گاهی در شرایط سخت یک محیط صنعتی، استفاده از تجهیزاتی که بتوانند در محیط های سخت به خوبی عمل کنند، کارگشا خواهد بود. یکی از تجهیزاتی که می توان در شرایط سخت از آن بهره برد، لیمیت سوئیچ است.لیمیت‌سوئیچ‌ها معمولاً از یک جسم خارجی نیروی فیزیکی دریافت کرده و باعث قطع یا وصل یک مدار می‌شوند. اگر پاسخ سوالاتی از قبیل لیمیت سوئیچ چیست؟ چه انواع و کاربردهایی دارد را نمی دانید، تا پایان این مقاله با ما همراه باشید.
برای آشنایی بیشتر با تجهیزات کاربردی صنعت برق به “دوره برق صنعتی ماهر” مراجعه کنید.
استفاده از لیمیت سوئیچ در مدارهای برق صنعتی و سیستم‌های اتوماسیون بسیار رایج است. در دروه‌های آموزشی اتوماسیون صنعتی، اتوماسیون زیمنس و برق صنعتی ماهر، نحوه به‌کارگیری این تجهیز و بسیاری تجهیزات و ابزارهای صنعتی دیگر را به‌صورت عملی فرا می‌گیرید. تهیه دوره‌های آموزشی ماهر بهترین راه برای پیشرفت مهارت‌های فنی شما در زمینه برق و اتوماسیون صنعتی است.
لیمیت سوئیچ چیست؟
لیمیت سوئیچ تجهیزی الکترومکانیکی است که به وسیله نیروی فیزیکی وارده از یک جسم خارجی عمل می‌کند. لیمیت‌سوئیچ‌ها را می‌توان جزء سنسورها یا کلیدهای تماسی دسته‌بندی کرد، که به‌طور گسترده، برای تشخیص حضور یا موقعیت اشیاء در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شوند. واژه‌های «لیمیت سوئیچ» (Switch Limit) یا «سوئیچ حد» یا «سوئیچ محدود‌کننده» از مکانیزم عملکرد این تجهیز گرفته شده‌اند.
هنگامی که یک جسم (یا هدف) با عملگر لیمیت سوئیچ برخورد می‌کند، موقعیت آن را تا نقطه‌ای که کنتاکت‌های الکتریکی تغییر می‌دهند، منتقل می‌کند. از طریق این عمل مکانیکی، کنتاکت‌های الکتریکی، بسته به این‌که NO باشند یا NC، باز یا بسته می‌شوند. سنسورهای مجاورت (القایی و خازنی) همین فرآیند را از طریق سنجش غیرتماسی انجام می‌دهند.
ساختار لیمیت سوئیچ
لیمیت‌سوئیچ‌ها از ۴ قسمت اصلی تشکیل می‌شوند:
- عملگر (اهرم): نیرو و حرکت دریافتی از جسم، از طریق عملگر لیمیت سوئیچ و از طریق پیستون یا پلانجر داخلی (Internal Plunger) به سوئیچ داخلی منتقل می شود. انواع اصلی عملگرها عبارتند از: غلتکی (Roller)، اهرمی (Lever)، پیستونی (Plunger) و میله انعطاف‌پذیر (Flexible Rod).
- بدنه یا کاور سوئیچ (Cover): بدنه یا کاور سوئیچ نوعی پوشش لاستیکی برای آب‌بندی کردن و حفاظت از اتصالات بین پوشش و سوئیچ‌کِیس است.
- سوئیچ داخلی (Built-in Switch): سوئیچ داخلی می‌تواند به سرعت از طریق مکانیزم عمل سریع خود (Snap-action Mechanism) قطع و وصل شود. این قطعه حرکت یا نیروی خارجی فنر متحرک را معکوس می‌کند و کنتاکت متحرک را از کنتاکت NC به کنتاکت NO (یا برعکس) حرکت می‌دهد.
- سوئیچ کِیس (Switch Case): برای حفاظت از سوئیچ داخلی از یک محفظه (کِیس) استفاده می‌شود. این کیس‌ها از جنس فلز یا رزین ساخته می‌شوند، تا استحکام مکانیکی بیشتری داشته باشند.
در مقاله زیر می‌توان با انواع لیمیت سوئیچ و کلیدهای دیگر صنعتی آشنا شد.
جنس اجزای سازنده یک لیمیت‌سوئیچ
جنس اجزای سازنده لیمیت سوئیچ بر اساس کاربرد مورد نظر آن متفاوت است. به عنوان مثال، لیمیت‌سوئیچ‌های درب آسانسورها معمولاً از فولاد ضد زنگ ساخته می‌شوند تا از زنگ‌زدگی هنگام قرار گرفتن در معرض رطوبت هوا در مناطق محدود مانند چاه آسانسور یا فضاهای بین طبقات جلوگیری به عمل آید. در محیط‌های صنعتی که امکان قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی خطرناک وجود دارد، لیمیت‌سوئیچ‌ها از فولاد ضد زنگ، اما با تیغه‌های مسی ساخته می‌شوند؛ زیرا مس در تماس با چنین مواد شیمیایی در برابر خوردگی مقاوم است.
عملکرد لیمیت سوئیچ
همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، لیمیت سوئیچ یک دستگاه الکترومکانیکی است که از یک عملگر متصل به کنتاکت‌های الکتریکی تشکیل شده است. هنگامی که یک جسم در تماس فیزیکی با عملگر قرار می‌گیرد، حرکت آن باعث می‌شود که کنتاکت‌های الکتریکی درون سوئیچ باز یا بسته شوند.
انواع لیمیت سوئیچ
به طور کلی ۴ نوع لیمیت سوئیچ وجود دارد:
- ویسکر یا آنتنی (Whisker)
- رولر یا غلتکی (Roller)
- لِوِر یا اهرمی (Lever)
- پلانجر یا پیستونی یا فشاری (Plunger)
برخی از انواع ممکن است حاصل ترکیب دو نوع از لیمیت‌سوئیچ‌ها باشند، مانند (رولر-لِوِر). نمایی از این لیمیت‌سوئیچ‌ها در شکل ۳ آمده است.
میکرو لیمیت‌سوئیچ‌ها
میکرو لیمیت‌سوئیچ که با نام میکروسوئیچ نیز شناخته می‌شود، نسخه کوچک‌تری از یک لیمیت‌سوئیچ استاندارد است که در مدارهای کنترلی به کار می‌رود. اندازه جمع‌و‌جور این تجهیز آن را برای فضاهای تنگ یا محدود که سوئیچ‌های بزرگتر در آن جا نمی‌شوند، مناسب می‌کند. سوئیچ‌های میکرو معمولاً از نوع پیستونی/اهرمی که با تحریک و جابه‌جایی بسیار کمی عمل می‌کنند. پیستون معمولاً در بالای سوئیچ قرار دارد و فعال شدن آن از طریق نیروی یک اهرم بر پیستون انجام می‌شود. این کلیدها را می‌توان به بازوهای محرک مختلف مجهز کرد و معمولاً برای ظرفیت‌های الکتریکی حدود ۲۵۰ ولت AC و ۱۰ تا ۱۵ آمپر طراحی می‌شوند.
شکل ۴- نحوه عملکرد کنتاکت‌های میکرو لیمیت‌سوئیچ
کاربردهای لیمیت‌سوئیچ‌ها
محدود کردن حرکت، رایج‌ترین کاربرد لیمیت‌سوئیچ‌ها است. این سوئیچ‌ها برای محدود کردن بازه حرکت اجسام استفاده می‌شوند. شمارش اقلام، یکی دیگر از کاربردهای این تجهیزات است. با هر با برخورد یک کالا به لیمیت سوئیچ شمارنده یک واحد افزایش یافته و تعداد کالای عبوری را تشخیص می‌دهد.
آشناترین مثال از کاربرد لیمیت سوئیچ، استفاده از آن در تعیین محدوده حرکت درب‌های اتوماتیک پارکینگ‌ها است. در ادامه چند تصویر از کاربردهای صنعتی لیمیت‌سوئیچ را می‌بینید.
