قلب اتوماسیون صنعتی که خطوط تولید را به تپش ادامه می دهد، نسل جدیدی از سنسورهای هوشمند پیشرفته است که از طریق شبکه های کم تأخیر و پرسرعت به کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی با کارایی بالا (PLC) و رابط انسان و ماشین (HMI) متصل شده اند.

در اتوماسیون صنعتی، سنسورها نقش بسیار مهمی در هوشمندسازی و اتوماتیک بودن محصولات دارند. سنسورها می‌توانند موقعیت، ارتفاع، ظاهر، طول و هرگونه جابجایی مختلف را در بخش های تولید شناسایی، پردازش، تجزیه و تحلیل و اندازه‌گیری کنند.

سنسور دستگاهی است که پیشرفت‌ها را در مقادیر الکتریکی یا فیزیکی یا سایر کمیت‌ها شناسایی می‌کند و به‌گونه‌ای که بازدهی را به عنوان تأیید پیشرفت در کمیت ارائه می‌کند. به عبارت ساده، سنسورهای اتوماسیون صنعتی دستگاه های ورودی هستند که یک خروجی (سیگنال) را با توجه به یک کمیت فیزیکی خاص (ورودی) ارائه می دهند.

انواع مختلف سنسورها، تشکیل دهنده بخشی از زندگی روزمره در خانه و محل کار همه افراد هستند. احتمالاً روزی نیست که به نوعی تحت تأثیر یک سنسور قرار نگیرید.

در این مقاله، ما قصد داریم در مورد اینکه سنسور چیست، چه کاری می تواند انجام دهد و چگونه می توان از آن در کنترل فرآیند استفاده کرد صحبت کنیم. همچنین کاربردهای مختلف انواع سنسورهای مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی را بررسی خواهیم کرد.

 

سنسور صنعتی چیست؟

سنسور (Sensor) که با نام های دیگری همچون آشکارساز (Detector) یا مبدل (Transducer)‌ نیز شناخته می شود، از وسایل الکترونیکی یا الکتریکی است. این تجهیز حساس الکترونیکی، تغییرات در موقعیت، دما، جابجایی، جریان الکتریکی و پارامترهای متعدد تجهیزات صنعتی را حس، اندازه گیری و تشخیص می دهد.

بسیاری از انواع حسگرها، مبدل‌ها و آشکارسازها در دسترس هستند، از جمله آنهایی که برای تشخیص حضور فیزیکی موادی مانند آتش، فلزات، وجود نشتی، سطوح، گاز و مواد شیمیایی هستند. تعداد کمی برای حس کردن ویژگی‌های فیزیکی و برخی دیگر برای تشخیص حرکت یا نزدیکی طراحی شده‌اند. فناوری های مختلفی برای دستیابی به این اهداف مورد استفاده قرار می گیرد، از جمله القایی، مقاومت مغناطیسی، اولتراسونیک، نوری و خازنی.

علت منحصر به فرد بودن سنسورهای صنعتی، کاربردها و محیط هایی است که در آنها استفاده می شوند. آنها باید عملکرد عالی را در شرایط سخت و شدید، از جمله محیط های سخت و غیرقابل دسترس مانند دمای بسیار بالا یا بسیار پایین، ارتعاشات، رطوبت بالا و غیره ارائه دهند.

 

طبقه بندی سنسورها

در دنیای ابزار دقیق و کنترل فرآیند، ما سنسور را به عنوان وسیله ای تعریف می کنیم که تغییرات در خواص فیزیکی، الکتریکی یا شیمیایی را تشخیص می دهد و در پاسخ به آن تغییر خروجی الکتریکی تولید می کند.

از دیدگاه کنترل فرآیند، ما می توانیم حسگرها را به چهار دسته طبقه بندی کنیم.

  • سنسور پسیو (غیرفعال)

یک سنسور غیرفعال برای کار کردن به یک منبع انرژی خارجی نیاز دارد در حالی که سنسور فعال اینطور نیست.

مثالی از حسگرهای غیرفعال: یک آشکارساز دمای مقاومتی (RTD) یک سنسور غیرفعال است. این دستگاهی است که مقاومت آن با تغییر دما تغییر می کند. برای استفاده از این تغییر مقاومت، یک منبع خارجی یا یک مدار تحریک برای ایجاد تغییر در ولتاژ مورد نیاز است.

  • سنسور پسیوسنسور فعال

سنسور فعال برای کار کردن به منبع تغذیه خارجی نیاز ندارد.

مثالی از سنسورهای فعال: همانطور که یک ترموکوپل در معرض افزایش دما قرار می گیرد، ولتاژ فزاینده ای در آن ایجاد می کند.

  • سنسور فعالسنسور آنالوگ

سنسوری که نسبت به زمان، سیگنال پیوسته با خروجی آنالوگ تولید می کند، سنسور آنالوگ نامیده می شود. خروجی آنالوگ تولید شده متناسب با اندازه گیری انجام شده یا ورودی داده شده به سیستم است. به طور کلی، ولتاژ آنالوگ در محدوده ۰ تا ۵ ولت به عنوان خروجی تولید می شود. پارامترهای مختلف فیزیکی مانند دما، فشار، حرکت و غیره نمونه هایی برای سیگنال های پیوسته هستند.

  • سنسور دیجیتال

هنگامی که داده ها به صورت دیجیتالی تبدیل و منتقل می شوند، به آن سنسورهای دیجیتال گفته می شود. سنسورهای دیجیتال سیگنال های خروجی گسسته تولید می کنند. سیگنال های گسسته با گذشت زمان غیر پیوسته خواهند بود و می توانند در “بیت” برای انتقال سری و در “بایت” برای انتقال موازی نمایش داده شوند. مقدار اندازه گیری در قالب دیجیتال نشان داده می شود. خروجی دیجیتال می تواند به شکل منطق ۱ یا منطق ۰ (روشن یا خاموش) باشد.

 

انواع سنسور مورد استفاده در اتوماسیون:

در اتوماسیون صنعتی، حسگرها نقشی حیاتی در ساخت محصولات هوشمندانه و استثنایی خودکار دارند. اینها به فرد اجازه می دهد تا انواع تغییراتی مانند تغییر در موقعیت، طول، ارتفاع، جریان و سطح مواد که در بخش های تولید صنعتی رخ می دهد را شناسایی، تجزیه و تحلیل، اندازه گیری و پردازش کند. این حسگرها همچنین نقشی محوری در پیش‌بینی و جلوگیری از اقدامات بالقوه متعدد ایفا می‌کنند، بنابراین، نیازهای بسیاری از کاربردهای سنجش را برآورده می‌کنند.

انواع سنسورهای مورد استفاده در اتوماسیون به شرح زیر است:

  • سنسورهای دما
  • سنسورهای فشار
  • سنسورهای MEMS
  • سنسورهای گشتاور
  • سنسور مجاورت

سنسورهای صنعتی زیر در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی و فرآیندهای تولید کاربرد دارند. انواع مختلفی از سنسورها در سراسر اتوماسیون صنعتی حضور دارند. بیایید در مورد این انواع مختلف سنسورهای اتوماسیون صنعتی به تفصیل بحث کنیم تا دامنه استفاده آنها را درک کنیم:

 

سنسور دما

سنسور دما وسیله ای است که اطلاعات مربوط به دما را از یک منبع جمع آوری می کند و آن را به شکلی تغییر می دهد که برای دستگاه دیگری قابل درک باشد. اینها معمولاً دسته سنسورهایی هستند که دما یا گرما را تشخیص می دهند و همچنین دمای یک محیط را اندازه گیری می کنند. سنسورهای دیجیتالی دما و سنسورهای رطوبت و دما بخشی از سنسورهای دمایی اصلی مورد استفاده در اتوماسیون هستند.

سنسور دیجیتایلی دما

این سنسورهای دیجیتالی دما، آی سی های حسگر دما مبتنی بر سیلیکون هستند که خروجی دقیقی را از طریق نمایش دیجیتالی دماهایی که اندازه گیری می کنند، ارائه می دهند. این امر، طراحی سیستم کنترل را در مقایسه با رویکردهایی که شامل تهویه سیگنال خارجی و مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) است، ساده می‌کند.

سنسور رطوبت دما

سنسورهای دما و رطوبت، یک مجموعه سنسور دما و رطوبت با یک سیگنال  خروجی دیجیتالی اندازه گیری شده هستند. این مدل حسگر با استفاده از تکنیک فناوری سنجش رطوبت محدود با اکتساب سیگنال دیجیتال، ثبات بالا و پایداری طولانی مدت استثنایی را تضمین می کند.

کاربرد سنسورهای دما

  • آنها ضد آب هستند و برای اندازه گیری مداوم دما در هوا، خاک یا آب طراحی شده اند
  • دقت و ثبات استثنایی
  • قابل استفاده برای اندازه گیری در کاربردهای پیچیده صنعتی
  • قابل استفاده برای اندازه گیری در شرایط عملیاتی سخت

سنسور دماسنسور فشار

سنسور فشار ابزاری است که فشار را دریافت کرده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند که در آن مقدار حس شده، به فشار اعمال شده بستگی دارد.

