Cảm biến xy lanh khí nén: loại reed, từ điện tử, cách đấu và chỉnh

Cảm biến xy lanh khí nén là cảm biến từ gắn ngoài thân xi lanh, phát hiện vòng nam châm trên piston để báo cho PLC biết piston đang ở đầu nào của hành trình. Thiết bị này còn gọi là công tắc hành trình từ hoặc cảm biến từ xi lanh; trong catalogue tiếng Anh là cylinder sensor hay magnetic cylinder switch.

Cảm biến xy lanh khí nén có hai nhóm phổ biến: loại reed (tiếp điểm cơ trong ống thủy tinh) và loại điện tử (Hall hoặc từ trở) ngõ ra PNP, NPN. Bài này so sánh hai nhóm cảm biến xy lanh khí nén, hướng dẫn cách gá, đấu dây, chỉnh vị trí và xử lý lỗi.

Cảm biến xy lanh khí nén là gì

Cảm biến xy lanh khí nén hoạt động không cần tiếp xúc: xi lanh khí nén có vòng nam châm quanh piston, từ trường xuyên qua thành ống nhôm hoặc inox 304 (vật liệu không nhiễm từ), và cảm biến gắn bên ngoài ống nhận ra từ trường đó. Khi piston đi qua, cảm biến chuyển trạng thái, và tín hiệu đóng/ngắt này được PLC dùng làm tín hiệu phản hồi.

Trong máy tự động, cảm biến xy lanh khí nén có bốn việc chính: xác nhận piston đã ra hết hoặc thụt hết trước khi chuyển bước, giám sát lỗi kẹt (piston không tới đích trong thời gian đặt), khóa liên động an toàn và đếm chu kỳ làm việc phục vụ bảo trì. Nếu thiếu cảm biến xy lanh khí nén, PLC chỉ chạy theo thời gian đặt và không biết xi lanh có tới nơi hay không.

Cần phân biệt cảm biến xy lanh khí nén với cảm biến tiệm cận cảm ứng (inductive). Loại tiệm cận nhận biết kim loại ở mặt đầu cảm biến và thường dùng để phát hiện cơ cấu, chi tiết hoặc vị trí bên ngoài xi lanh. Cảm biến xy lanh khí nén chỉ nhận từ trường của nam châm, nên xi lanh không có vòng nam châm thì không dùng được. Một cảm biến tiệm cận lắp lên thân nhôm sẽ không thấy piston bên trong ống.

Cảm biến từ dạng reed

Cảm biến xy lanh khí nén dạng reed chứa một công tắc lưỡi gà (reed switch) gồm hai lá sắt từ mạ kim loại quý đặt trong ống thủy tinh kín, bơm khí trơ. Khi vòng nam châm đến gần, từ trường làm hai lá nhiễm từ và hút nhau, tiếp điểm đóng lại; nam châm đi xa, lực đàn hồi đưa hai lá về, tiếp điểm mở. Vì là tiếp điểm cơ, loại này chỉ có hai dây và hoạt động như một công tắc khô, không cần nguồn nuôi riêng.

Trên sơ đồ mạch khí nén, cảm biến reed được vẽ như công tắc hành trình hoặc tiếp điểm, đánh mã theo nhóm cảm biến (ví dụ 1S1 cho vị trí thụt, 1S2 cho vị trí ra), và phần mô tả tại danh mục thiết bị cho biết đây là loại từ.

• Ưu điểm: không cần nguồn nuôi, nối được với tải DC hoặc AC trong giới hạn dòng cho phép, giá thấp, thường có đèn LED báo trạng thái.
• Nhược điểm: tiếp điểm cơ nên có hiện tượng nảy tiếp điểm khi đóng ngắt (cỡ dưới một đến vài mili giây, tùy hãng), tuổi thọ giới hạn theo số lần đóng ngắt (cỡ vài chục triệu lần, tham khảo), và dễ hỏng khi rung mạnh hoặc sốc cơ.
• Giới hạn tải: dòng định mức thấp, tải cảm kháng như cuộn rơle hoặc van điện từ làm hồ quang khi ngắt, làm tiếp điểm bị rỗ hoặc dính. Cần diode bảo vệ (với tải DC) hoặc mạch RC (với tải AC), theo hướng dẫn của hãng.

