الحسّاسات الصناعية

חיישני מגע – حسّاسات التلامس (Contact Sensors)

أبسطها حسّاسات التلامس: جزء ميكانيكي يتحرّك (ذراع، غشاء، عوّامة، شريحة معدنية) فيفتح تلامسا كهربائيا أو يغلقه. مخرجها مفتاح له حالتان، مثل الزرّ الذي عرفناه في الفصل 3.

مفتاح نهاية المشوار – מפסק גבול:

في المفتاح ثلاثة أطراف: المشترك COM، والتلامس المفتوح عادةً NO (מגע פתוח במנוחה) الذي يُغلق عند ضغط الذراع، والتلامس المغلق عادةً NC (מגע סגור במנוחה) الذي يُفتح عند ضغطه. «عادةً» تعني: في حالة الراحة، بدون ضغط على الذراع.

الأمان عند العطل: لماذا NC في دوائر التوقّف؟ – כשל בטוח

أكثر الأعطال شيوعا هو انقطاع الدائرة. بتلامس NO إشارة «توقّف» هي إغلاق الدائرة، وسلك مقطوع يمنعها إلى الأبد دون أن ننتبه. بتلامس NC الدائرة مغلقة في العمل العادي وإشارة التوقّف هي فتحها، فيبدو السلك المقطوع للمتحكّم مثل الوصول إلى الحدّ، والآلة تتوقّف.

نوصل التلامس NC بين D3 والأرضي مع مقاومة الرفع الداخلية. في العمل العادي نقرأ LOW؛ عند ضغط الذراع أو انقطاع السلك نقرأ HIGH فنوقف المحرّك. المحرّك ممثَّل بمصباح بيان على D8 (في الفصل 10 نشغّل محرّكا حقيقيا عبر مرحّل).

const int LIMIT = 3;   // NC contact to GND, INPUT_PULLUP
const int MOTOR = 8;   // LED stands for the motor relay

int lastState = -1;

void setup() {
  pinMode(LIMIT, INPUT_PULLUP);
  pinMode(MOTOR, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int s = digitalRead(LIMIT);   // LOW = contact closed = normal
  bool run = (s == LOW);
  digitalWrite(MOTOR, run ? HIGH : LOW);
  if (s != lastState) {         // print only on change
    lastState = s;
    Serial.print("D3 = ");
    Serial.print(s);
    if (run) Serial.println("  -> motor ON");
    else     Serial.println("  -> STOP (limit or broken wire)");
  }
}

D3 = 0  -> motor ON
D3 = 1  -> STOP (limit or broken wire)
D3 = 0  -> motor ON
D3 = 1  -> STOP (limit or broken wire)

السطور: البوّابة تتحرّك؛ وصلت إلى الحدّ؛ رجعت فتحرّر الذراع؛ قطعنا السلك عمدا — فتوقّف المحرّك كما عند الحدّ. في آلة حقيقية لا تعود الحركة وحدها بعد التوقّف، بل بعد ضغط زرّ تشغيل جديد.

مفتاح الضغط – מפסק לחץ (פרסוסטט):

مفتاح العوّامة – מצוף (מפסק מפלס):

منظّم الحرارة ثنائي المعدن – תרמוסטט דו-מתכתי:

عندما تبرد الشريحة تعود مستقيمة فيُغلق التلامس من جديد. هكذا يعمل منظّم الحرارة في المكواة والسخّان: يفصل التسخين عند الحرارة المطلوبة ويعيده عندما تنخفض.

חיישני קרבה – حسّاسات الاقتراب (Proximity Sensors)

حسّاس الاقتراب (חיישן קרבה) يكشف الجسم بدون أن يلمسه. لا تلامس ميكانيكي فيه، فلا يبلى ولا يرتدّ، ويعمل ملايين المرات وبسرعة. مخرجه ترانزستور إلكتروني (البند 8.3).

حسّاس الاقتراب الحثّي – חיישן קרבה השראתי:

الرقم M12 أو M18 أو M30 هو قطر الغلاف المسنّن بالمليمتر: كلما كبر الحسّاس كشف من مسافة أبعد. المعادن غير الحديدية، مثل الألومنيوم والنحاس، تتأثّر بالمجال أقل من الفولاذ، فيكشفها الحسّاس من مسافة أقصر بكثير، أحيانا أقل من نصف S_n.

حسّاس الاقتراب السعوي – חיישן קרבה קיבולי:

بمقاومة الضبط نختار أقل حساسية تكشف المادة المطلوبة. مثال شائع: نلصق الحسّاس على جدار خزّان بلاستيكي فيكشف السائل في الداخل ولا يكشف الجدار الرقيق. الماء يُكشف من مسافة أكبر من البلاستيك والخشب.

