Схема подключения датчика приближения: PNP, NPN, 2-проводные и 4-проводные соединения

Если вы искали “схему подключения датчика приближения”, то, скорее всего, перед вами лежит одно из двух: либо совершенно новый датчик и разъем, к которому его нужно подключить, либо старый датчик, этикетка на котором стерлась ещё много лет назад. Обе задачи требуют одних и тех же навыков. Вам нужно читать схему подключения, понимая, для чего на самом деле предназначен выходной сигнал датчика, а не просто запоминать один чертеж и надеяться, что он подходит к вашему устройству.

В этом руководстве подробно рассмотрены все этапы: трехпроводная петля, общая для всех схем; типы выходов, определяющие способ подключения (PNP, NPN, 2-проводная, 4-проводная, релейная); как определить датчик без маркировки и подобрать к нему соответствующую входную плату ПЛК; а также что необходимо записать перед заказом запасной части. Индуктивные, ёмкостные и фотоэлектрические датчики подключаются одинаково. Принцип действия датчика не влияет на схему подключения, поэтому всё, что описано ниже, применимо ко всем трём типам.

Как читать схему подключения датчика приближения: три провода и контур

Любая схема датчика приближения на постоянном токе, какой бы запутанной она ни была, представляет собой одну цепь, изображенную тремя способами: источник питания, переключатель и нагрузка. Датчик и есть этот переключатель. Единственный вопрос, на который отвечает электрическая схема, — это то, где именно в цепи находится этот переключатель. Для 3-проводного датчика ответ всегда обозначен этими тремя цветами.

3-проводной датчик приближения постоянного тока имеет ровно три вывода, что соответствует стандарту EN 60947-5-2 (База знаний Pepperl+Fuchs):

• Браун (BN): положительный приток
• Синий (BU): отрицательное напряжение питания / 0 В
• Черный (BK): коммутируемый выход

Коричневый и синий провода — это шины питания; они одинаковы на всех 3-проводных датчиках, с которыми вам доведется столкнуться. Черный провод — это то, что обеспечивает всю работу. Это выход переключателя, и сам по себе он ничего не делает. Переключатель работает только тогда, когда на его выходе подключена нагрузка. Выходной провод необходимо подключить через нагрузку (вход ПЛК, катушку реле или контактор) обратно к напротив питающая шина. Датчик, у которого коричневый и синий провода находятся под напряжением, а чёрный провод не заземлён, представляет собой выключатель, которому нечего переключать.

Еще два момента, на которые стоит обратить внимание, прежде чем продолжить. Во-первых, эта цветовая кодировка соответствует стандарту EN 60947-5-2, а не законам физики: старые датчики, некоторые типы датчиков переменного тока и небольшое количество недорогих устройств используют другие цвета. Если схема и провода не совпадают, доверяйте схеме и проверьте с помощью мультиметра (метод идентификации описан в следующих разделах). Во-вторых, если вы искали “схему подключения индуктивного датчика приближения” или “схему подключения фотоэлектрического датчика”, перестаньте искать другой чертеж. Чувствительный элемент (индуктивная катушка, емкостная пластина или оптический приемник) находится внутри корпуса и никогда не отображается на схеме подключения. На схеме отображается только выходной каскад.

Типы выходов определяют схему подключения: 3-проводная PNP/NPN, 2-проводная, 4-проводная, релейная

На всех схемах три провода одинаковы. Разница между схемами заключается в том, на какую шину переключается чёрный выходной провод. Это и определяет тип выхода датчика, и именно эта единственная информация позволяет определить, какая схема подходит для вашего устройства.

3-проводные PNP и NPN (типы, с которыми вы будете сталкиваться чаще всего)

Большинство промышленных датчиков приближения, продаваемых сегодня, относятся к типу 3-проводных датчиков постоянного тока, причем 3-проводные модели бывают двух типов с одинаковой цветовой маркировкой:

• PNP (выход “sourcing”): когда датчик обнаруживает цель, черный провод переключается на положительный рельс. Выход источники ток в нагрузку. Другая сторона нагрузки подключается к 0 В.
• NPN (выход “опускания”): когда датчик обнаруживает цель, черный провод переключается на отрицательный рельс. Выход раковины ток от вашей нагрузки. Другая сторона нагрузки подключается к +24 В.