Vì sao nên để ý tốc độ? Khi piston đi qua, cảm biến chỉ ở trạng thái đóng trong thời gian tương ứng với vùng cảm nhận. Nếu vùng này rộng khoảng 10 mm và piston chạy 1 m/s, tín hiệu chỉ kéo dài khoảng 10 ms. PLC có chu kỳ quét hoặc bộ lọc đầu vào dài hơn mức đó sẽ bỏ sót tín hiệu, nên với cảm biến đặt giữa hành trình cần đảm bảo bộ lọc đầu vào đủ nhanh.

Cảm biến từ điện tử PNP/NPN

Cảm biến xy lanh khí nén điện tử dùng phần tử bán dẫn nhạy từ trường (hiệu ứng Hall hoặc từ trở AMR, GMR) nối mạch khuếch đại và ngõ ra transistor. Do không có tiếp điểm cơ, loại này không nảy, đóng ngắt nhanh, tuổi thọ cao và chịu rung tốt hơn reed, nhưng cần nguồn nuôi, thường 10 đến 30 VDC (tùy hãng). Dòng tải thường nhỏ, cỡ 100 mA trở xuống (tham khảo), phù hợp đầu vào PLC nhưng không đủ cho tải lớn.

Loại ba dây có màu dây quy ước: nâu là cực dương (+), xanh dương là cực âm (−), đen là tín hiệu. Ngõ ra có hai kiểu:

• PNP (sourcing): khi phát hiện nam châm, ngõ ra đen nối lên điện áp dương, dòng chạy từ cảm biến vào đầu vào PLC rồi về 0 V.
• NPN (sinking): khi phát hiện, ngõ ra đen nối xuống 0 V, dòng chạy từ nguồn dương qua đầu vào PLC vào cảm biến.

Hai kiểu cảm biến xy lanh khí nén này không thay thế được cho nhau. Đầu vào PLC kiểu “sink” (chung 0 V) đi với cảm biến PNP; đầu vào kiểu “source” (chung +24 V) đi với cảm biến NPN. Tên gọi sink/source đôi khi bị hãng PLC dùng ngược nhau nên cần đối chiếu sơ đồ đấu dây của chính PLC, không chỉ dựa vào tên gọi.

Kiểu gá cảm biến xy lanh khí nén

Kiểu gá cảm biến phụ thuộc hình dạng thân xi lanh. Xi lanh ống định hình (theo ISO 15552, nhiều loại có sẵn rãnh) gắn cảm biến vào rãnh chữ T hoặc rãnh chữ C, trượt dọc thân để chỉnh vị trí. Xi lanh ống tròn nhỏ gá bằng đai kẹp hoặc bằng khối giữ ôm quanh ống. Xi lanh dùng thanh giằng (tie-rod) cần bộ gá chuyên dụng kẹp vào thanh giằng.

Do cảm biến xy lanh khí nén nhận từ trường rất yếu từ nam châm, vật liệu quanh nó ảnh hưởng đến tín hiệu. Không để đế gá, chi tiết kẹp hay khung thép từ tính nằm sát cảm biến, vì thép hút và làm lệch từ trường, khiến khoảng nhận thu hẹp hoặc nhận sai vị trí. Ưu tiên bộ gá bằng nhôm, nhựa hoặc inox không nhiễm từ do hãng cung cấp cho từng dòng.

• Cặp xi lanh đặt sát nhau: từ trường của xi lanh bên cạnh có thể làm cảm biến báo sai; cần giữ khoảng cách tối thiểu hoặc dùng cảm biến có lớp chắn từ theo catalogue.
• Hai cảm biến trên một thân: đặt ở hai đầu hành trình (vị trí thụt và vị trí ra), thêm cảm biến thứ ba khi cần nhận vị trí giữa.
• Cảm biến phải tương thích xi lanh: cường độ nam châm và hình dạng rãnh của mỗi dòng khác nhau, nên mua cảm biến đúng họ với xi lanh.

Cách đấu dây và chỉnh vị trí

Ngắt nguồn điện và khí trước khi đấu cảm biến xy lanh khí nén. Với loại ba dây, nối nâu vào +24 V, xanh dương vào 0 V, đen vào đầu vào PLC tương ứng loại PNP hoặc NPN. Với loại reed hai dây, nối tiếp cảm biến giữa nguồn +24 V và đầu vào PLC kiểu sink (chung 0 V), còn với đầu vào kiểu source thì nối giữa đầu vào và 0 V; nếu có LED thì tuân theo cực tính ghi trên thân hoặc tài liệu hãng. Dùng cáp tách khỏi cáp động lực của motor để giảm nhiễu.

