม่นยำ และการสแกนเกณฑ์การประเมินผล

นี่คือรากฐานสำหรับผลลัพธ์การตรวจจับที่มีความแม่นยำในการทำซ้ำสูงและการตัดสินใจที่รวดเร็ว โดยในโหมดความเร็ว เวลาในการตอบสนองอยู่ที่เพียง 1.8 มิลลิวินาที (ms) จึงรับประกันการสวิตช์ที่เชื่อถือได้ แม้ในความเร็วเครื่องจักรสูง ไฟ LED แสดงสถานะสองสีให้ข้อมูลตอบรับทางภาพเกี่ยวกับสถานะการตรวจจับทันที นอกจากนี้ อุปกรณ์ดังกล่าวยังเสนอการตรวจจับวัตถุที่มีคุณสมบัติพื้นผิวแตกต่างกัน เช่น ความเงา สี หรือโครงสร้าง ได้อย่างแข็งแกร่งและเชื่อถือได้

พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์แบบ PE นำเสนอตัวเลือก "การสอน" (การเรียนรู้) แบบเฉพาะบุคคลสำหรับการปรับแต่งที่เฉพาะเจาะจง นอกเหนือจากโหมดการสอนแบบ One Point ซึ่งตรวจจับวัตถุที่ระยะห่างที่กำหนดแล้ว โหมดการสอน Two Point ยังช่วยให้ตรวจจับวัตถุที่มีความสูงต่างกันได้อีกด้วย โหมดแมนนวลขยายตัวเลือกในการสอนและให้ความยืดหยุ่นมากยิ่งขึ้น สามารถเปิดใช้งานโหมดการทำงานที่ปรับให้เหมาะกับการใช้งานสามโหมดโดยใช้จอภาพ เพื่อเปิดใช้งาน Foreground Suppression หรือ Background Suppression หากจำเป็น

ผู้ปฏิบัติงานสามารถเลือก ปรับแต่ง และบันทึกการตั้งค่าสำหรับความเร็ว โหมดการทำงานมาตรฐานหรือความแม่นยำ การละเลยสภาพแวดล้อม การตั้งค่าการสอนแต่ละรายการ พารามิเตอร์ที่กำหนดค่าไว้ล่วงหน้า และค่าขีดจำกัดได้อย่างชาญฉลาด โดยใช้หน้าจอสัมผัสในตัว คุณสมบัติการล็อกหน้าจอความปลอดภัยที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะของ W10 ช่วยปกป้องการตั้งค่าจากการเข้าถึงของบุคคลภายนอก

ความยืดหยุ่นของอินเทอร์เฟซผู้ใช้ไม่ได้จำกัดอยู่แค่หน้าจอสัมผัสเท่านั้น แต่สามารถเข้าถึงฟังก์ชันเดียวกันได้ผ่านฟังก์ชัน W10 IO-Link ความยืดหยุ่นดังกล่าวทำให้มีตัวเลือกในการกำหนดค่าจากระยะไกลและการรวมข้อมูลเซ็นเซอร์ที่บันทึกไว้เข้ากับเครือข่ายอัตโนมัติที่มีอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตัวเลือกทางไฟฟ้าและแพ็คเกจสำหรับ W10

เอาต์พุตดิจิทัลของอุปกรณ์เซ็นเซอร์ W10 ถือเป็นข้อควรพิจารณาทางการออกแบบที่สำคัญ อุปกรณ์ต่างๆ มีโครงสร้างเอาต์พุต PNP/NPN แบบพุช/พูลที่ปรับได้ หากตั้งค่าเอาต์พุตเป็น PNP จะมีสัญญาณเอาต์พุตบวก และเอาต์พุตของเซ็นเซอร์สามารถจ่ายกระแสให้กับการ์ดอินพุตที่จ่ายกระแสได้ หากตั้งค่าเซ็นเซอร์เป็น NPN สัญญาณเอาต์พุตจะเป็นลบ และเอาต์พุตสามารถจ่ายกระแสเพื่อเชื่อมต่อกับการ์ดอินพุตที่จ่ายกระแสได้ (รูปที่ 5) การมีตัวเลือกทั้งสองแบบจะทำให้แน่ใจถึงความเข้ากันได้ของระดับสัญญาณพื้นฐานกับ PLC หรือตัวควบคุมระบบอื่น ๆ

แผนภาพขั้นตอนการส่งออกของหน่วย W10รูปที่ 5: ขั้นตอนเอาต์พุตของหน่วย W10 สามารถให้ทั้งโหมดซิงค์กระแสไฟ (ด้านบน) หรือโหมดแหล่งกระแสไฟ (ด้านล่าง) เพื่อรับประกันความเข้ากันได้กับ PLC ที่เกี่ยวข้อง (แหล่งที่มาภาพ : www.realpars.com)

สามารถกำหนดค่าเอาท์พุตให้เป็นโหมดสว่างหรือมืดได้ (Light-on หรือ Dark-on) ในโหมดสว่าง เอาต์พุตของเซ็นเซอร์จะมีค่าเมื่อแสงไปถึงตัวรับได้ และไม่มีค่าเมื่อแสงถูกบัง ในทางตรงกันข้าม ในโหมดมืด เอาต์พุตของเซ็นเซอร์จะมีค่าเมื่อแสงถูกกั้น และไม่มีค่าเมื่อแสงไปถึงตัวรับ

แพ็คเกจเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้มักใช้ในสถานประกอบการอุตสาหกรรม อุปกรณ์ W10 มีการออกแบบที่แข็งแกร่งด้วยตัวเรือนสแตนเลส 316L และมีระดับการป้องกัน IP67 และ IP69k มีในแพ็คเกจขนาด 18 × 57 × 42.2 มิลลิเมตร (มม.) และได้รับการกำหนดให้ใช้งานในช่วงอุณหภูมิแวดล้อมตั้งแต่ -10°C ถึง +55°C

ความท้าทายประการหนึ่งของเซ็นเซอร์ในอุตสาหกรรมคือความจำเป็นในการรองรับหน่วยงานต่างๆ ในภาคสนามหรือโรงงาน ความเป็นจริงนี้ทำให้การจัดการสินค้าคงคลังและการสนับสนุนภายในองค์กรมีความซับซ้อน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยืดหยุ่นของซีรีส์ W10 ตระกูลนี้จึงต้องใช้ตัวเรือนเพียงสองแบบเท่านั้น (รูปที่ 6) อุปกรณ์แต่ละรุ่นมีช่วงการตรวจจับสองช่วง ซึ่งมีเพียงสี่รุ่นที่แตกต่างกัน ช่วยให้กระบวนการคัดเลือกง่ายขึ้น

ภาพของอุปกรณ์ที่มีหน้าที่คล้ายคลึงกันในตระกูล SICK W10 ในรูปแบบตัวเรือนที่แตกต่างกันรูปที่ 6: อุปกรณ์ตระกูล W10 ที่มีฟังก์ชันคล้ายคลึงกันนั้นมีให้เลือกใช้ในรูปแบบตัวเรือนสองแบบ โดยแต่ละแบบมีช่วงการตรวจจับสองช่วง (แหล่งที่มาภาพ: (SICK, Inc.)

ซีรีย์ W10 รุ่น 1133545 อยู่ในตัวเรือนทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าพร้อมรูยึดมาตรฐานขนาด 1 นิ้ว และระยะห่างของวัตถุ 25 มม. ถึง 400 มม. ในขณะที่รุ่นที่คล้ายกัน 1133547 รองรับระยะวัตถุ 25 มม. ถึง 700 มม. สำหรับการติดตั้งแบบไฮบริด รุ่น 1133544 มีรูยึด M18 แบบเกลียวด้านหน้าหรือด้านข้างขนาด 1 นิ้ว โดยมีระยะห่างของวัตถุ 25 มม. ถึง 400 มม. และ W10 รุ่น 1133546 ที่สอดคล้องกันมีกล่องแบบเดียวกันแต่มีระยะห่างของวัตถุ 25 มม. ถึง 700 มม.

สรุป

อุปกรณ์เซ็นเซอร์ PE รุ่น W10 มอบโซลูชันแผ่นสะท้อนแบบกระจายแสงที่ทนทานและใช้งานได้หลากหลายสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม คุณลักษณะขั้นสูง ได้แก่ อินเทอร์เฟซผู้ใช้หน้าจอสัมผัสในตัวรุ่นแรกของอุตสาหกรรม ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการติดตั้ง การตั้งค่า และการปรับแต่ง ในขณะที่อัลกอริทึมอันซับซ้อนช่วยเพิ่มความสามารถและความแม่นยำ

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

About this author

Image of Bill Schweber

Bill Schweber

Bill Schweber เป็นวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ที่เขียนตำราเกี่ยวกับระบบสื่อสารอิเล็กทรอนิกส์สามเล่ม รวมถึงบทความทางเทคนิค คอลัมน์ความคิดเห็น และคุณลักษณะของผลิตภัณฑ์หลายร้อยฉบับ ในบทบาทที่ผ่านมาเขาทำงานเป็นผู้จัดการเว็บไซต์ด้านเทคนิคสำหรับไซต์เฉพาะหัวข้อต่าง ๆ สำหรับ EE Times รวมทั้งบรรณาธิการบริหารและบรรณาธิการอนาล็อกที่ EDN

ที่ Analog Devices, Inc. (ผู้จำหน่าย IC แบบอะนาล็อกและสัญญาณผสมชั้นนำ) Bill ทำงานด้านการสื่อสารการตลาด (ประชาสัมพันธ์) ด้วยเหตุนี้เขาจึงอยู่ในทั้งสองด้านของฟังก์ชั่นประชาสัมพันธ์ด้านเทคนิคนำเสนอผลิตภัณฑ์เรื่องราวและข้อความของบริษัทไปยังสื่อและยังเป็นผู้รับสิ่งเหล่านี้ด้วย

ก่อนตำแหน่ง MarCom ที่ Analog Bill เคยเป็นบรรณาธิการของวารสารทางเทคนิคที่ได้รับการยอมรับและยังทำงานในกลุ่มวิศวกรรมด้านการตลาดผลิตภัณฑ์และแอปพลิเคชันอีกด้วย ก่อนหน้าที่จะมีบทบาทเหล่านั้น Bill อยู่ที่ Instron Corp. ซึ่งทำการออกแบบระบบอนาล็อกและวงจรไฟฟ้าและการรวมระบบสำหรับการควบคุมเครื่องทดสอบวัสดุ

เขาจบทางด้าน MSEE (Univ. of Mass) และ BSEE (Columbia Univ.) เป็นวิศวกรวิชาชีพที่ลงทะเบียนและมีใบอนุญาตวิทยุสมัครเล่นขั้นสูง Bill ยังได้วางแผนเขียนและนำเสนอหลักสูตรออนไลน์ในหัวข้อวิศวกรรมต่าง ๆ รวมถึงพื้นฐานของ MOSFET, การเลือก ADC และการขับไฟ LED

About this publisher

DigiKey's North American Editors