In automatisierten Produktionslinien fungieren unzählige Näherungssensoren als neuronale Endpunkte, die die Anwesenheit und den Abstand von Metallobjekten präzise erfassen und diese Informationen in Signale umwandeln, die von Steuerungssystemen erkannt werden können. Diese Signale gibt es in verschiedenen Typen, die bestimmen, wie Sensoren mit Steuerungssystemen kommunizieren. Wie sollten Ingenieure den geeigneten Ausgabetyp für spezifische Anwendungen auswählen? Dieser Artikel bietet eine eingehende Analyse der Ausgangskonfigurationen von Näherungssensoren.

Näherungssensoren können in drei primäre Ausgangstypen unterteilt werden, die auf Signalmerkmalen basieren: Schalten (Binärausgang), analog und Datenübertragung (Mess-)Typen. Schaltsensoren liefern zwei unterschiedliche Zustände für eine einfache Ein/Aus-Steuerung, analoge Sensoren liefern eine kontinuierliche Ausgabe für Präzisionsmessungen, während Datenübertragungstypen reichhaltigere Datensätze kommunizieren können.

Näherungssensoren vom Schalttyp, auch Binärausgangssensoren genannt, stellen die gebräuchlichste Kategorie dar. Diese funktionieren im Wesentlichen als einfache Ein/Aus-Schalter, die zwischen zwei vordefinierten Ausgangszuständen umschalten, basierend auf der Erkennung des Zielobjekts. Sie werden häufig zur Steuerung von Ventilen, Klappen, Signalleuchten und anderen Aktoren verwendet und direkt mit den digitalen Eingängen der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) verbunden.

NPN-Ausgangssensoren verbinden den Ausgangsanschluss mit Masse (0 V), wenn sie aktiviert werden. Die Last wird zwischen der Stromversorgung (+UB) und dem NPN-Ausgang des Sensors angeschlossen. Bei der Erkennung eines Zielobjekts leitet der NPN-Transistor und schließt den Laststromkreis.

Anwendungsbeispiel: In Fördersystemen erfassen NPN-Sensoren Produkte, die bestimmte Positionen erreichen. Bei der Erkennung löst das Low-Pegel-Ausgangssignal die SPS aus, um den Förderbetrieb zu stoppen.

Vorteile:

• Einfacheres Schaltungsdesign
• Geringere Implementierungskosten

Nachteile:

• Empfindlich gegenüber der Polarität der Stromversorgung
• Relativ geringere Störfestigkeit

PNP-Ausgangssensoren verbinden den Ausgangsanschluss mit der Stromversorgung (+UB), wenn sie aktiviert werden. Die Last wird zwischen dem PNP-Ausgang und Masse (L-) angeschlossen. Die Zielerkennung aktiviert den PNP-Transistor, um den Laststromkreis zu schließen.

Anwendungsbeispiel: In automatisierten Montagelinien überprüfen PNP-Sensoren die ordnungsgemäße Installation von Komponenten. Die korrekte Positionierung erzeugt ein High-Pegel-Signal, das die SPS auffordert, nachfolgende Montageschritte einzuleiten.

Vorteile:

• Überlegene Störfestigkeit
• Geringere Anfälligkeit für Erdungsstörungen

Nachteile:

• Komplexeres Schaltungsdesign
• Höhere relative Kosten

Die Wahl zwischen NPN- und PNP-Ausgängen hängt vom Design des Steuerungssystems und der Betriebsumgebung ab. Europäische Anwendungen bevorzugen typischerweise PNP-Sensoren, während asiatische Märkte häufiger NPN-Typen verwenden. Zu den Auswahlüberlegungen gehören:

• Kompatibilität des Steuerungssystems: Einige SPSen unterstützen möglicherweise nur bestimmte Eingangstypen
• Elektromagnetische Störungen: PNP-Sensoren arbeiten im Allgemeinen besser in störungsreichen Umgebungen
• Sicherheitsfaktoren: PNP-Konfigurationen reduzieren das Risiko von Erdschluss

Zwei-Draht-Näherungssensoren stellen einen spezialisierten Schalttyp dar, der Stromversorgung und Signalübertragung über nur zwei Leiter kombiniert. Diese vereinfachte Verdrahtung reduziert die Installationskosten für bestimmte Anwendungen.