شکل ۵- کاربرد لیمیت‌سوئیچ در نوار نقاله
شکل ۶- کاربرد لیمیت‌سوئیچ در تشخیص باز یا بسته بودن دریچه (راست) و شمارش عبور جعبه‌ها (چپ)
شکل ۷- کاربرد لیمیت‌سوئیچ در تنظیم حد بالا و پایین جک هیدرولیک
جایگزین لیمیت‌سوئیچ
سنسورهای مجاورتی (Proximity Sensors) اولین جایگزین لیمیت‌سوئیچ‌ها بودند. عملیات مکانیکی و استهلاک بالای لیمیت‌سوئیچ‌ها باعث شد تا این تجهیزات در حوزه‌های زیادی جای خود را به سنسورهای مجاورتی بدهند. اما لیمیت‌سوئیچ‌ها به دلیل مقاومت در شرایط سخت محیطی، سادگی عملکرد و عدم حساسیت در برابر نویز محیط، همچنان مورد توجه هستند.
برای آشنایی بیشتر با انواع سنسورها به مقاله “سنسور چیست و انواع سنسور کدامند ؟“ مراجعه فرمایید.
مزایا و معایب استفاده از لیمیت سوئیچ
لیمیت‌سوئیچ‌ها نیز مانند تجهیزات دیگر دارای نقاط ضعف و قوت هستند و نمی‌توان برای هر کاربردی از آن‌ها استفاده کرد. هرچند استفاده از آن‌ها در جای مناسب مزایای قابل توجهی برای طراحی مدار الکتریکی به همراه می‌آورد.
مزایای استفاده از لیمیت سوئیچ
- از لیمیت‌سوئیچ‌ها می‌توان در اکثر محیط‌های صنعتی استفاده کرد، چون توانایی فعالیت در شرایط سخت محیطی را دارند.
- نصب آسان
- میزان مصرف انرژی الکتریکی این تجهیزات کم است.
- لیمیت‌سوئیچ‌ها می‌توانند تعداد بارهای متعددی را کنترل کنند.
- توان عبور جریان بالا
- قیمت مناسب
معایب استفاده از لیمیت سوئیچ
- سرعت قطع و وصل لیمیت سوئیچ محدود است.
- این سوئیچ‌ها برای عمل کردن باید با هدف تماس مستقیم داشته باشند.
- لیمیت سوئیچ به دلیل فرسایش مکانیکی، زودتر از سایر انواع سوئیچ‌ها فرسوده می‌شود.
مشخصه‌های مهم در لیمیت سوئیچ
مشخصه‌های فنی های مهم در یک لیمیت سوئیچ شامل موارد زیر هستند:
- ناحیه پیش‌فعال (Pretravel): مسافت یا زاویه‌ای که اهرم باید از آن عبور کند تا کنتاکت‌ها متصل شوند.
- نقطه عملیاتی (Operating Point): موقعیتِ اهرم که در آن کنتاکت‌ها تحریک می‌شوند.
- نقطه آزاد (Release Point): موقعیتِ اهرم که در آن کنتاکت‌ها به حالت اولیه خود باز می‌گردند.
- ناحیه فرافعال (Overtravel): حرکتِ اهرم فراتر از نقطه تحریک کنتاکت‌ها با این پارامتر توصیف می‌شود. یعنی اهرم به نقطه تحریک کنتاکت‌ها رسیده و از آن عبور می‌کند.
- موقعیت اولیه (Initial Position): موقعیتی از اهرم که هیچ نیروی خارجی به آن وارد نمی‌شود.
- نیروی عملیاتی (Operating Force): نیروی مورد نیاز برای حرکت اهرم.
- حداقل نیروی برگشت: (Minimum Return Force): حداقل نیروی مورد نیاز برای بازگرداندن اهرم به موقعیت اولیه خود.
- حداکثر زاویه حرکت (Total Travel): حداکثر مسافت (زاویه) مجاز که اهرم می‌تواند طی کند.
- دقت تکرار (Repeat Accuracy): توانایی یک سوئیچ در تکرار عملیات سوئیچینگ.
نماد لیمیت سوئیچ در نقشه‌های الکتریکی
نماد لیمیت سوئیچ در استانداردهای مختلف متفاوت است. در شکل ۸ نماد لیمیت سوئیچ را در دو استاندارد بین‌المللی NEMA و IEC مشاهده می‌کنید.
