Кінцевий вимикач чи індуктивний датчик: коли міняти

Кінцевий вимикач чи індуктивний датчик: коротка відповідь

Коротко. Міняти механічний кінцевий вимикач на індуктивний датчик варто тоді, коли відмовляє саме механіка: вузол працює частіше, ніж допускає паспорт вашого вимикача (у Omron D4N це 30 спрацювань/хв, у XCKN2121P20 довговічність нормована при менше 60 цикл/хв), важіль гнеться, ролик забивається стружкою, або вимикач стоїть там, куди лізти з ключем ніхто не хоче. Залишати механіку треба в трьох випадках: коли контакт має примусове розмикання за Додатком K стандарту IEC 60947-5-1, коли на вимикачі напряму висить котушка контактора в категорії AC-15, і коли вимикачі з'єднані в послідовний ланцюг. Ми продаємо індуктивні датчики, а кінцевих вимикачів у нашому каталозі немає. Тому нижче не реклама заміни, а правила, за якими ми самі вирішуємо, коли ця заміна має сенс, а коли ми від неї відмовляємо.

Усі цифри в статті взяті з паспортів виробників і з тексту двох стандартів. Механічні вимикачі XCKN2121P20 і Omron D4N фігурують тут як приклади з документації, щоб було з чим порівнювати; ми ними не торгуємо. Omron у нас є як бренд у розділі датчиків, але саме D4N — це приклад із паспорта, а не наша позиція. Індуктивні датчики, на які стоять лінки, у каталозі є.

Це не два різні світи, а той самий шляховий вимикач

Обидва прилади стандарт описує як одну й ту саму функцію. IEC 60947-5-2 у пункті 2.1.1 визначає безконтактний вимикач дослівно так: «вимикач положення, який спрацьовує без механічного контакту з рухомою частиною». Тобто безконтактний датчик — це не альтернатива кінцевому вимикачу, це кінцевий вимикач без механічного дотику. Механічні прилади живуть у сусідній частині того ж стандарту: IEC 60947-5-1 так і називається — «електромеханічні прилади кіл керування».

Різниця між ними одна, і все інше з неї витікає. У механічного вимикача комутує металевий контакт. В індуктивного датчика, за пунктом 2.1.1.1 того ж 60947-5-2, комутує напівпровідниковий елемент, а поле створює генератор. З цієї однієї відмінності й народжуються всі практичні наслідки:

• метал зношується і має паспортний ресурс у циклах, напівпровідник не має ні контактів, ні ресурсу в циклах;
• металевий контакт тримає струм котушки, напівпровідниковий вихід двопровідного датчика — максимум 500 мА;
• металевий контакт у розімкненому стані не пропускає нічого, напівпровідниковий пропускає струм у закритому стані (Ir);
• металевий контакт можна примусово розвести механікою, напівпровідниковий — ні, і це не питання якості датчика, це питання фізики.

Перший розділювач: що саме висить на виході

Починайте не з датчика, а з навантаження. Якщо на кінцевому вимикачі сидить котушка контактора або пускача напряму, індуктивний датчик у цю точку не стає без проміжного реле. Причина в категоріях застосування, і вони прописані в обох стандартах чорним по білому.

IEC 60947-5-1 у таблиці 1 (пункт 4.4) дає механічним приладам категорію AC-15 — керування електромагнітними навантаженнями понад 72 ВА, і AC-14 для навантажень до 72 ВА. IEC 60947-5-2 у таблиці 2 для електромагнітних навантажень дає категорію AC-140 — керування малими електромагнітними навантаженнями зі струмом утримання не більше 0,2 А, наприклад проміжними реле (поряд з AC-12, DC-12 і DC-13 у тій самій таблиці). Різниця не в маркетингу, а в межі 0,2 А струму утримання.

Подивіться на паспортні цифри. Механічний XCKN2121P20 має контактний код A300 і в категорії AC-15 комутує Ie = 3 А при Ue = 240 В, умовний тепловий струм 10 А. Omron D4N у AC-15 дає ті самі 3 А при 240 В, а в таблиці A300 прямо пише: при 240 VAC він робить make 30 А і break 3 А. Двопровідний індуктивний NBB20-U1-UU працює від 24…230 В AC, і це найближчий до кінцевого вимикача клас датчиків, який у нас є, але його паспортний Ie становить 500 мА при 50/60 Hz, а робочий струм лежить у вилці 5…500 мА.

Робоче правило з цих цифр: виміряйте струм утримання котушки, яку комутує ваш вимикач. Менше 0,2 А — двопровідний датчик стає напряму. Більше — ставте проміжне реле між датчиком і котушкою, і закладайте для нього місце в шафі ще на етапі рішення. Стандарт, до слова, уже припускає, що котушка дає кидок: для AC-140 випробування в таблиці 4 проводять при струмі вмикання в шість разів більшому за Ie і cos φ 0,3.

Другий розділювач: три цифри двопровідника, яких у сухого контакту не буває

Якщо ви міняєте сухий контакт на двопровідний датчик у готовій схемі, ці три рядки паспорта зривають заміну частіше, ніж невірний зазор. Беремо той самий NBB20-U1-UU:

• Струм у закритому стані Ir ≤ 1,5 мА. Розімкнений сухий контакт не пропускає нічого. Двопровідний датчик пропускає до 1,5 мА завжди. Чутливе реле або старий вхід контролера на цьому струмі може не відпустити — і ви отримаєте канал, який «залип» без видимої причини.
• Найменший робочий струм Im = 5 мА. Навантаження має споживати хоча б 5 мА, інакше датчик не вийде в робочий режим. Високоімпедансний вхід контролера цього не дасть.
• Падіння напруги Ud ≤ 5 В у DC і ≤ 8 В в AC (типові 2 і 3 В). У колі на 24 В вісім вольт — це третина живлення, і вона дістанеться датчику, а не навантаженню.

Четверта цифра там же: готовність після подачі живлення tv ≤ 300 мс. Сухий контакт показує стан одразу, датчик протягом перших трьох десятих секунди не показує нічого певного. Якщо на цьому сигналі побудована блокувальна логіка при пуску, 300 мс треба закласти в програму.

І найголовніше, що ми бачимо в заявках регулярно. Паспорт NBB20-U1-UU містить пряму заборону: «датчик призначений для індивідуальної роботи, послідовне або паралельне з'єднання датчиків не допускається». А кінцеві вимикачі саме так і ставлять — у послідовний ланцюг двох кінців ходу, у гірлянду кінцевиків по трасі. Якщо ваша схема так зібрана, двопровідні датчики в неї не підставляються, тут потрібні трипровідні виходи й логіка в контролері.

Трипровідний DC-варіант частини цих проблем не має: у Sick IME12-04BPSZC0K падіння напруги Ud ≤ 2 В при живленні 10…30 В DC, живлення й вихід розведені. Але тоді замість двох проводів ви тягнете три, і треба вибрати PNP чи NPN під вхід контролера — ми розібрали це окремо в статті про підключення датчика до ПЛК.

Коли міняти: механіка зношується швидше, ніж обіцяє каталог

Паспортна довговічність кінцевого вимикача означає не те, що читається на перший погляд. IEC 60947-5-1 у пункті C.2.1 визначає механічну довговічність як число спрацювань без навантаження, яке досягне або перевищить 90 % випробуваних приладів без ремонту й заміни деталей. Тобто це не гарантія для вашого вимикача, а нижній дециль партії: цифру досягають або перевищують щонайменше 90 % приладів, решта 10 % можуть відмовити раніше — і все це на холостому ходу. Електрична довговічність (пункт C.3.1) міряється під навантаженням і за тим самим критерієм. І обидва тести, за пунктом C.1.1, виробник проводить на свій розсуд: якщо він цифру заявив, вона має відповідати тестам, але заявляти її він не зобов'язаний. Преференційний ряд там же: 0,01, 0,03, 0,1, 0,3, 1, 3, 10, 30 або 100 мільйонів циклів.

Тепер як це виглядає на реальному паспорті. Omron D4N заявляє механічну довговічність 15 000 000 спрацювань мінімум, а для виконань fork lever lock — 10 000 000. Електрична в тому ж паспорті: 500 000 спрацювань при резистивному навантаженні 3 А / 250 VAC і 300 000 при 10 А / 250 VAC. Поставте ці цифри рядом: під робочим навантаженням ресурс падає в тридцять разів проти холостого. XCKN2121P20 заявляє 10 000 000 механічних циклів і 5 000 000 електричних, але електричні — при DC-13, 120 В і потужності навантаження 4 Вт. Чотири вати. Під котушку це не екстраполюється.