حسّاس الاقتراب الضوئي – חיישן קרבה אופטי:

• حاجز ضوئي (מחסום אור): الجسم يقطع الشعاع بين مرسل ومستقبل منفصلين. أطول مدى وأكثر ثقة، لكنه يحتاج إلى أسلاك في جهتين.
• انعكاسي بعاكس (רטרו-רפלקטיבי): الشعاع يرجع من عاكس بلا كهرباء. أسلاك في جهة واحدة؛ الجسم اللامع قد يخدعه.
• انعكاس منتشر (דיפיוזי): الجسم نفسه يعكس الضوء. بلا عاكس، لكن مداه أقصر ويتعلّق بلون الجسم.

مقارنة بين الحسّاسات الصناعية – השוואה בין חיישנים תעשייתיים:

في الجدول أيضا الحسّاس فوق الصوتي الصناعي: يعمل بمبدأ الوحدة HC-SR04 من الفصل 7، لكن في غلاف صناعي. يكشف كل جسم يعكس الصوت مهما كان لونه أو شفافيته، ولذلك يقيس كثيرا مستوى خزّان من أعلاه.

חיישן תלת-גידי: מוצא NPN ומוצא PNP – الحسّاس ثلاثي الأسلاك: مخرج NPN ومخرج PNP (Three-Wire DC Sensor)

• مخرج PNP (يغذّي التيار) (יציאת PNP (מקורית)): عند الكشف يوصل الترانزستور السلك الأسود بالموجب، فيخرج التيار من الحسّاس إلى الحمل. على الأسود نقيس 24 V تقريبا. الطراز الشائع في أوروبا وفي إسرائيل.
• مخرج NPN (يسحب التيار) (יציאת NPN (שוקעת)): عند الكشف يوصل الترانزستور الأسود بالسالب، فيدخل التيار من +24 V عبر الحمل إلى الحسّاس. على الأسود نقيس 0 V تقريبا.
• مدخل الـ PLC أيضا «حمل» (مقاومة وديود باعث)، وله طرف مشترك: لحسّاس PNP نوصل المشترك بـ 0 V ، ولحسّاس NPN بـ +24 V.
• لكل حسّاس وظيفة: NO (المخرج يعمل عند وجود جسم) أو NC (عند غيابه).

חיבור חיישן 24 V לבקר – توصيل حسّاس 24 V بالمتحكّم (Interfacing a 24 V Sensor)

عند الكشف يعطي مخرج PNP نحو 24 V ، وأقصى جهد مسموح على طرف Arduino Uno نحو 5.5 V (ورقة بيانات ATmega328P)؛ ولوحة ESP32 تعمل بـ 3.3 V ولا تتحمّل 5 V. لذلك نحتاج دائما إلى دائرة ملاءمة بين الحسّاس والمتحكّم.

الحلّ الجاهز: وحدة المقرن الضوئي – מצמד אופטי:

في السوق وحدات جاهزة لهذا الغرض: لوحة صغيرة عليها مقرن ضوئي مثل PC817 والمقاومة المناسبة لـ 24 V ، وفيها طرفا مدخل وطرفا مخرج. في جهة الحسّاس نوصل السلك الأسود بمدخل الوحدة و 0 V بطرفها الثاني؛ المقاومة 4.7 kΩ تحدّ تيار الديود الباعث إلى بضعة ميلي أمبير. في جهة المتحكّم يعمل الترانزستور كزرّ إلى الأرضي مع INPUT_PULLUP: عند الكشف نقرأ LOW، وبدون كشف نقرأ HIGH.

برنامج: عدّ القطع على ناقل – ספירת פריטים על מסוע:

حسّاس حثّي PNP موصول عبر المقرن الضوئي بـ D2، وكل علبة معدنية تعطي نبضة LOW. الحسّاس لا يرتدّ، لكن في المصنع تشويش من المحرّكات، وقد يتردّد المخرج عندما تكون حافة العلبة على حدّ المسافة. لذلك نقبل الحالة الجديدة فقط إذا بقيت ثابتة 20 ms (إزالة الارتداد بالزمن).

const int SENSOR = 2;          // optocoupler output, LOW = object
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 20;

int stableState = HIGH, lastRaw = HIGH;
unsigned long lastChange = 0, count = 0;

void setup() {
  pinMode(SENSOR, INPUT_PULLUP);
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Conveyor counter ready");
}

void loop() {
  int raw = digitalRead(SENSOR);
  if (raw != lastRaw) {        // input moved: restart the timer
    lastRaw = raw;
    lastChange = millis();
  }
  if (millis() - lastChange >= DEBOUNCE_MS && raw != stableState) {
    stableState = raw;         // the new state is stable
    if (stableState == LOW) {  // a new object reached the sensor
      count++;
      Serial.print("t = "); Serial.print(millis());
      Serial.print(" ms  count = "); Serial.println(count);
    }
  }
}

Conveyor counter ready
t = 420 ms  count = 1
t = 1170 ms  count = 2
t = 1923 ms  count = 3
t = 2620 ms  count = 4

مرّت أربع علب بدأت عند 400، 1150، 1900، 2600 ms. نبضة تشويش طولها 3 ms عند 800 ms لم تُعدّ. في العلبة الثالثة تردّد المخرج بعد 2 ms فبدأ المؤقّت من جديد، ولذلك ظهر العدد بعد 23 ms من بدايتها بدل 20 ms.