کنتاکت‌های Snap Action و Slow Brake در لیمیت سوئیچ
اکثر لیمیت‌سوئیچ‌ها از یکی از دو روش Snap-action و Slowi-brake برای عملکرد کنتاکت‌ها استفاده می‌کنند. متداول‌ترین روش Snap-action است.
- کنتاکت Snap-action: در این روش، سرعت کنتاکت‌ها در تغییر بین حالت‌های بسته و باز بالا است. فقط مقادیر کمی نیرو از اهرم برای شروع فرآیند مورد نیاز است. سرعت حرکت کنتاکت‌های Snap-action به سرعت عملکرد اهرم ارتباطی ندارد. اهرم یک مکانیزم فنری را فعال می‌کند و این کشش فنر است که باعث تحریک کنتاکت‌ها می‌شود. این امر منجر به عملکرد بسیار سریع و مطمئن تجهیز می‌شود. با آزاد شدن اهرم، کشش فنر کاهش می‌یابد، اما کنتاکت‌ها حرکت نمی‌کنند تا زمانی که کشش به کمتر از سطح معینی برسد.
- کنتاکت Slow-brake: کنتاکت‌های Slow-brake به‌طور مستقیم، به اهرم متصل هستند. در این حالت، مکانیزم فنری وجود نداشته و کنتاکت‌ها همزمان با اهرم، باز و بسته می‌شوند. بنابراین، کنتاکت Slow-brake کنتاکتی است که در آن حرکت فیزیکی اهرم به‌طور مستقیم با حرکت فیزیکی کنتاکت مرتبط است. این موضوع باعث هماهنگی خوبی در دو نقطه قطع و وصل می‌شود؛ اما این هماهنگی و ارتباط مستقیم، ممکن است باعث ایجاد قوس شود.
لیمیت‌سوئیچ‌های Snap-action و Slow-break معمولاً کنتاکت‌های NC را دارند، اما کنتاکت Snap-action در سرعت‌های پایین‌تر مطمئن‌تر عمل می‌کند، در حالی که عملکرد Slow-brake به حداقل سرعت فعال‌سازی بستگی دارد.
انتخاب یک لیمیت سوئیچ
برای انتخاب یک لیمیت سوئیچ مناسب برای کاربردهای مختلف باید معیارهایی را در نظر گرفت. در ادامه، نکات مهم در هنگام انتخاب لیمیت سوئیچ را شرح می‌دهیم.
- جنس بدنه: جنس بدنه لیمیت سوئیچ بسته به محیط استفاده و میزان تکرار عملکرد آن متفاوت است. برای کاربردهای تجاری و استفاده با فرکانس پایین، بدنه معمولاً از نوعی پلاستیک است. برای کاربردهای صنعتی و استفاده با فرکانس بالا، آلومینیوم انتخاب اصلی است. در محیط‌های بسیار سخت، فولاد ضد‌زنگ ممکن است بهترین گزینه باشد.
- عملگر سوئیچ: عملگرهای مختلف بر اساس شکل و جهت حرکت جسم مورد تشخیص انتخاب می‌شوند. انواع رایج عملگرها شامل غلتکی، پیستونی، اهرمی، آنتنی یا ترکیبی‌های متفاوتی از این عملگرها هستند.
- مشخصه‌های الکتریکی (ولتاژ و جریان تغذیه، ولتاژ و جریان عبوری از سوئیچ): لیمیت سوئیچ را بر اساس ولتاژ و جریان نامی مدار کنترل انتخاب کنید. اکثر لیمیت‌سوئیچ‌ها برای ۲۵۰ ولت AC و جریان ۵ آمپر طراحی شده‌اند. ظرفیت‌های سوئیچینگ بالاتر تا ۱۵ آمپر نیز موجود هستند.
- تعداد و نوع کنتاکت‌های خروجی: بر اساس نیازهای مختلف، کنتاکت‌های لیمیت سوئیچ معمولاً شامل کنتاکت تک‌قطبی نرمال باز (NO) و نرمال بسته (NC)، یا کنتاکت دوقطبی است. اکثر لیمیت‌سوئیچ‌ها به هر دو بلوک کنتاکت نرمال باز و نرمال بسته مجهز هستند.