Два дрібних рядки в паспорті D4N, які вирішують більше, ніж цифра ресурсу:

• усі цифри довговічності дійсні при 5…35 °C і 40…70 % відносної вологості (note 4). Не в цеху з пилом, не на морозі, не в мийці. Note 5 додає: вище 35 °C не пропускати 3 А / 250 VAC більш ніж через два кола.
• контакт, яким уже комутували стандартне навантаження, не можна потім використовувати для меншого (note 2): поверхня контакту грубіє і надійність контактування губиться. Тобто перевести старий силовий кінцевик на сигнальний вхід контролера — погана ідея, навіть якщо механічно він ще живий.

Далі частота. D4N дає максимум 30 спрацювань на хвилину і швидкість актуації від 1 мм/с до 0,5 м/с. Порахуємо: 15 000 000 спрацювань при 30 на хвилину — це 500 000 хвилин, тобто близько 8 300 годин, менше року безперервної роботи на паспортній частоті. Для конвеєра, що тактує щосекунди, механічний кінцевик — витратний матеріал.

Індуктивні датчики тут грають в іншій лізі. NBB2-8GM30-E2 в M8 заявляє частоту 0…6000 Hz, NBB4-12GM50-E2-V1 — 0…2550 Hz, IME12-04BPSZC0K — 2000 Hz. Проти 30 спрацювань на хвилину, тобто 0,5 Hz, це різниця від чотирьох до дванадцяти тисяч разів. Двопровідний NBB20-U1-UU скромніший через схему: 0…100 Hz у DC і лише 0…30 Hz в AC — але це все одно в шістдесят разів більше за механіку.

Чесне застереження до цих герців: 60947-5-2 міряє частоту в пункті 8.5 на мішені, що проходить на половині номінальної відстані, за формулою f = 1/(t1+t2), і номінальним для DC вважає значення, при якому t1 або t2 дорівнює 50 мкс. Це лабораторний максимум, а не обіцянка роботи на такому темпі у вашому вузлі. Але навіть з поправкою на це запас лишається багатократним.

Коли НЕ міняти: чотири випадки, де ми відмовляємо

Тут ми говоримо «ні» частіше, ніж «так», і ось на яких підставах.

Примусове розмикання контакту

Якщо старий вимикач має примусове розмикання, індуктивний датчик його не заміняє — ні дорожчий, ні з двома виходами, ніякий. Додаток K до IEC 60947-5-1 визначає це так: розмикальні контакти зв'язані з приводом через нежорсткі ланки, і розведення контактів досягається як прямий результат руху привода, «наприклад не залежить від пружин» (пункти K.2.1 і K.2.2). Стандарт додає вимоги: категорія має бути AC-15 або DC-13 (K.4.4), мінімальна Ui — 250 В, мінімальний тепловий струм — 2,5 А, кожен такий контакт маркується символом на корпусі, а виробник зобов'язаний опублікувати мінімальний хід і зусилля примусового розмикання і, окремо для кінцевих вимикачів, максимальну швидкість і частоту спрацювання (K.5.4.1).

На паспортах це видно одразу. XCKN2121P20 пише «Positive opening: With», мінімальне зусилля примусового розмикання 10 N, мінімальне зусилля спрацювання 6 N. Omron D4N має сертифікат TÜV за EN 60947-5-1 саме на approved direct opening, file B03 11 39656 061. В індуктивного датчика комутує напівпровідник (пункт 2.1.1.1), механічного контакту, який можна примусово розвести, там фізично немає, тому й сертифікувати нічого. Поставити датчик у блокування огорожі або в ланцюг аварійного кінця ходу — це не заміна деталі, це зміна функції безпеки, і робить її той, хто підписує оцінку ризиків. Ми таку заміну не продаємо.

Послідовний ланцюг

Два кінцевики на два кінці ходу, з'єднані послідовно, — класика, яка з двопровідними датчиками не працює через пряму заборону в паспорті. Виходи треба розводити окремими каналами в контролер.

