ระบบการควบคุมเครื่องจักรและระบบอัตโนมัติสำหรับโรงพิมพ์และโรงงานอุตสาหกรรม โดยใช้พีแอลซีและซอฟแวร์ (ตอนที่ 5)
(Machine control system and Automation system for Printing houses and Industrial plants using PLC and Software Part 5)
โดย วิรัช เดชาสิริสิงห์ ผู้เชี่ยวชาญด้านระบบโรงงานอัตโนมัติและการลดต้นทุนในโรงงานและกระบวนการผลิต[email protected]
สำหรับเนื้อหาในเล่มล่าสุด เป็นเรื่องเกี่ยวกับเซ็นเซอร์ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรม ซึ่งแบ่งออกเป็นหลายประเภท และก่อนจบบทความในเล่มได้มีการอธิบายในส่วนของ Welding Immune Proximity Sensor ที่ใช้สำหรับงานเชื่อมไฟฟ้า
สำหรับเนื้อหาในเล่มนี้จะได้อธิบายการใช้งานของ Proximity Sensor ในชนิดต่อไปที่มีเนื้อหาต่อเนื่องกัน
Mini Size Proximity Sensor
สำหรับงานตรวจจับวัตถุบางประเภท ขนาดของเซ็นเซอร์ทั่วไปอาจไม่เหมาะสม เนื่องจากมีขนาดที่ใหญ่หรือมีน้ำหนักที่มากเกินไป จึงทำให้ไม่เหมาะสมกับเครื่องจักรบางประเภท Proximity Sensor ที่เป็นแบบ Miniature Proximity Sensor จึงได้ถูกออกแบบมาสำหรับงานเฉพาะเจาะจง โดยจะมีน้ำหนักเบาเพียง 0.7 กรัม และเหมาะสำหรับงานที่มีแรงสั่นสะเทือนค่อนข้างมาก
โดยการติดตั้ง mini size proximity สามารถทำได้ง่าย และสามารถติดตั้งรวมเข้ากับอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่มีพื้นที่แคบ เหลือไว้สำหรับติดตั้งตัวเซ็นเซอร์ เช่น ตัวลิเนียร์สไลด์ หรือวาล์ว กระบอกลม หรือ การตรวจจับตำแหน่งของแขนหุ่นยนต์ ซึ่งทำให้เราสามารถลดขนาดพื้นที่ในการติดตั้งได้ ถึงแม้ว่าจะมีขนาดที่เล็ก โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 mm, 4 mm, 5 mm และ 6 mm เท่านั้น แต่ก็ไม่ได้มีปัญหาเรื่องของความแข็งแรงของตัวเซ็นเซอร์ เนื่องจากโครงสร้างทำจากสแตนเลสสตีล
Sensor for Cylinders or High pressure (use with pistol)
สำหรับงานที่ต้องการตรวจจับตำแหน่งของตัวแกนของกระบอกไฮโดรลิกนั้น จะใช้ Proximity Sensor แบบธรรมดาไม่ได้ เนื่องจากไม่สามารถทนต่อแรงดันภายในกระบอกลมหรือไฮโดรลิกได้ ดังนั้นการประยุกต์ใช้งาน Prox. สำหรับการตรวจจับตำแหน่งของกระบอกสูบชนิดนี้ เราสามารถใช้ตัว High Pressure Prox. ซึ่งสามารถทนต่อแรงดันได้สูงถึง 500 bar
โดยเซ็นเซอร์ในกลุ่มนี้ สามารถแบ่งเป็นรุ่นต่าง ๆ ได้อีกหลากหลายรุ่น เช่น StokeMaster, High Pressure Inductive Sensor, High Pressure Miniature Inductive Sensor, ซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน
Steel face Proximity Sensor
การตรวจจับตำแหน่งของเซ็นเซอร์ ในบริเวณที่มีความเสี่ยงต่อการเกิดความเสียหายนั้น ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ โดยเฉพาะการกระแทก อาจก่อให้เกิดความเสียหายในวงกว้างได้ เช่น บริเวณเครื่องกัด หรือ กลึง ชิ้นงานขนาดใหญ่บนแท่นจับยึด ซึ่งอาจเกิดการกระเด็นของเศษโลหะ จนทำให้เกิดความเสียหายให้กับตัว proximity sensor ได้ เนื่องจากด้านหน้าของเซ็นเซอร์นั้น มีโครงสร้างที่ทำมากจากพลาสติก
จากปัญหาที่กล่าวมาจึงนำไปสู่การพัฒนาเซ็นเซอร์ ชนิดพิเศษ Steel Face Proximity ขึ้นมา โดยมีโครงสร้างทั้งหมดสร้างขึ้นจากโลหะ และมีด้านหน้าเป็นเหล็กหนา 1 mm. มีความทนทานต่อการกระแทก นอกจากนี้ยังมีรุ่นที่เพิ่มระยะการตรวจจับได้ 2 หรือ 3 เท่า ของระยะตรวจจับปกติเพื่อความสะดวกต่อการติดตั้งและลดโอกาสจากการถูกกระแทก จึงช่วยให้ Prox. มีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น
ในส่วนของงานที่มีการเชื่อม โดยปกติจะมีเศษสะเก็ดไฟที่เกิดจากการเชื่อมมาติดที่ proximity ซึ่งบ่อยครั้ง จะทำให้เกิดความผิดพลาดในการทำงาน อันเนื่องมาจากเศษของโลหะที่ติดอยู่ด้านหน้าของ proximity แต่สำหรับ steel face proximity เราสามารถเพิ่มการเคลือบผิวของตัว proximity ด้วย PTFE เพื่อช่วยป้องกันการติดของเศษโลหะที่เกิดจากการเชื่อมได้
High Temp Proxmity Sensor
คุณสมบัติของ Proximity Sensor แบบทั่วไปนั้น จะสามารถทนอุณหภูมิสูงสุดได้เพียง 70 องศา ซึ่งอาจไม่เพียงพอสำหรับการทำงานในอุตสาหกรรมบางประเภท เช่น อุตสาหกรรมเหล็ก เนื่องจากสภาพแวดล้อมในการทำงานนั้นมีอุณหภูมิที่สูงมาก ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องอาศัย Prox. ชนิดพิเศษ เพื่อช่วยให้ทนต่อสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงได้
โดย Prox. ชนิดพิเศษนี้มีชื่อว่า Ultra-High Temperature-Resistance Inductive Sensor ซึ่งสามารถใช้งานได้ในอุณหภูมิที่ -25 ถึง 160 องศาเซลเซียส ซึ่งนิยมใช้กันมากในอุตสาหกรรมเหล็กหรืองานตรวจจับตำแหน่งของแม่พิมพ์พลาสติก
Stainless steel (food grade)
สำหรับงานที่ต้องรักษาความสะอาดของกระบวนการผลิต โดยปราศจากการการสะสมของเชื้อโรคนั้น จึงจำเป็นต้องมี Prox. ที่ถูกสร้างขึ้นมาโดยเฉพาะ เพื่อตอบสนองจุดประสงค์และให้เป็นไปตามมาตรฐานการผลิตต่าง ๆ เช่น GMP, HACCP ซึ่งถ้าใช้ Prox. ที่ไม่ตรงประเภทก็อาจเกิดปัญหาในการทำงานได้ ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการผลิตอาหารและเครื่องดื่มจะมีโอกาสที่ Proximity sensor อาจจะไปสัมผัสกับผลิตภัณฑ์ หรือสารเคมีต่าง ๆ ได้
ปัจจุบันมีเทคโนโลยีของ Proximity sensor ที่สามารถใช้งานในสภาวะแวดล้อมเหล่านี้ได้ เช่นProxinox Stainless Steel Sensor เป็น Proximity Sensor ที่ถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานในกระบวนการเหล่านี้โดยเฉพาะ โดยจะมีคุณสมบัติพิเศษ เช่น ไม่มีการแสดงผล LED ที่เป็นแบบออกจากรู ซึ่งโดยปกติจะมีร่องให้แสงส่องออกมาบริเวณนั้น ซึ่งอาจเป็นแหล่งเพาะเชื้อได้ จึงมีการปรับการออกแบบให้แสงส่องผ่านพลาสติกใสของคอนเน็คเตอร์แทน
ด้วยโครงสร้างที่ทำจาก Stainless Steel 1.4571 เป็นวัสดุที่สามารถใช้ในงานอาหารและเครื่องดื่มได้ อีกทั้งยังใช้หน้าคอนแท็กที่เคลือบด้วยทองคำ เพื่อป้องกันการกัดกร่อนที่ขั้วต่อ สุดท้ายจะเป็นเรื่องของป้ายแสดงข้อมูลต่าง ๆ จะใช้แสงเลเซอร์ในการทำขึ้นบนผิว โดยไม่มีการใช้แผ่นกระดาษ หรือ พลาสติก ในการติดเพื่อป้องกันการหลุดล่วงที่อาจเกิดขึ้นได้
Proximity Sensor Analog output
ในการตรวจจับตำแหน่งของวัตถุหรือชิ้นงานที่ต้องการความละเอียดสูง ถึงขั้นรู้ระยะห่างระหว่างชิ้นงานกับตัวเซ็นเซอร์ Proximity Sensor ที่เรารู้จักกันโดยทั่ว ๆ ไปไม่สามารถทำงานหรือตอบโจทย์งานแบบนี้ได้ เนื่องจากโครงสร้างของเอาท์พุทเป็นแบบเปิดหรือปิดเท่านั้น แต่ปัจจุบันมี Proximity Sensor แบบ Inductive Distance Sensor ที่สามารถนำมาใช้งานในลักษณะนี้ได้ คือการวัดระยะห่างแบบใกล้ ๆ ของวัตถุกับตัวเซ็นเซอร์ได้ โดยไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับชิ้นงาน
ซึ่ง Inductive Distance Sensor สัญญาณเอาท์พุทที่เป็นแบบอนาล็อก เช่น แรงดัน 0-10VDC. หรือกระแส 4-20mA. โดยจะแปรผันตามระยะห่างของวัตถุกับตัวเซ็นเซอร์ การใช้งานเซ็นเซอร์ประเภทนี้จะนิยมใช้ใน การเฝ้าดูระยะห่างของการเคลื่อนที่ หรือระยะการปั้มชิ้นงาน การล็อคชิ้นงาน หรือการดูความ Balance ของเครื่องจักรต่าง ๆ
Inductive Tube Sensor
ในกระบวนการผลิต ที่มีการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ มักจะมีการสำเลียงชิ้นส่วนขนาดเล็ก เข้ามายังเครื่องจักรหรือเป็นชิ้นส่วนที่ได้จากการผลิตโดยส่วนใหญ่จำเป็นต้องมีการนับจำนวนของชิ้นส่วนเหล่านั้นผ่านทางท่อที่ลำเลียง หากใช้ Proximity Sensor แบบธรรมดา นั้นอาจก่อให้เกิดปัญหาในการติดตั้ง อีกทั้งเรื่องของความเร็วในการตรวจนับชิ้นงาน อาจเกิดการนับไม่ทัน จึงได้มีการพัฒนา Inductive Tube Sensor ขึ้นมาเพื่อใช้ในงานประเภทนี้โดยเฉพาะ ซึ่งจะออกแบบให้มีการติดตั้งที่เข้ากับตัวท่อลำเลียงได้โดยง่ายและมีความเร็วในการตรวจจับชิ้นงานมากขึ้น โดยความเร็วสูงที่สามารถตรวจจับได้สูงถึง 20m/s
Inductive Ring Sensor
สำหรับงานที่ต้องการตรวจจับชิ้นงานที่มีลักษณะตกลงมา หรือการตรวจจับความต่อเนื่องของชิ้นงาน เช่น สายไฟ การใช้งานตัว Proximity Sensor แบบธรรมดา อาจเกิดความยุ่งยากในการติดตั้ง ปัจจุบันจึงมี Proximity Inductive Ring Sensor ที่มีโครงสร้างเป็นแบบรูตรงกลางเพื่อให้วัตถุหรือชิ้นงานที่ต้องการตรวจจับรอดผ่านมาเพื่อนับจำนวนต่อไป
จากข้อมูลทั้งหมดที่กล่าวมานั้น จะเห็นได้ว่าการแบ่งประเภทของ Inductive Proximity Sensor นั้น สามารถใช้เกณฑ์ในการแบ่งได้หลายรูปแบบ โดยในที่นี้ เราสามารถจำแนก ได้เป็นทั้งหมด 4 แบบ ดังนี้ การแบ่งประเภทจากรูปร่าง การแบ่งประเภทจากการใช้สาย การแบ่งแบบ Flush และ Non-flush และการแบ่งตามการใช้งาน จะเห็นได้ว่าหากเรามีความรู้ความเข้าใจในเรื่องของคุณสมบัติของแต่ละประเภท สิ่งเหล่านี้จะสามารถช่วยให้เราเลือกใช้งาน Prox. ได้ตรงตามวัตถุประสงค์ ซึ่งจะก่อให้เกิดผลดีอย่างมากในการทำงานและช่วยยืดอายุการใช้งานให้กับ Prox. ได้ดีอีกด้วย
2. Photoelectric sensors
การแบ่งประเภทตามโหมดการทำงาน
เพื่อให้การเลือกใช้งาน โฟโต้อิเล็กทริคเซ็นเซอร์ ให้เป็นไปตามความต้องการ และเหมาะสมกับวัตถุ หรือ ชิ้นงานที่เราต้องการตรวจจับนั้น เราจำเป็นต้องทำความเข้าใจประเภท หรือ โหมดการทำงานของตัวเซ็นเซอร์ให้เรียบร้อยก่อนที่จะเลือกใช้ โดยเราจะสามารถแบ่งโฟโต้เซ็นเซอร์ออกเป็นประเภทหรือโหมดต่าง ๆ ได้ดังนี้
Opposed Mode,Through Beam Photoelectric sensor โฟโต้เซ็นเซอร์แบบตัวรับ-ตัวส่ง อยู่แยกกัน
เมื่อถึงเวลาการใช้งานจะวางให้อยู่ตรงข้ามกัน ซึ่งเป็นโฟโต้เซ็นเซอร์ที่สามารถตรวจจับวัตถุที่มีขนาดใหญ่ และช่วงระยะในการตรวจจับมากที่สุด ซึ่งในสภาวะการทำงานปกติตัวรับ Receiver จะสามารถรับสัญญาณแสงจากตัวส่ง Emitter ได้ตลอดเวลา โดยเซ็นเซอร์แบบนี้จะทำหน้าตรวจจับวัตถุที่เคลื่อนที่ตัดผ่านหน้าเซ็นเซอร์ ซึ่งวัตถุหรือชิ้นงานที่ผ่านหน้าเซ็นเซอร์จะขวางลำแสงที่ส่งจากตัวส่ง Emitter ไปยังตัวรับ Receiver
เมื่อลำแสงไม่สามารถถึงตัวรับ จะทำให้วงจรภายในรับรู้ได้ว่า มีวัตถุหรือชิ้นงานขวางอยู่ ทำให้สถานะของเอาท์พุตของตัวรับเปลี่ยนแปลงไป โดยเราเรียกลักษณะการทำงานแบบนี้ว่า Dark On หรือ Dark Operate
Retro-reflective Photoelectric sensor โฟโต้เซ็นเซอร์แบบใช้งานคู่กับแผ่นสะท้อน