После полевых работ в памяти остаётся один запоминающийся момент: PNP = в выключенном состоянии Pположительный, NPN = в включенном состоянии NОтрицательный. Цвета проводов одинаковы: коричневый — к «+», синий — к «−», черный — к входу. Если сравнить чертежи PNP и NPN, расположенные рядом, то они отличаются ровно одной деталью: местом подключения дальнего конца нагрузки.

Большинство 3-проводных датчиков постоянного тока работают при напряжении питания примерно 10–30 В постоянного тока (перед подключением питания проверьте диапазон напряжения на паспортной табличке вашего устройства), и подавляющее большинство из них поставляется в исполнении «нормально открытый» (NO). Выход переключается, когда объект попадает в зону обнаружения. Существуют также версии «нормально закрытый» (NC), которые широко используются в схемах безопасности и защиты от заклинивания; они описаны в разделе «Заказ» ниже.

2-проводные и переменного тока типы

Двухпроводной датчик приближения не имеет отдельного выходного провода. Контакт датчика подключается последовательно через нагрузку, точно так же, как в случае концевого выключателя или поплавкового выключателя. Ток протекает через датчик, через нагрузку и обратно. Питание и сигнал передаются по одним и тем же двум проводам. Такая последовательная топология обусловливает две особенности, которые часто вводят людей в заблуждение:

• Ток утечки вне рабочего состояния. Двухпроводной датчик не может представлять собой идеальный разомкнутый выключатель; в “выключенном” состоянии ему требуется небольшой ток для питания собственной электроники. Этот ток утечки обычно составляет 1–2 мА (в технических характеристиках некоторых моделей указаны более низкие значения, а в других — более высокие: см. техническое описание ток в выключенном состоянии). Если для отключения входа ПЛК или реле на другом конце требуется меньший ток, чем указанный, вход никогда не переходит в состояние “выключено”, и датчик выглядит как постоянно включенный. Это классическая жалоба на “двухпроводной датчик, который никогда не отключается от питания”. Стандартным способом устранения этой проблемы на месте является установка разрядника: резистора сопротивлением 10 кОм, включенного поперек входа (подбираемого с учётом напряжения, мощностью не менее 0,5 Вт при 24 В), чтобы утечка имела куда уходить.
• Падение напряжения в включенном состоянии. Когда устройство находится в включенном состоянии, на нем возникает падение напряжения. На нагрузку подается напряжение питания за вычетом остаточного напряжения датчика, поэтому нагрузка, рассчитанная на 24 В, может работать с пониженной производительностью. Всегда убеждайтесь, что нагрузка способна выдержать такое падение напряжения.

Двухпроводные датчики постоянного тока чувствительны к полярности (перепутывание коричневого и синего проводов приводит к выходу из строя многих устройств; проверьте наличие встроенной защиты от обратной полярности). Двухпроводные датчики переменного тока (обычно 110–240 В переменного тока) не имеют полярности. Их можно подключать в любом направлении, именно поэтому старые бесконтактные датчики переменного тока так широко используются при модернизации оборудования. Модели переменного тока работают по той же логике, основанной на токе утечки, но имеют выход типа триака, и в новых щитах их, как правило, заменяют моделями постоянного тока.

4-проводной выход и релейный выход

• 4-проводные датчики иметь два силовых провода и два выходных провода: как правило, один нормально открытый и один нормально закрытый выход (или, в некоторых конструкциях, комплементарные выходы PNP и NPN), которые переключаются одновременно. Подключите нужную вам пару; неиспользуемый выход просто оставляют неподключенным. Используйте 4-проводной вариант, если вашей схеме действительно требуются оба состояния: например, сигнал “деталь присутствует” для ПЛК и сигнал “деталь отсутствует” для индикатора.
• Датчики с релейным выходом Установите внутри корпуса настоящий «сухой» контакт. Выход представляет собой изолированный контакт, переключающий переменный или постоянный ток независимо от собственного питания датчика. Благодаря этой изоляции устройства с релейным выходом проще всего адаптировать к любому входу, однако это достигается за счет более медленного времени отклика и ограниченного механического ресурса. Они подходят скорее для низкочастотного обнаружения (двери, положения, уровень), чем для высокоскоростного счёта.

Перед подключением: определите тип выхода и подберите соответствующую входную плату

Большинство неисправностей в электропроводке на самом деле не являются неисправностями в электропроводке. Это несоответствие неисправности. Датчик работал исправно, схема была верна, а проблема заключалась лишь в том, что они не согласовывались относительно того, на какую шину переключается выходной сигнал. В этом разделе этот вопрос решается ещё до включения питания: определите, какой у вас датчик, определите, что требуется для входа, и только после этого подключайте их друг к другу.