Навантаження понад категорію

Котушка зі струмом утримання понад 0,2 А, нагрівач, сигнальна лампа на 230 В із великим кидком — усе це поза AC-140. Технічно вирішується проміжним реле, але тоді в шафі з'являється ще один елемент, який теж має контакти й теж зношується. Іноді дешевше залишити механічний вимикач.

Об'єкт не металевий або зазор завеликий

Індуктивний датчик бачить метал, і тільки метал. Дерев'яний піддон, пластикова каретка, скло — не його задача, тут потрібна оптика. І зазор: механічний вимикач спрацьовує від фізичного дотику, тобто від нуля, а індуктивний має гарантовану зону Sa, яку стандарт у пункті 7.2.1.3.3 обмежує 81 % від Sn, причому під ваш метал її ще множать на корекційний коефіцієнт. Повна процедура розрахунку й таблиці каталогу за розмірами — в окремій статті про підбір еквівалента індуктивного датчика; тут важливо запам'ятати одне: рахувати треба по Sa, а не по каталожній Sn.

Таблиця: що з чим порівнювати

Сама заміна: що зробити руками

Порядок дій, у якому ми це проходимо із замовником. Перші два кроки роблять дев'яносто відсотків результату.

1. Виміряйте, що комутує старий вимикач. Напруга, тип струму, струм утримання навантаження. Це визначає клас датчика: двопровідний AC/DC, трипровідний DC або «датчик плюс проміжне реле».
2. Подивіться на об'єкт, а не на вимикач. Ролик старого кінцевика тисне на кулачок або на упор, і цей упор майже ніколи не є стандартною мішенню. Стандарт у пункті 8.3.2.1.1 описує мішень так: квадрат зі вуглецевої сталі Fe 360 за ISO 630, товщина 1 мм, прокатна поверхня, сторона квадрата дорівнює діаметру кола, вписаного в активну поверхню торця датчика, або трьом Sn — що більше. Якщо об'єкт менший або тонший, зона падає. Часто правильне рішення — прикрутити або приварити на каретку стальну пластину потрібного розміру.
3. Порахуйте зазор по Sa під ваш метал, а не по каталожній Sn, і додайте запас на люфт кронштейна. Процедура з формулою й коефіцієнтами — у статті про підбір еквівалента.
4. Знеструмте коло і переконайтесь, що напруги немає. На кранах, воротах і конвеєрах кінцевик часто сидить у колі 230/240 В. Перед тим як відкручувати клеми, знімайте живлення вводним апаратом, блокуйте його від випадкового включення і перевіряйте відсутність напруги на клемах вимикача індикатором або тестером.
5. Кронштейн і підключення. У NBB20-U1-UU клемний відсік під провід до 2,5 мм² із моментом затягування 1,2 Nm, тобто існуючий кабель від вимикача зазвичай переходить на датчик без переробки трасування. Момент затягування самого корпусу — 1,8 Nm.
6. Захист від КЗ не забувайте. XCKN2121P20 вимагає картриджний запобіжник 10 А типу gG, D4N — 10 А gI/gG за IEC269 і прямо попереджає, що в нього він не вбудований. NBB20-U1-UU має pulsing-захист від КЗ, а UL-розділ паспорта додатково вимагає зовнішній запобіжник 3 А за UL 248. Стандарт 60947-5-2 випробовує датчик при очікуваному струмі КЗ 100 А (пункт 8.3.4.1), тобто захист кола — не формальність.
7. Перевірте перед здачею. Живлення, стан виходу в обох положеннях і, для двопровідника, чи не тримає реле струм у закритому стані (Ir). Як це міряти тестером покроково — в інструкції, як перевірити датчик наближення мультиметром.

Наша рекомендація, не вимога стандарту: якщо кінцевик виконував функцію обмеження ходу на крані, воротах чи підйомнику, не знімайте механіку повністю. Залиште її як аварійний кінець, а датчик поставте як робочий. Два незалежні принципи на одному вузлі відмовляють по-різному, і це єдина конфігурація, яку ми радимо без застережень.