- درجه حفاظت IP: رتبه حفاظت را بر اساس محیط نصب انتخاب کنید. ملاحظات محیطی مانند دمای محیط و نیز مقاومت در برابر ارتعاش و شوک باید لحاظ شوند. لیمیت‌سوئیچ‌های نوع باز معمولاً دارای درجه IP40 هستند، درحالی‌که انواع محفوظ (Enclosed) معمولاً با درجه IP65 ساخته می‌شوند. سوئیچ‌های با درجه IP67 نیز وجود دارند که برای کاربردهای خاص و حساس به کار می‌روند.
- فرکانس قطع و وصل: فرکانس عملیاتی، که معمولاً به‌صورت تعداد وصل در دقیقه اندازه‌گیری می‌شود، را برای مدار مورد نظر خود محاسبه کنید. تجاوز از حد مجاز قطع و وصل لیمیت سوئیچ باعث خرابی آن می‌شود.
- نیروی عملیاتی: نیروی مکانیکی مورد نیاز برای فعال کردن سوئیچ را تعیین کنید. سوئیچ‌های سنگین‌کار معمولاً دارای نیروی عملیاتی در محدوده چندصد گرم هستند، درحالی‌که میکروسوئیچ‌های کوچک با نیروی عملیاتی در محدوده چندده گرم ساخته می‌شوند. استفاده از یک میکرو لیمیت‌سوئیچ در محیط سنگین‌کار باعث خرابی آن می‌شود.
- طول عمر عملیاتی: عمر مفید را می‌توان به عمر کاری مکانیکی و عمر کاری الکتریکی تقسیم کرد. عمر کاری مکانیکی معمولی لیمیت سوئیچ‌ها حدود ۱۰ میلیون عملیات و عمر کاری الکتریکی آن‌ها حدود ۵۰۰۰۰۰ عملیات است.
جمع‌بندی
یکی از تجهیزات پرکاربرد در مدارهای برق صنعتی لیمیت‌سوئیچ است. این ابزار در انواع و اشکال مختلفی برای کاربردهای متفاوت طراحی می‌شود. در این مقاله مکانیزم عملکرد لیمیت‌سوئیچ و اجزای سازنده آن را شرح دادیم و انواع مختلف آن را به شما معرفی کردیم. برای فهم بهتر کاربرد لیمیت سوئیچ، چند مثال عملی از نحوه به‌کارگیری آن در تجهیزات صنعتی، مانند نوار نقاله و جک هیدرولیک ارائه شد و در پایان مقاله نیز معیارهای انتخاب یک لیمیت سوئیچ مناسب را بررسی کردیم.
سوالات متداول
محدود کردن حرکت، اولین کاربرد لیمیت سوئیچ ها است. این سوئیچ ها برای محدود کردن بازه حرکت اجسام استفاده می شوند. شمارش اقلام، یکی دیگر از کاربردهای این تجهیزات است
- ویسکر یا آنتنی (Whisker)
- رولر یا غلتکی (Roller)
- لِوِر یا اهرمی (Lever)
- پلانجر یا پیستونی یا فشاری (Plunger)
در صورتی که برخورد فیزیکی با جسم باعث آسیب به آن یا لیمیت‌سوئیچ شود، استفاده از آن گزینه مناسبی نیست.
سنسور مجاورتی وجود یک جسم را با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی، نور یا امواج صوتی تشخیص می‌دهد، در حالی که لیمیت سوئیچ یک وسیله مکانیکی است که برای کار کردن نیاز به تماس فیزیکی با یک جسم دارد.
اگر سیگنال خروجی آن متناسب با ورودی‌های PLC باشد، می‌توان این کار را کرد؛ اما به‌منظور جلوگیری از آسیب احتمالی به PLC معمولاً لیمیت سوئیچ را از طریق یک واسط مانند رله به PLC وصل می‌کنند.
مقاله‌ای که خواندید بخشی از مطالب دوره آموزش اتوماسیون کار ماهر است.
برای یادگیری 0 تا 100 این دوره کلیک کن
اگر به دنبال افزایش مهارت خود در زمینه اتوماسیون صنعتی هستید،برای دریافت آموزش‌های رایگان در این حوزه، فقط کافیه فرم رو تکمیل کنید.