Шаг 1 — Определите тип датчика: нет маркировки? Воспользуйтесь измерительным прибором

Если на датчике имеется паспортная табличка, определите по ней тип выхода: PNP, NPN, 2-проводной постоянного тока или код модели производителя, соответствующий одному из этих типов. Если надпись на табличке стерлась или датчик был взят с выведенной из эксплуатации линии, воспользуйтесь двухпроводным тестом:

1. Подключите датчик к источнику питания: коричневый провод — к +24 В, синий — к 0 В, от небольшого источника постоянного тока.
2. Установите мультиметр в режим измерения постоянного напряжения. Подключите красный щуп к +24 В, а черный — к черному (выходному) проводу.
3. Поднесите цель (для индуктивных типов подойдет стальной болт) к чувствительной поверхности и снимите показания напряжения, когда цель распознается, а затем — когда её уже нет.

Если показание составляет около 24 В в момент обнаружения и около 0 В в момент сброса, выходный сигнал при активации переходит на отрицательную шину. То есть это NPN устройство. Если же ситуация обратная (напряжение около 0 В при обнаружении, около 24 В при отсутствии сигнала), выход переключается на положительный уровень. То есть это PNP устройство. Неизменяющееся показание означает либо, что устройство является нормально-закрытым (подключите и отключите объект измерения и сравните результаты), либо что датчик вышел из строя. Обратите внимание, что в некоторых конструкциях напряжение на выходе без нагрузки может колебаться неопределённо. Если показания выглядят нечётко, проведите тест с подключённой небольшой нагрузкой (катушкой реле или входом ПЛК).

Специализированные тестеры датчиков делают это автоматически: подключите коричневый, синий и черный провода — и загорится индикатор PNP/NPN. Если вы регулярно заменяете датчики, тестер окупится за десять минут, сэкономленных на поисках нужного датчика.

Шаг 2 — Определите характер входящего потока: источник или поглотитель, и почему все спорят по этому поводу

Вот фраза, которая развязывает бурные споры о PNP и NPN на всех форумах: Производитель датчика обозначает выход в зависимости от типа транзистора (PNP или NPN), а производитель ПЛК — вход в зависимости от направления тока, которое он принимает (источник или сток). Эти два термина описывают одну и ту же пару с противоположных сторон.

• A Датчик PNP источники ток по его чёрному проводу, поэтому он питает погружение вход (на вход протекает ток).
• An Датчик NPN раковины ток от входа, поэтому он питает поиск поставщиков ввод.

“Термины ”источник“ и ”сток“ всегда определяются относительно устройства, которое вы рассматриваете. Именно поэтому фраза одного инженера ”датчик с источниковым выходом требует входа со стоковым выходом“ для другого инженера будет ”модулем входа со стоковым выходом», и именно поэтому каталоги и сообщения на форумах кажутся противоречивыми. Если технические характеристики вызывают у вас затруднения, нарисуйте токовую петлю. Ток на выходе PNP должен протекать в клемма входа платы и общий вывод платы. Как бы ни называлась эта схема в документации платы, если цепь замыкается именно таким образом, то они совпадают.

На практике региональные конвенции четко разделяются на две группы:

• Европа и Северная Америка перейти на использование датчиков PNP с входами типа «sinking». Большинство цифровых входов Siemens S7-1200/S7-1500 и Rockwell ControlLogix/CompactLogix представляют собой входы типа 1 («sinking»), предназначенные для 3-проводных датчиков PNP (поддержка SiePortal от Siemens для входов типа 1 на S7-1200: ссылка на форум; Модуль ввода Rockwell 1756-IB16 является модулем с отрицательным потенциалом, подключенным к датчикам с PNP-выводом в соответствии с техническими данными 1756-TD002: Техническая документация Rockwell).
• Япония и большая часть Азии Еще на раннем этапе в датчиках NPN были стандартизированы входы с источником тока. Контроллеры Mitsubishi и Omron обычно поставляются с платами ввода, в которых предполагается, что переключается отрицательная сторона. Это связано с тем, что в выходном каскаде используется на один транзистор меньше, а не с разницей в характеристиках.

