産業機械におけるデジタルセンサー：機能、種類、選定のベストプラクティス

産業機械と加工装置は、機能するセンサーなしでは稼働しません。不良センサーは、コントローラーに信号を送らなかったり、動作や操作を可能にしなかったりして、生産を停止させます。さらに悪いのは、間違った信号や間違ったタイミングで信号を送るセンサーです。このような「誤作動」は事故とコストのかかる衝突を招きます。

センサーはアナログとデジタルに分類されます。本記事ではデジタルセンサーの使用法と利用可能な種類を解説し、特定の用途に適したデジタルセンサーを選定するためのガイダンスを提供します。

センサーの使用方法と用途

デジタルセンサーは、容器のコンベア上の存在、液面、メカニズムが特定位置に到達したことなど、存在、不在、レベル、位置の動きを、応答としてアクションを実行する何か（コントローラー等）に伝達するために使用されます。

デジタルセンサーからの出力は通常、PLCのI/Oモジュールに入力されます。場合によってはI/Oハードウェア経由でPCに入力されたり、それほど複雑でない実装ではリレーに直接接続されたりします。

アプリケーションは、オペレーターに部品が位置決めされたことを知らせるライト点灯のようにシンプルな場合もあれば、ロボットグリッパーの部品存在センサーがコントローラーに部品が把持されたことを知らせるような複雑な場合もあります。

電気的基礎

ほとんどの産業用センサーは24Vdcを使用します（一部の業界では120Vacを好みます）。これはセンサーボディから出る3本のワイヤーのうち2本を構成します。残りの1本が信号線です。センサーはPNPまたはNPN、ソーシングまたはシンキングとして記述されます。既存センサーの交換、システムへのセンサー追加、ゼロからの構築のいずれであっても、適切なタイプを選択することが重要です。

1. PNPとNPNセンサー

PNPとNPNは、センサー内のトランジスタが信号をオン/オフする方法を指します。PNPセンサーでは信号がオン時にハイ（+24V）になり、NPNセンサーではローになります。入力モジュールを補完する必要があるため、正しいタイプを使用することが重要です。

センサー交換時には、欧州と北米の機械メーカーは一般的にPNPセンサーを好み、アジア製機器はNPNをよく使用することに注意してください。

2. ソーシングとシンキング

これらの用語もセンサー内のトランジスタに関連します。PNPセンサーでは信号が+24Vに引き上げられ論理真を示し、これがPLC DIモジュールに流れ込みます。したがってセンサーがソース、DIモジュールがシンクとなります。

NPNセンサーではこれが逆転し、センサーがシンク、PLCがソースとなります。したがってセンサーからの0Vが論理真となります。

3. スイッチングロジック

センサーはノーマルオープン（NO）またはノーマルクローズド（NC）に設定できます。例えば、コンベア上のフォトセンサーは部品が存在しない時にロー信号を出力し、ビームが遮断されるとハイに切り替わる、またはその逆の動作をするよう設定できます。

また、センサーを直列または並列に配線できます。これによりANDおよびOR機能を作成する機会が生まれ、PLCへの配線本数とPLCプログラミング量を削減できます。

デジタルセンサーの種類

• 光電センサー： 光電セルを使用して光ビームを検出します。光源をある程度離れた場所に配置できるため、コンベア用途に適しています。
• 誘導センサー： 変動する電磁界を放出するコイルを内蔵します。金属が電磁界を通過すると擾乱が生じ、出力が促されます。誘導センサーは非常に短距離用途向けです。
• 静電容量センサー： 電気コンデンサと同じ原理を使用し、近くのあらゆる材料の存在を検出します。導電性および非導電性材料の両方に対応可能です。

デジタルセンサー選定の考慮事項

主なポイントは以下の通りです：

• ターゲットの位置と距離 – 接触型か非接触型かを決定
• ターゲットの種類 – 金属/非金属、固体/液体、透明/不透明、反射/非反射
• 利用可能スペース – 多くのセンサーが12mm径ボディで利用可能だが、すべてではない。より多くのスペースを必要とするものもある
• 作業環境 – 洗浄？ 防爆？ 高粉塵？ 高湿度？
• 接続 – PNPかNPN？ 24Vdcか120Vac？ NOかNC？
• 感度、分解能、精度、繰り返し精度 – センサーに求められる性能を定義

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最適なセンサーは、取り付けられた機械やデバイスの反復可能で正確、信頼性の高い動作を実現します。逆に、不適切な選択は一貫性のない動作を招き、品質のばらつき、頻繁な停止、さらには危険な作業環境を生み出す可能性があります。

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John Henry Fosterは最近、Sensors IncorporatedとSensors Integrationを買収しました。Sensorsは産業用センサー、安全、マシンビジョンの統合における全国的リーダーであり、OEM、システムインテグレーター、エンドユーザー向けに技術サービスとサポートを提供しています。両社は独立して運営を継続していますが、両社とも強力な知的リソースを持ち、相互にナレッジシェアを行っています。

画像提供：Banner EngineeringおよびSensors Incorporated