سنسور خلاء نمونه ای از سنسورهای فشار اصلی مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی است.

سنسور خلاء

سنسورهای خلاء زمانی استفاده می شوند که فشار خلاء کمتر از سطح فشار اتمسفر باشد و تشخیص آن از طریق روش های مکانیکی دشوار باشد. این حسگرها عموماً به یک سیم گرم شده با مقاومت الکتریکی مرتبط با دما بستگی دارند. هنگامی که فشار خلاء افزایش می یابد، همرفت پایین می آید و دمای سیم بالا می رود. مقاومت الکتریکی به طور متناسب افزایش می‌یابد و در مجاورت فشار کالیبره می‌شود تا اندازه‌گیری مؤثری از خلاء ایجاد شود.

کاربرد سنسور فشار

  • برای اندازه گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در یک مکان معین استفاده می شود.
  • مورد استفاده در ابزار دقیق آب و هوا، هواپیماها، وسایل نقلیه و هر ماشین آلات دیگری که دارای عملکرد فشار است
  • سنسورهای فشار را می توان در سیستم ها برای اندازه گیری متغیرهای دیگر مانند جریان سیال/گاز، سرعت، سطح آب و ارتفاع استفاده کرد.

سنسور فشارسنسور MEMS (سیستم های میکرو الکترومکانیکی)

این سنسورهای اتوماسیون صنعتی MEMS سیگنال های مکانیکی اندازه گیری شده را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند.

MEMS حرکتی و شتابی، چند سنسور مهم مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی هستند.

سنسور شتاب

سنسورهای شتاب سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) یکی از سنسورهای اصلی اینرسی هستند و دارای حسگر پویا که طیف وسیع تری از قابلیت های سنجش را شامل می شود، هستند.

سنسور حرکت

حسگرهای حرکتی سیستم میکرو الکترومکانیکی (MEMS) از الگوریتم های پردازش داده طراحی شده بر روی یک پلت فرم تعامل حرکتی استفاده می کنند که تعداد زیادی سنسور حرکتی MEMS ارزان قیمت را با فناوری بی سیم ZigBee ادغام می کند تا تعاملات شخصی را در حین کار با ماشین ها انجام دهد. سیستم های پردازش سیگنال سنسور عمدتا حذف نویز، هموارسازی سیگنال، پارتیشن تاثیر گرانش، تغییر سیستم مختصات و بازیابی اطلاعات موقعیت را حل می کنند. این نوع حسگر به طور گسترده در صنعت خودرو در فناوری ABS استفاده می شود.

کاربرد سنسورهای MEMS

  • اینها کاربردهای متعددی از صنعت، سرگرمی، ورزش گرفته تا آموزش دارند. به عنوان مثال، راه اندازی کیسه هوا یا نظارت بر راکتورهای هسته ای.
  • برای اندازه گیری شتاب استاتیک (گرانش)، شیب یک جسم، شتاب دینامیکی در هواپیما، ضربه به جسم در خودرو، ارتعاش یک جسم استفاده می شود. تلفن همراه، ماشین لباسشویی یا کامپیوتر هم حتی از این نوع سنسور بهره می برند.
  • برای تشخیص حرکت استفاده می شود.

 

سنسور گشتاور

سنسورهای گشتاور با توقف های مکانیکی ضروری کامل می شوند، ظرفیت اضافه بار را افزایش می دهند و محافظ اضافی در هنگام نصب و کار ارائه می دهند.

ترانسدیوسر‌های گشتاور و گشتاور دوار، سنسورهای مهمی هستند که در اتوماسیون صنعتی استفاده می‌شوند.

سنسور گشتاور دوار

این سنسورهای گشتاور چرخشی اتوماسیون صنعتی برای اندازه گیری واکنش گشتاور چرخشی استفاده می شود. این گشتاورسنج ها با توقف های مکانیکی ضروری، ظرفیت مازاد را افزایش می دهند و ایمنی بیشتری را در هنگام نصب و کار ارائه می دهند.

ترانسدیوسر گشتاور

این مبدل‌های گشتاور از فناوری گیج کرنش برتر برای رفع چالش‌برانگیزترین نیازها برای کاربردهای استاتیکی و دینامیکی حسگرها استفاده می‌کنند.