Единственное техническое предостережение, связанное с NPN: выход NPN находится в состоянии “включено”, когда его транзистор замкнут на массу, поэтому короткое замыкание на массу на сигнальном проводе похоже на правильный сигнал. В цепях, где ложное состояние “включено” представляет опасность (блокировки безопасности, контроль аварийной остановки), предпочтительно использовать выходы типа PNP или релейные выходы. В случае обрыва или короткого замыкания проводник переходит в состояние “выключено” или, по крайней мере, это можно обнаружить.

Шаг 3 — Вы уже купили не тот тип. Способы исправления на месте, в порядке убывания надежности

С такими несоответствиями сталкиваются все: например, целую партию PNP-транзисторов заказали для платы, а с склада взяли NPN-датчик для входа управления. Существует три способа исправить ситуацию, и они различаются по степени своей окончательности.

1. Реле интерфейса (надежное решение). Выход датчика управляет катушкой небольшого реле; контакт реле, в свою очередь, управляет входом. Таким образом, можно без проблем преобразовать как PNP-выход в истоковый вход, так и NPN-выход в стоковый вход. Это требует затрат лишь на одно реле и немного места на панели, но при этом преобразование является электрически изолированным, не подвержено проблемам, связанным с логическим уровнем, и впоследствии легко понятно для технического персонала.
2. Резистор «подтяжки» / «опускания» (быстрое решение с реальными ограничениями). Датчик NPN, подключённый к входу типа «источник», можно принудительно подтянуть с помощью подтягивающего резистора от входного вывода до +24 В; датчик PNP, подключённый к входу типа «сток», — с помощью опускающего резистора до 0 В. Типичные начальные значения составляют 10 кОм (0,5 Вт при 24 В). Однако это имеет свои последствия: резистор создаёт постоянную токовую нагрузку на выходе датчика, поэтому резистор с недостаточным сопротивлением со временем перегревается и выводит из строя выходной транзистор. Если вы используете этот обходной способ, измерьте фактический ток, выберите резистор, номинальная мощность рассеивания которого как минимум в два раза превышает расчётную, и рассматривайте его как временное решение до поступления подходящего устройства.
3. Замените модуль ввода. Это оправдано, когда несколько датчиков подключаются к одной плате.

Почему прямое несоответствие обычно не что-то вывести из строя? Внутреннее сопротивление входа ПЛК ограничивает ток до безопасного значения в несколько миллиампер. При несоответствии параметров вход либо “никогда не включается”, либо “всегда включен” — но дыма не будет. Именно поэтому датчик с несоответствующими параметрами может казаться неработающим, хотя на самом деле он в полном порядке. Неправильное подключение не приводит к перегоранию датчика; просто вход не регистрирует замыкание цепи.

Собираетесь заменить датчик? Семь технических характеристик, которые нужно записать перед заказом

Как только вы определили тип старого датчика и требования вашей платы ввода, при заказе запасной детали и возникают несоответствия купил. Датчик, соответствующий семи критериям, устанавливается за считанные минуты. Датчик, соответствующий шести критериям, поставляется, выходит из строя и отправляется обратно. Перед тем как сделать заказ, запишите следующее:

Перед тем как нажать кнопку «Заказать», проверьте этот список строка за строкой, сопоставляя его с кодом типа входной платы. Два замечания. Во-первых, NC — это не вопрос предпочтений, а конструктивное решение. В цепях обнаружения остановки или защитных цепях датчик, переходящий в открытое состояние при обрыве провода, обеспечивает безопасность, поэтому в таких случаях следует использовать NC, а NO — в системах подсчёта и определения присутствия. Во-вторых, если старое устройство было двухпроводным, а новое — трехпроводным (или наоборот), схема подключения входов полностью меняется. При замене двухпроводной схемы на трехпроводную необходимо заново проанализировать общую схему подключения входов, а не просто переподключить провода на прежние позиции.

Когда поступит запасная деталь, три минуты проверки позволят избежать повторной поездки. Сначала, при отключенном питании, сверьте порядок подключения проводов со схемой. Затем включите питание и переключите выход на известную нагрузку: происходит ли переключение? Наконец, подключите датчик к реальному входу и убедитесь, что вход реагирует на переход, включая двухпроводную проверку утечки, проводившуюся ранее, если старый датчик когда-либо “застревал в включенном состоянии”.”