ภายตัวเซ็นเซอร์แบบนี้จะมีตัวส่ง Emitter และตัวรับ Receiver ติดตั้งภายในตัวเดียวกัน ทำให้ไม่จำเป็นต้องเดินสายไฟทั้งสองฝั่งเหมือนแบบ Opposed Mode ทำให้การติดตั้งใช้งานได้ง่ายกว่า แต่อย่างไรก็ตามจำเป็นต้องติดตั้งตัวแผ่นสะท้อนหรือ Reflector ไว้ตรงข้ามกับตัวเซ็นเซอร์เอง โดยโฟโต้เซ็นเซอร์แบบที่ใช้แผ่นสะท้อนแบบนี้จะเหมาะสำหรับชิ้นงานที่มีลักษณะทึบแสงไม่เป็นมันวาว เนื่องจากอาจทำให้ตัวเซ็นเซอร์เข้าใจผิดว่าเป็นตัวแผ่นสะท้อน และทำให้ทำงานผิดพลาดได้
เซ็นเซอร์แบบนี้จะมีช่วงในการทำงานหรือระยะในการตรวจจับจะได้ใกล้กว่าแบบ Opposed mode ซึ่งในสภาวะการทำงานปกติตัวรับ Receiver จะสามารถรับสัญญาณแสงจากตัวส่ง Emitter ได้ตลอดเวลา เนื่องจากลำแสงจะสะท้อนกับแผ่นสะท้อน Reflector อยู่ตลอดเวลา
หน้าที่หลักของเซ็นเซอร์ชนิดนี้จะคอยตรวจจับวัตถุที่เคลื่อนที่ตัดผ่านหน้าเซ็นเซอร์ เมื่อวัตถุหรือชิ้นงานผ่านเข้ามาที่หน้าเซ็นเซอร์ แล้วจะการขวางลำแสงที่ส่งจากตัวส่ง Emitter ที่ส่งไปยังแผ่นสะท้อน จึงทำให้ตัวรับ Receiver ไม่สามารถรับลำแสงที่จะสะท้อนกลับมาได้
ซึ่งจะทำให้วงจรภายในรับรู้ได้ว่า มีวัตถุหรือชิ้นงานขวางอยู่ ทำให้สถานะของเอาท์พุตของตัวรับเปลี่ยนแปลงไป โดยเราเรียกลักษณะการทำงานแบบนี้ว่า Dark On หรือ Dark Operate นอกจากนี้ตัว Photoelectric sensor ที่ใช้แผ่นสะท้อน สามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ ได้ดังนี้ Non Polarization Photoelectric sensor / Polarization Photoelectric sensor
Diffuse mode, Proximity mode โฟโต้เซ็นเซอร์แบบสะท้อนกับวัตถุโดยตรง
ภายในตัวเซ็นเซอร์แบบนี้จะมีตัวส่ง Emitter และตัวรับ Receiver ติดตั้งภายในตัวเดียวกัน ทำให้ไม่จำเป็นต้องเดินสายไฟทั้งสองฝั่งเหมือนแบบ Opposed Mode ทำให้การติดตั้งใช้งานได้ง่ายกว่า โฟโต้เซ็นเซอร์แบบสะท้อนกับวัตถุ
เซ็นเซอร์ชนิดนี้จะใช้ในการ ตรวจจับชิ้นงานที่มีลักษณะทึบแสงและโปร่งแสงได้ ซึ่งในสภาะการทำงานปกติตัวรับ Receiver จะไม่สามารถรับสัญญาณจากตัวส่ง Emitter ได้ เนื่องจากไม่มีวัตถุที่จะทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนลำแสงกลับมายังตัวรับ Receiver
โดยเซ็นเซอร์แบบนี้จะทำหน้าที่ตรวจจับวัตถุที่เคลื่อนที่ตัดผ่านที่หน้าของเซ็นเซอร์ โดยวัตถุหรือชิ้นงานที่ผ่านหน้าเซ็นเซอร์จะทำหน้าที่สะท้อนลำแสงที่ส่งมาจากตัวส่ง Emitter กลับไปยังตัวรับ จึงทำให้ตัวรับ Receiver สามารถรับลำแสงที่จะสะท้อนกลับมาได้ ซึ่งจะทำให้วงจรภายในรับรู้ได้ว่า มีวัตถุหรือชิ้นงานขวางอยู่ ทำให้สถานะของเอาท์พุตของตัวรับเปลี่ยนแปลงไป โดยเราเรียกลักษณะการทำงานแบบนี้ว่า Light On หรือ Light Operate นอกจากนี้ตัว Photoelectric sensor ที่ใช้แผ่นสะท้อน สามารถแบ่งประเภทย่อยได้ดังนี้
Diffuse Mode
เป็นโหมดการทำงานพื้นฐานสุดของ Photoelectric sensor แบบ Diffuse mode ซึ่งแสงที่ส่งออกจากตัว Emitter นั้น จะทำมุมกับตัวเซ็นเซอร์เอง แต่ตัวรับหรือ Receiver นั้นจะรับเฉพาะแสงที่สะท้อนกับวัตถุแล้วส่งกลับมาตั้งฉากกับตัวรับเท่านั้น ซึ่งการทำงานแบบนี้ ในเรื่องของสี ขนาด และความสว่างของวัตถุ มีผลต่อระยะทางในการตรวจจับทั้งสิ้น
Background Suppression
เป็นโฟโต้เซ็นเซอร์ชนิดหนึ่งที่อยู่ในกลุ่มของ Diffuse Mode โดยโฟโต้เซ็นเซอร์แบบ Background Suppression นั้น ถูกออกแบบมาให้แก้ปัญหาในการตรวจจับวัตถุที่มีตำแหน่งในการตรวจจับวางอยู่ใกล้กับตัวพื้นหลัง ซึ่งอาจมีลักษณะของพื้นผิวที่ใกล้เคียงกับชิ้นงานจนทำให้บางครั้งตัวเซ็นเซอร์แบบธรรมดาไม่สามารถแยกแยะระหว่างชิ้นงานกับพื้นหลังได้ ทำให้การทำงานเกิดความผิดพลาด
แต่สำหรับ Photoelectric sensor background suppression นั้นจะอาศัยหลักการทำงานแบบสามเหลี่ยมมุมฉาก โดยตัว Emitter จะส่งสัญญาณแสงเป็นเส้นตรงโดยตั้งฉากกับเลนส์ ส่วนภาครับจะติดตั้งให้ทำมุมกับภาคส่ง เพื่อแสงสะท้อนกับชิ้นงานแล้วกลับมายังภาครับ ซึ่งภาครับของตัว Photosensor แบบ Background Suppression จะประกอบไปด้วย Photo Transistor 2 ชุด ซึ่งทำหน้าที่รับสัญญาณแสงที่จะท้อนกลับมา และทำการเปรียบเทียบกับเป็นวงจร Window Comparator เพื่อให้สามารถรับรู้ได้ว่าตำแหน่งที่ต้องการตรวจจับอยู่ที่ตรงไหน โดย Photo Transistor ทั้งสองชุดจะจดจำค่าระดับของแสงที่รับได้เอาไว้ ก็จะสามารถจำกัดระยะทางในการตรวจจับได้ ตามขนาดของมุมที่สะท้อนกลับมา
ข้อมูลอ้างอิง:
• Simtec institute.
• Factomart Co., Ltd.
เครดิตภาพประกอบ:
• https://th.aliexpress.com/item/1005005480980322.html
• https://us.misumi-ec.com/blog/utilizing-proximity-sensors-in-mechanical-system-design/
• https://www.ifm.com/de/en/shared/products/zylindersensoren/sensors-for-hydraulic-cylinders
• https://www.compomax.co.th/product/steel-face-proximity-sensors/
• https://www.dubai-sensor.com/blog/high-temperature-inductive-proximity-sensor-specifications-applications/
• https://automationsciencescorp.com/services/
• https://www.depac.eu/en/mechanical-seals/industry-solutions/chemicals
• https://pantip.com/topic/34886131
• https://egelectronics.com/product/dietz-ring-sensor
• https://en.dietz-sensortechnik.de/products.html
• https://www.designnews.com/motion-control/balluff-s-latest-generation-of-inductive-ring-sensors
• https://mall.factomart.com/type-of-photoelectric-sensor/