کاربرد سنسورهای گشتاور

  • برای اندازه گیری سرعت چرخش و نیازهای نگهداری استفاده می شود.
  • برای اندازه گیری جرم و گشتاور جرمی اینرسی استفاده می شود.
  • مقدار گشتاوری باید از نقطه دید فرآیند شبه استاتیکی محاسبه شود.
  • برای اندازه گیری بالاترین سرعت چرخش، گشتاور نوسانی استفاده می شود.

سنسور گشتاورسنسور مجاورت

این حسگرها که از سر حسگر (اپتیکال، القایی و خازنی)، تقویت کننده، مدار آشکارساز و مدار خروجی (TTL، رله حالت جامد) تشکیل شده‌اند، حضور اجسام نزدیک را تشخیص داده و هرگونه تماس فیزیکی را حس می‌کنند. اینها در اتوماسیون صنعتی متصل به لاین های نقاله، ماشین ابزار با سنسورهای دیجیتال برای تشخیص وجود یا عدم وجود یک شی یافت می شوند.

سنسورهای مجاورت نوری و سنسورهای مجاورت اولتراسونیک از مهم ترین انواع سنسور مجاورت پرکاربرد در اتوماسیون صنعتی هستند.

سنسور مجاورت نوری

سنسورهای مجاورت نوری شامل یک منبع نور (LED) و یک آشکارساز نور (ترانزیستور نوری) هستند. سیگنال برای به حداقل رساندن شرایط نور محیطی مدوله شده است. این حسگرها معمولاً در شمارش جعبه، کنترل ارتفاع بسته ها و کنترل سطح سیال استفاده می‌شوند، این سنسورها در سه حالت عملیاتی کار می‌کنند: الف) حالت پرتو با برد ۲۰ متر، ب) بازتابی با فاصله ۱-۳ متر و ج) پخش حالت بازتابی با برد ۱۲-۳۰۰ میلی متر. این سنسورها غیر تماسی و غیر حساس به لرزش و ضربه هستند. قطعات متحرک آنها صفر است.

سنسور مجاورت اولتراسونیک

سنسورهای مجاورت اولتراسونیک از یک پالس صوتی با محدوده فرکانس ۴۰ کیلوهرتز تا ۲ مگاهرتز برای اندازه گیری زمان فلایت و دامنه استفاده می کنند. آنها به عنوان یک هشدار پیش از برخورد احتمالی و تشخیص سطوح جامد و مایع استفاده می شوند. این حسگرها اجسامی را که در آنها از فتوسل های معمولی برای اندازه گیری سطح جامدات و مایعات، تشخیص قطر یا حلقه برای موادی مانند ورق آهن، کاغذ، و تشخیص اشیاء شفاف مانند پلاستیک، فیلترهای پلاستیکی، بطری های شیشه ای و… استفاده نمی شود، شناسایی می کنند.

سنسور مجاورت اولتراسونیکجمع بندی

همه این سنسورهای ذکر شده در بالا به طور فزاینده ای در صنعت اتوماسیون مورد استفاده قرار می گیرند. انتخاب سنسور مناسب برای کنترل طراحی سیستم بسیار مهم است. دقت، نوع خروجی، زمان پاسخگویی، نحوه نصب و… چند ویژگی هستند که در انتخاب باید در نظر گرفته شوند.

  • حسگرها بخشی از زندگی روزمره در خانه و محل کار هستند.
  • سنسور وسیله ای است که می تواند ببیند، احساس کند، بشنود، بو کند و حتی بچشد.
  • طبقه بندی سنسورها به فرم زیر انجام می شود:
    • غیرفعال – نیاز به یک تحریک خارجی برای تولید خروجی الکتریکی
    • فعال – تولید ولتاژ خروجی بدون هیچ گونه تحریک خارجی
    • سنسور آنالوگ: سنسوری که نسبت به زمان، سیگنال پیوسته با خروجی آنالوگ تولید می کند.
    • سنسور دیجیتال: سیگنال های خروجی گسسته و غیر پیوسته تولید می کند.
  • کنترل در حین فرآیند، حسگرها برای اندازه گیری متغیرهای فیزیکی مانند سطح، دما، جریان، فشار، سرعت و موقعیت استفاده می شوند.
  • ولتاژ خروجی سنسور بسیار کوچک است و بنابراین به یک ترانسمیتر نیاز دارد تا خروجی را تقویت یا شرطی کند تا در برنامه های کاربردی کنترل فرآیند قابل استفاده باشد.