Der Sensor und die Last werden in Reihe geschaltet, wobei die Anordnungsreihenfolge irrelevant ist. Als aktive Geräte verbrauchen Zwei-Draht-Sensoren kontinuierlich Betriebsleistung, während sie Statussignale über dieselben Leiter übertragen.

Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern, die Stromkreise vollständig öffnen oder schließen, halten Zwei-Draht-Sensoren immer einen gewissen Spannungsabfall aufrecht, wenn sie „geschlossen“ sind, und einen minimalen Leckstrom, wenn sie „offen“ sind. Diese Eigenschaft muss bei der Verbindung mit digitalen SPS-Eingängen gemäß EN 61131-2 berücksichtigt werden.

Anwendungsbeispiel: Bei der einfachen Flüssigkeitsstandregelung erfassen Zwei-Draht-Sensoren, die auf Tankoberseiten montiert sind, obere Grenzwerte und signalisieren SPSen, Einlassventile zu schließen, wenn diese erreicht sind.

Vorteile:

• Vereinfachte Zwei-Leiter-Installation
• Reduzierte Verdrahtungskosten

Nachteile:

• Restströme und Spannungsabfälle können sich auf bestimmte Lasten auswirken
• Erfordert die Überprüfung der SPS-Eingangskompatibilität

Diese Sensoren verfügen über Binärausgänge, die elektromechanische Relais über separate Steuerschaltungen anstelle von Stromkreisen steuern.

Relaisausgänge, die mindestens vier Anschlüsse (zwei für die Sensorelektronik, zwei für passive Relaiskontakte) erfordern, bieten eine höhere Strombelastbarkeit als elektronische Schalter, leiden aber unter mechanischem Verschleiß, der die Schaltfrequenz auf einige wenige Vorgänge pro Sekunde begrenzt.

Anwendungsbeispiel: In Motorsteuerungssystemen erfassen Relaisausgangssensoren Überlastbedingungen und öffnen Kontakte, um die Stromversorgung bei Bedarf zu unterbrechen.

Vorteile:

• Hohe Strombelastbarkeit
• Galvanische Trennung für Störfestigkeit

Nachteile:

• Mechanischer Kontaktabrieb begrenzt die Lebensdauer
• Niedrige Schaltfrequenz
• Größere physische Größe

Diese spezialisierten Sensoren erzeugen Ausgangssignale, die den NAMUR-Standards für erhöhte Sicherheit entsprechen und sich für Näherungssensoren oder Encoder in explosionsgefährdeten Bereichen eignen.

NAMUR-Sensoren übertragen definierte Stromwerte gemäß EN 60947-5-6 an isolierte Schaltverstärker, die diese in diskrete Ausgänge umwandeln und gleichzeitig Kurzschluss- und Drahtbruchdetektion bereitstellen. Traditionelle Versionen weisen konstante Ausgangsmerkmale auf, während binäre Schalttypen einen Öffner (N1) oder Schließer (N0) Betrieb bieten.

Anwendungsbeispiel: Chemische Anlagen verwenden NAMUR-Sensoren zur eigensicheren Ventilpositionsüberwachung.

Vorteile:

• Explosionsgeschützter Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen
• Integrierte Fehlererkennung

Nachteile:

• Benötigt isolierte Schaltverstärker
• Stromsignal muss umgewandelt werden

Diese herkömmlichen binären Sensoren übertragen Schaltzustände als diskrete Stromwerte (typischerweise 5 mA bei keiner Erkennung, 10 mA bei erkannten Objekten).

Anwendungsbeispiel: Zählsysteme verwenden diese Sensoren, um Objekte auf Förderbändern zu zählen und Zähler zu inkrementieren, wenn sie 10-mA-Signale empfangen.

Vorteile:

• Gute Störfestigkeit
• Direkte SPS-Eingangskompatibilität

Nachteile:

• Stromsignal erfordert möglicherweise eine Konvertierung
• Begrenzter Anwendungsbereich

Sensoren vom Messtyp erfassen und übertragen mehrere Signale oder Statusinformationen als analoge Strom- oder Spannungswerte.

Diese Sensoren wandeln gemessene physikalische Variablen (wie den Abstand zu Metallobjekten) in proportionale 4-20-mA-Stromsignale um.

Anwendungsbeispiel: Robotersysteme verwenden 4-20-mA-Sensoren zur präzisen Positionierung des Endeffektors relativ zu Werkstücken.

Vorteile:

• Hervorragende Störfestigkeit für Langstreckenübertragung
• Industriestandard-Signalkompatibilität

Nachteile:

• Höhere relative Kosten
• Signalaufbereitung erforderlich

Ähnlich wie Stromausgangstypen, wandeln aber Messungen stattdessen in Spannungssignale um.

Anwendungsbeispiel: Druckregelsysteme verwenden 0-10-V-Sensoren zur präzisen Messung des Zylinderhubs.

Vorteile:

• Einfachere Schaltungsimplementierung
• Kostengünstigere Lösung

Nachteile:

• Reduzierte Störfestigkeit begrenzt die Übertragungsentfernung
• Lastimpedanzempfindlichkeit

Die Wahl zwischen analogen Formaten hängt ab von:

• Übertragungsentfernung: Stromsignale zeichnen sich für lange Strecken aus
• Laststabilität: Spannungssignale leiden unter Impedanzschwankungen
• Kompatibilität des Steuerungssystems: Einige SPSen beschränken die Eingangstypen

Diese Sensoren kommunizieren über den industriellen Feldbus AS-Interface und übertragen Schaltzustände und zusätzliche Daten über Zwei-Draht-Netzwerke unter Verwendung der Durchdringungs-Klemmtechnik für eine vereinfachte Installation.

Anwendungsbeispiel: Automatisierte Produktionslinien setzen mehrere AS-Interface-Sensoren zur verteilten Stationsüberwachung über eine zentrale Steuerung ein.

Vorteile:

• Reduzierte Verdrahtungskomplexität und -kosten
• Integrierte Diagnosefunktionen

Nachteile:

• Begrenzte Übertragungsgeschwindigkeit
• Erfordert AS-Interface-Master

Mit standardisierten M8/M12-Steckern ermöglichen IO-Link-Sensoren eine intelligente Punkt-zu-Punkt-Kommunikation für Industrie-4.0-Anwendungen und erhalten gleichzeitig die Kompatibilität mit dem herkömmlichen SIO-Betrieb (Standard Input/Output).

Anwendungsbeispiel: Smart Factories nutzen IO-Link-Sensoren für die Echtzeitüberwachung von Geräten und Cloud-basierte Analysen.

Vorteile:

• Fernkonfiguration mit hoher Datenkapazität
• Standardisierte Schnittstellenintegration

Nachteile:

• IO-Link-Master-Anforderung
• Höhere Implementierungskosten

Bei der Sensorauswahl muss auch die Ausgangslogik berücksichtigt werden – der Signalzustand bei der Erkennung von Zielen. Häufige Konfigurationen umfassen:

• Öffner (NO): Low/off im Ruhezustand, High/on bei Erkennung
• Schließer (NC): High/on im Ruhezustand, Low/off bei Erkennung

Sicherheitssysteme verwenden häufig NC-Logik, um Alarme bei Sensorausfällen auszulösen.

Näherungssensoren bieten verschiedene Ausgangstypen, die jeweils einzigartige Eigenschaften für spezifische Anwendungen aufweisen. Die optimale Auswahl erfordert die Bewertung der Betriebsanforderungen, der Kompatibilität des Steuerungssystems, der Umgebungsbedingungen und der Kostenfaktoren, um eine zuverlässige Systemleistung zu gewährleisten. Diese umfassende Analyse bietet Ingenieuren eine wesentliche Anleitung für fundierte Entscheidungen bei der Sensorspezifikation.