Торговля заменителями: формирование запасов по типу продукции, а не по бренду

Каждый из перечисленных выше этапов идентификации и формирования заказов обусловлен одним структурным особенностью сферы технического обслуживания. Изношенный датчик приближения заменяется на датчик того же типа, а не той же марки. Машине на производственном цехе всё равно, чей логотип был отпечатан на неисправном изделии. Для неё важно, чтобы тип выхода, состояние, напряжение, схема подключения и дальность срабатывания замены соответствовали требованиям исходной электрической схемы. Когда этикетка утрачена, а первоначальный поставщик прекратил свою деятельность, “тип” — это единственная характеристика, которую вообще можно восстановить.

Вопрос о замене касается типа устройства, а не бренда

Для дистрибьюторов и торговых компаний, обслуживающих рынки ремонта и технического обслуживания, этот факт меняет логику работы склада. Самый частый запрос — это не “продаёте ли вы продукцию марки X?”, а “датчик на нашей упаковочной машине вышел из строя, помогите подобрать аналог”. Выигрышное коммерческое предложение в таком случае указывает тип выходного сигнала, состояние, источник питания, схему подключения и дальность срабатывания, а также уточняет, к какой из двух возможных входных плат заказчика оно подходит. Предложение, в котором указаны только марка и цена, заставляет клиента обратиться к следующему поставщику, чтобы заново задать тот же вопрос. Приведённый выше список из семи пунктов и составляет разницу между этими двумя предложениями. Именно поэтому умение “записать тип” — это навык, который не даёт заказам на замену превратиться в возвраты.

Формирование запасов подчиняется той же логике, и региональное разделение, описанное в предыдущем разделе, становится фактором при принятии решений об инвентаризации. Если панели ваших клиентов были изготовлены в Европе или Северной Америке, то в установленном парке преобладают устройства с PNP-выводами и понижающими входами. В качестве стандартной линейки держите на складе 3-проводные устройства с PNP-выводами, а для старых машин — 2-проводные устройства постоянного тока и устройства с релейными выходами. Если ваши клиенты используют оборудование японского или азиатского производства (Mitsubishi, Omron и множество совместимых с ними моделей), то в установленном парке преобладают устройства с NPN-типом и входами с подтяжкой, и линейка NPN является стандартной, а не изготавливаемой по специальному заказу. Для большинства клиентов со смешанным парком оборудования необходимо иметь на складе устройства обоих типов, а также небольшой запас 2-проводных устройств переменного тока для подлинных устаревших машин.

Формирование запасов по регионам — и реализация навыка взаимодействия

Здесь следует четко обозначить одну границу. Такая логика формирования запасов подходит для небольших, но универсальных дистрибьюторов, обслуживающих рынок ремонта и мелкосерийного производства: то есть для той клиентской базы, которая заказывает по дюжине единиц разных типов и объединяет их в один контейнер. Она не подходит для поставок в рамках проектов по всей линейке продукции, когда интегратор закупает датчики оптом по одной спецификации. Она также не подходит для пополнения запасов напрямую с завода. Эти покупатели и так знают нужные им типы. На рынке запчастей знание типов находится на вашей стороне прилавка. И это знание, сформулированное как “скажите, что требуется для вашего оборудования, и я подберу подходящее устройство”, — это услуга, а не страница каталога. Поставщик, который первым отвечает на вопрос о типе, получает заказ. Поставщик, отвечающий только на вопрос о цене, становится объектом сравнения.

Если вы сейчас смотрите на датчик с потертой этикеткой или едва разборчивую схему подключения, вам не нужно решать эту проблему в одиночку. Компания OMCH подбирает заменяющие датчики по марке и номеру модели, по чертежам или по физическому образцу — пришлите нам технические характеристики или старый датчик, и наши инженеры по подбору оборудования подтвердят тип выходного сигнала, состояние и схему подключения, необходимую для вашей схемы, прежде чем вы оформите заказ. Начните с семипунктного контрольного списка (отправьте это сюда).

Ссылки

1. Pepperl+Fuchs. “Индуктивные датчики — электрические соединения”. База знаний: цветовая маркировка проводов и распиновка разъемов в соответствии со стандартом EN 60947-5-2. https://www.pepperl-fuchs.com/
2. Rockwell Automation. “Технические характеристики модулей ввода-вывода 1756 ControlLogix — Технические данные (1756-TD002)”. PDF: модули ввода с понижающим потенциалом и подключение датчиков PNP. https://literature.rockwellautomation.com/
3. Siemens. “Подключение цифровых модулей ввода-вывода к S7-1214C”. Тема на форуме поддержки SiePortal: входы типа 1 и подключение 3-проводных датчиков. https://sieportal.siemens.com/