לולאת זרם 4–20 mA – حلقة التيار 4–20 mA (4–20 mA Current Loop)

الضغط والمستوى والحرارة والتدفّق كميات تماثلية، والحسّاس قد يكون على بعد مئات الأمتار من لوحة التحكّم. هنا نستعمل المرسِل (משדר): حسّاس مع دائرة تحوّل القياس إلى تيار. هكذا تعمل مرسِلات الحرارة والضغط والمستوى في المصنع.

• مقاومة الأسلاك لا تغيّر الإشارة: في دائرة التوالي التيار نفسه في كل نقطة، والمرسِل يحافظ عليه، فمقاومة القياس «ترى» التيار الصحيح حتى في خط طويل. إشارة جهد كانت ستصغر على الخط.
• مناعة من التشويش: الحلقة ذات مقاومة صغيرة، والجهد الذي يحثّه محرّك مجاور لا يكاد يغيّر التيار.
• الصفر الحيّ (אפס חי): بداية المدى 4 mA وليست صفرا. سلك مقطوع يعطي 0 mA — قيمة «مستحيلة» يعرف منها المتحكّم أنه عطل. ومن الـ 4 mA يتغذّى المرسِل ثنائي الأسلاك نفسه.

التحويل بسيط لأن العلاقة خطّية: 4 mA هو صفر المدى، 20 mA هو نهايته، وبينهما 16 mA تغطّي المدى كله. في المنتصف تماما، 12 mA ، نكون في نصف المدى.

المتحكّم يقرأ جهدا، فنمرّر التيار في مقاومة القياس (נגד מדידה (שנט)) دقيقة 250 Ω. حسب قانون أوم يصبح 4 mA جهد 1 V و 20 mA جهد 5 V: المدى 1–5 V داخل مدى المحوّل التماثلي-الرقمي في Uno. السلسلة كلها: القيمة الخام N ← الجهد ← التيار ← الضغط.

برنامج: قراءة مرسِل ضغط وكشف انقطاع السلك – קריאת משדר לחץ וזיהוי נתק:

في الصناعة يُعدّ القياس سليما بين نحو 3.8 mA و 20.5 mA ، وتحت 3.8 mA عطل (توصية NAMUR NE 43). البرنامج يحوّل القيمة الخام إلى جهد، ثم إلى تيار، ثم إلى ضغط. 20 mA يعطي 5 V ، أي N = 1023 ، والمحوّل لا يميّز بينه وبين تيار أكبر؛ لذلك نطبع عندها «المدى الكامل».

const int LOOP_PIN = A0;       // 250 ohm shunt, via 4.7k
const float R_SHUNT = 250.0;   // ohm
const float P_MAX = 10.0;      // bar at 20 mA (0 bar at 4 mA)

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int n = analogRead(LOOP_PIN);
  float v = n * 5.0 / 1023.0;
  float mA = v / R_SHUNT * 1000.0;
  Serial.print("N = "); Serial.print(n);
  Serial.print("  I = "); Serial.print(mA, 2); Serial.print(" mA  ");
  if (mA < 3.8) {
    Serial.println("FAULT: open loop");
  } else if (n >= 1023) {
    Serial.println("P >= 10 bar (ADC full)");
  } else {
    float p = (mA - 4.0) / 16.0 * P_MAX;
    if (p < 0) p = 0;
    Serial.print("P = "); Serial.print(p, 2); Serial.println(" bar");
  }
  delay(1000);
}

N = 205  I = 4.01 mA  P = 0.00 bar
N = 368  I = 7.19 mA  P = 2.00 bar
N = 655  I = 12.81 mA  P = 5.50 bar
N = 1023  I = 20.00 mA  P >= 10 bar (ADC full)
N = 0  I = 0.00 mA  FAULT: open loop

الأسطر لتيارات 4، 7.2، 12.8، 20، 0 mA بالترتيب؛ في الأخير قطعنا السلك. 7.2 mA يُقرأ 7.19 mA: دقّة التمييز محدودة بخطوة المحوّل.

ملخّص قوانين الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين: