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産業用センサ・システム

概要
ドキュメント
ツール & ソフトウェア
ソリューション
産業用センサは、FA(ファクトリ・オートメーション)とIndustry 4.0に欠かせない要素です。モーション・センサや環境センサ、振動センサは設備の正常性を監視するために使われ、その種別は線形位置測定、角度位置測定、傾き検出、レベリング、衝撃検出、落下検出など多岐にわたります。 微細加工によるセンシング(MEMS)エレメントをベースにした、専用の産業用モーション・センサは、広帯域幅の機械的周波数検出、高い信頼性、最高105℃までの安定した測定と正確な動作を実現し、Industry 4.0アプリケーションに適しています。
産業用センサ
産業用センサは、FA(ファクトリ・オートメーション)とIndustry 4.0に欠かせない要素です。
産業用センサ・システムは多くの場合、24V DC電源で動作します。これは、3Vや5Vの電源で動作するコンスーマ・システムのセンサと大きく異なる点です。そのため、産業用センサ・システムでセンサを効果的に駆動させるためには、追加のパワー・マネージメントが必要となります。これらのセンサで用いられる、IO-Linkのようなデジタル出力は、マイクロコントローラや、さらには無線トランシーバに送られます。アナログデータ出力は普通、オペアンプによって調整され、マイクロコントローラ内のADコンバータ(ADC)に接続されます。

STの製品

STは、幅広いMEMSモーション・センサおよび環境センサ、8bitマイクロコントローラSTM8と32bitマイクロコントローラSTM32、さまざまなコネクティビティ(IO-Linkを含む、有線もしくは無線)に向けたソリューションを提供し、センサ・システムの設計者がこれらの課題に正しく対処できるようにサポートしています。
    • 産業用センサには以下のものを含め、さまざまなタイプがあります。

    • 温度センサ

      温度センサ

      温度センサには正温度係数タイプのデバイスや負温度係数タイプのデバイス、そしてRTD(測温抵抗体)など、さまざまなものがあります。

      正温度係数(PTC)サーミスタは、正の温度係数を持つ抵抗体で、温度とともに抵抗が上昇するようになっています。リニア特性を実現するため、多くの場合、これらにはシリコンが使われます。一方で、スイッチングタイプのPCTサーミスタは、非線形の温度測定カーブを持っています。このサーミスタは、温度が上がるにつれて抵抗が減少していきますが、臨界温度に達すると抵抗が上昇に転じます。

      これは産業用機器の電気モータの巻線と監視リレーに使われ、過熱保護を実現することで、絶縁損傷を防いでいます。その非線形の応答曲線では、巻線の最大許容温度に達すると、抵抗が急激に上昇します。これによってリレーが起動され、過熱が防止されます。またこのセンサは、無線センサ・ネットワークにリンクさせることもできます。

      負温度係数(NTC)サーミスタでは、温度上昇とともに抵抗が減少します。このサーミスタは、0°C~70°Cという広い温度範囲において+/- 0.1°Cまたは+/- 0.2°Cという高い精度を有しており、長期にわたる安定性の面でも優れています。

      これはしばしば、IIoTとスマートファクトリにおいて、障害診断を行うためのサーミスタ・プローブ・アセンブリに使用されます。このサーミスタ・センシング・エレメントは、あらゆるタイプのシステムを監視するために利用できます。また、無線センサ・システムを介してクラウドに接続することもできます。アナログ / デジタル温度センサIC

    • 測距センサ

      測距センサ

      誘導型近接センサは近くにある金属を検知することができ、ヒューマン・マシン・インタフェース(HMI)の安全性を高めるために役立ちます。直流2線式や直流3線式、高速動作に対応したアンプ分離型といった種類があります。

      レーザ測距(LiDAR)センサは1次元のトポロジでの物体検知に利用でき、例えばコンベヤ・ラインにおける赤外線モーション・センサとして使用できます。2D LiDARセンサは、生産ラインにおいて部品の位置を特定するための位置センサとして利用できます。近接センサおよび測距ToFセンサ

    • 振動センサ

      振動センサと加速度センサ

      振動センサはMEMS加速度センサ・エレメントや圧電結晶を利用し、監視対象となるシステムの高調波にチューニングして、振動の周波数を測定できます。振動センサは障害診断に欠かせない収集データを提供します。加速度センサは傾きや落下、衝撃を測定するモーション・センサとして利用できます。加速度センサ ジャイロ・センサ 慣性測定ユニット(IMU) 電子コンパス

    • その他のセンサ:圧力センサ、pHセンサ、流量センサ、湿度センサ、超音波センサ、PIRセンサ、光電センサ

      その他にオートメーションで使用されるセンサとしては、圧力センサ、液体の酸性度を測るpHセンサ、流量センサ、湿度センサ、アクチュエータを監視するための超音波センサなどがあります。PIRセンサや光電センサ、ロータリ・エンコーダは、産業オートメーション・システムにおいて閾値を測定するためのリミットスイッチとして利用できます。

    • これらのIoTセンサはどれも産業用センサ・ネットワークに有線または無線でリンクされ、ゲートウェイを介してモノのインターネットに接続することで、リアルタイム分析と状態監視を実現します。

    • STのおすすめする産業用センサ

      STの産業用センサのリスト
    • 産業用無線センサ・ネットワークには、短距離のBluetoothZigbee、さらにWi-Fiなど、幅広いプロトコルが使用されています。

      長距離では産業用無線センサ・ネットワーク(IWSN)や、低消費電力のSub-GHz帯無線通信LORAが利用できます。

      セルラー・モデムは無線センサ・ネットワークの選択肢として、より高コストではありますが、通信ネットワークに信頼性をもたらします。これは、マシン・ビジョン・システムが高データレートの伝送を行う場合に重要となります。伝送されたビデオは、IoTの一部としてクラウドに送信して解析できます。

      産業用センサ・ネットワークにとって、消費電力は重要な懸念事項です。なぜなら、何千ものセンサ・ノードと無線トランシーバがあれば、大量の電力を消費することになりかねないためです。一部の無線ルーティング・プロトコルは、本来的に電力消費量が少なくなっています。その理由は主に、デューティ・サイクルが低いことにあります。厳しい条件下のアプリケーションでは、干渉を克服し、データ収集とネットワークの信頼性を確保するために、より多くの電力が必要になる場合もあります。STの無線接続ソリューション

関連アプリケーション

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イメージ・センサ

物品の数量、重量や容積の計算、形状の検査に使用されるアプリケーションでは、マシン・ビジョン・システムの中心部でイメージ・センサが広く使用されています。STのハイダイナミック・レンジ(HDR)イメージ・センサは、オートフォーカス(AF)ドライバやレンズ・シェーディング補正(LSC)アルゴリズムなど、各種の重要機能を提供して、高性能な産業用イメージ・センサの設計を可能にします。
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モーション & 振動センサ

モーションおよび振動センシングは、線形または角度位置決め、傾き検出、レベリング、およびモータ状態監視や衝撃・落下検出など、ファクトリ・オートメーション・アプリケーションで重要な役割を果たしています。慣性センサは通常、24V DCレールで給電され、IO-Link通信プロトコルを使用してアナログまたはデジタル形式でデータを出力することがよくあります。 STは、小型、再現性、信頼性、低消費電力を実現する加速度センサ、ジャイロ・センサ、地磁気センサなどの幅広いモーションMEMSセンサを提供し(一部は10
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環境センサ

温度、相対湿度、大気圧、可聴ノイズを測定する環境センサは、通常、ファクトリ・オートメーション環境で24V DCレールにより給電されます。これらのセンサは、IO-Link通信プロトコルを使用し、デジタル形式でデータを出力することがよくあります。 STは、小型、再現性、信頼性、低消費電力を特徴とするMEMS大気圧センサ、湿度センサ、温度センサ、マイクなど産業アプリケーション向けの幅広い環境センサを提供し、小型でコスト効率に優れた有線 / 無線の産業用センサ・ネットワークの実装をサポートしています。
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近接センサ

近接センサは、付近にある物体の存在やその物体までの距離を、物理的接触なしに検出します。この種のセンサは、対象金属の静電容量やインダクタンスの変化、赤外線、光線による光子のTime-of-Flight(ToF)の測定など、さまざまな原理に基づいて構成できます。 STのFlightSense™テクノロジーは、対象物の反射面の物理特性にかかわらず、mm単位の高精度な測距センシングを実現できます。さらに、STは、各種STM8 / STM32マイクロコントローラ、DC-DCスイッチング / リニア電圧レギ
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Discover our offer

ST offers a range of MEMS motion and environmental sensors, 8-bit STM8 and 32-bit STM32 microcontrollers and an extensive range of connectivity – wired or wireless including IO-Link - solutions to help sensor system designers successfully meet these challenges. 

Sensors for industrial automation 

There are several types of industrial sensors, including: 

Temperature sensors 

Temperature sensors can vary from positive to negative coefficient type devices as well as RTD (Resistance Temperature Detector). 

Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors are resistors with a positive temperature coefficient so that the resistance increases with temperature. These are often built with silicon to give a linear characteristic. In contrast, switching type PCT thermistors have a non-linear temperature measurement curve. As the thermistor heats up, the resistance decreases until a critical temperature is reached, after which it increases. 

These are used in the windings of the electric motors in industrial equipment along with a monitoring relay to provide overtemperature protection to prevent insulation damage. The non-linear response curve has the resistance increase dramatically at the maximum allowable winding temperature, triggering the relay to prevent overheating. This can then be linked to the wireless sensor network. 

Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistors, where the resistance decreases with temperature, have precision accuracies over wide temperature ranges of +/- 0.1°C or +/- 0.2°C from 0°C to 70°C with excellent long term stability. 

These are often used in thermistor probe assemblies across the IIoT and smart factories for fault diagnosis. The thermistor sensing element can be used to monitor all kinds of systems, linked to the wireless sensor system back to the cloud. 

Analog and digital temperature sensor ICs 

Proximity sensors 

Inductive proximity sensors can detect metal close by, allowing human machine interfaces (HMI) to be safer. There are 2 and 3 wire DC versions as well as sensors with a separate amplifier for high-speed operation. 

Laser ranging (lidar) sensors can be used in a 1D topology for object detection, on a conveyor line as an infrared motion sensor for example. 2D lidar sensors can be used as a position sensor to identify the positioning of parts in the production line. 

Proximity and ranging ToF sensors 

Vibration sensors 

Vibration sensors can use MEMS accelerometer elements or piezoelectric crystals to measure the frequency of vibration, tuned to the harmonics of the system being monitored. Vibration sensors provide vital data collection for fault diagnosis, while accelerometers can be used as motion sensors to provide tilt, fall and shock measurements. Accelerometers Gyroscopes Inertial Measurement Units (IMU) e-Compasses 

Other sensors: pressure, pH, flow, humidity, ultrasonic, PIR, photoelectric sensors

Other sensors used in automation include pressure sensors, pH sensors for measuring the acidity of a liquid, as well as flow sensors, humidity sensors and ultrasonic sensors for monitoring actuators. PIR sensors, photoelectric sensors and rotary encoders can be used as limit switches for threshold measurements in industrial automation systems

All these IoT sensors are linked though industrial sensor networks, either wired or wireless, back to a gateway and then back to the Internet of Things to provide real time analysis and conditional monitoring. ST's featured industrial sensors.

Industrial wireless sensors and networks

Industrial wireless sensor networks use a wide range of protocols, from short range Bluetooth and Zigbee to Wi-Fi

For long range, Industrial Wireless Sensor Networks (IWSN), the low power sub-GHz LORA wireless communication can be used. 

Cellular modems are a higher cost option for wireless sensor networks, but offer telecommunication network reliability. This can be significant with the higher data rates delivered by machine vision systems. The video can be sent back to the cloud for analysis as part of the IoT. 

Energy consumption is a key consideration for industrial sensor networks, as thousands of sensor nodes and their wireless transceivers can consume significant amounts of power. Some wireless routing protocols inherently consume less energy, mostly through lower duty cycles. Sometimes higher power is needed in heavy duty applications to overcome interference to ensure reliable data acquisition and network reliability.

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IO-Link for Industrial Sensors
SL-PN-IOD01A1
量産中
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