Tín hiệu từ cảm biến đi về PLC, PLC quyết định mở van điều khiển; ví dụ khi cảm biến ở cuối hành trình sáng, chương trình ngắt cuộn của van đảo chiều để xi lanh quay về. Vì vậy vị trí gá cảm biến xy lanh khí nén ảnh hưởng trực tiếp đến thời điểm chuyển bước.

1. Cấp điện cho cảm biến, đưa xi lanh về một đầu hành trình (có thể đẩy tay với van tâm xả hoặc cấp khí áp thấp).
2. Trượt cảm biến dọc thân đến khi đèn LED vừa sáng.
3. Trượt tiếp cùng chiều đến khi LED tắt, đánh dấu hai điểm bật và tắt, rồi đặt cảm biến ở giữa hai điểm đó để có dự trữ, sao cho tín hiệu ổn định cả khi nhiệt độ và độ rung thay đổi.
4. Siết vít gá nhẹ bằng đúng loại tua vít, tránh nứt vỏ hoặc làm cong cảm biến.
5. Chạy thử vài chu kỳ cả hai chiều, quan sát LED và đầu vào PLC; lặp lại ở đầu kia của hành trình.

Khoảng bật và khoảng tắt không trùng nhau (độ trễ, hysteresis); cảm biến xy lanh khí nén bật ở vị trí piston đi vào và tắt ở vị trí đi ra lệch nhau khoảng 1 đến 2 mm (tham khảo, tùy hãng). Vì vậy cần chỉnh theo chiều chạy thực tế của máy, chứ không chỉ chỉnh khi đẩy tay.

Cách chọn cảm biến xy lanh khí nén

Khi chọn cảm biến xy lanh khí nén, hãy đi theo trình tự: xi lanh có vòng nam châm không, dạng rãnh nào, tải là PLC hay rơle, nguồn bao nhiêu volt, ngõ ra PNP hay NPN, và môi trường làm việc ra sao.

• Loại cảm biến: chọn reed khi cần nối tải AC hoặc không có nguồn nuôi, tần suất thấp. Chọn loại điện tử khi tốc độ cao, tần suất lớn, nối thẳng PLC.
• Điện áp, dòng, ngõ ra: khớp với đầu vào PLC. Cảm biến PNP và NPN không dùng lẫn nhau trên cùng module đầu vào.
• Cáp và đầu nối: cáp liền 2 đến 5 m, hoặc đầu nối M8, M12 để thay nhanh khi hỏng. Với chỗ cáp hay uốn, dùng cáp chịu uốn.
• Nhiệt độ và rung: dải nhiệt thường đến khoảng 70 đến 80 độ C (tham khảo); rung mạnh nên chọn loại điện tử.
• Môi trường ẩm, bụi, nước rửa: chọn cấp bảo vệ IP67 trở lên; vỏ kín chống nước bắn nhưng đầu nối vẫn cần siết đúng.
• Vị trí gần hàn điện, motor công suất lớn: chọn loại chống nhiễu từ trường (weld-immune) nếu hãng có.

Cảm biến xy lanh khí nén chỉ là một nhóm trong họ cảm biến công nghiệp; cảm biến mức, cảm biến quang hay tiệm cận làm việc theo nguyên lý khác và không thể thay cho cảm biến từ ở xi lanh. Khi cần biết lực hoặc áp suất trong buồng xi lanh thay vì vị trí piston, bạn dùng cảm biến áp suất đặt trên đường khí.

Thị trường có nhiều hãng làm cảm biến xy lanh khí nén như SMC, Festo, Airtac, Parker, CKD (nêu như ví dụ thị trường). Mỗi hãng có dòng mã riêng và kiểu rãnh riêng; khi thay thế, nên lấy mã trên cảm biến cũ hoặc mã xi lanh để tra tương thích thay vì chọn theo hình dáng.

Lỗi thường gặp

Cảm biến xy lanh khí nén thường hỏng vì cáp và đầu nối nhiều hơn vì phần tử cảm nhận, nên cần kiểm tra thường xuyên. Khi lập quy trình bảo trì hệ thống khí nén, hãy thêm các bước kiểm tra LED, cáp và độ chặt bộ gá cảm biến cạnh các hạng mục xi lanh và phớt.

Viva hỗ trợ tư vấn chọn cảm biến theo kiểu rãnh xi lanh, điện áp và ngõ ra PLC của khách; gửi mã xi lanh để được báo giá. Văn phòng Hà Nội: Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến xy lanh khí nén