Окремий випадок, який ми бачимо на кранах, воротах і конвеєрах: кінцевик там часто заходить не на котушку, а на дискретний вхід частотного перетворювача — як обмеження ходу вперед або назад, або як зовнішня помилка, що знімає привод. Тоді категорія AC-15 ні до чого: вхід ПЧ — це низьковольтне коло керування, і двопровідний AC-датчик у нього не ставлять. Дивіться в паспорт перетворювача, якого типу входу він чекає, беріть трипровідний датчик під цю логіку, а функцію входу перепризначайте параметром у меню привода, а не переробкою схеми.

Пневмоциліндр і паз: тут вибір трохи інший

Якщо кінцевий вимикач стоїть на пневмоциліндрі, порівнювати треба не з індуктивним, а з магнітним датчиком у паз. І тут є пастка: геркон — теж контактний прилад. Паспорт Sick RZT7-03ZRS-KP0 прямо вказує вихід Reed, частоту 400 Hz, чутливість типово 3 mT, живлення 5…30 В AC/DC, струм до 500 мА — і B10D 10 000 000 комутаційних циклів, із виноскою в тому ж паспорті: «тільки для приладів, що містять електромеханічні компоненти». Тобто цифра зносу в циклах у геркона є, бо є що зношувати. У напівпровідникових MZT7-03VPS-KP0 і MZT8-03VPS-KP0 з виходом PNP такої цифри немає з тієї ж причини, з якої її немає в індуктивних. Вибір між ними у нас простий: геркон — коли треба комутувати AC-коло двома проводами, PNP — коли сигнал іде в контролер. Усі наші позиції цього класу зібрані в датчиках циліндра.

Поширені запитання

Чи можна поставити індуктивний датчик замість кінцевого вимикача в ланцюг безпеки?

Ні, якщо старий вимикач мав примусове розмикання контакту. Додаток K до IEC 60947-5-1 вимагає, щоб розмикання було прямим результатом руху привода через нежорсткі ланки і не залежало від пружин, а в індуктивного датчика комутує напівпровідник і механічного контакту немає взагалі. Це зміна функції безпеки, а не заміна деталі: рішення приймає той, хто відповідає за оцінку ризиків вузла. Суміжна тема — світлові завіси безпеки, OSSD і безпечна відстань.

Чи витримає індуктивний датчик котушку контактора?

Залежно від струму утримання котушки. IEC 60947-5-2 відносить безконтактні вимикачі до категорії AC-140 із межею струму утримання 0,2 А, а двопровідний NBB20-U1-UU має паспортний Ie 500 мА. Механічний вимикач у категорії AC-15 комутує 3 А при 240 В, тобто у шість разів більше. Якщо котушка тримає понад 0,2 А, між датчиком і нею потрібне проміжне реле.

Чому після заміни вимикача на датчик реле перестало відпускати?

Майже завжди це струм у закритому стані (Ir) двопровідного датчика. У NBB20-U1-UU він паспортно становить до 1,5 мА у закритому стані, і чутливе реле на цьому струмі може втримуватись. Сухий контакт такої проблеми не мав у принципі. Лікується переходом на трипровідний вихід або шунтувальним резистором, підібраним під конкретне реле.

Скільки реально живе кінцевий вимикач проти датчика?

Паспортна цифра механічної довговічності — це нижній дециль партії: цифру досягають або перевищують щонайменше 90 % приладів, решта 10 % можуть відмовити раніше, причому міряється вона без навантаження (пункт C.2.1 IEC 60947-5-1). У Omron D4N це 15 млн спрацювань, але під робочим навантаженням 3 А / 250 VAC паспорт дає вже 500 тис., тобто в тридцять разів менше, і дійсні ці цифри при 5…35 °C і 40…70 % вологості. При паспортних 30 спрацюваннях на хвилину 15 млн циклів вибираються приблизно за 8 300 годин. У датчика контактів немає, тому цифри зносу в циклах у паспорті немає теж; замість неї вказують MTTFd — 540 років у NBB20-U1-UU при Mission Time 20 років, 1735 років у IME12-04BPSZC0K. MTTFd — статистика відмов, а не обіцяний строк служби.

Що робити, якщо об'єкт не металевий або зазор більший за 20 мм?

Індуктивний датчик тут не підійде в принципі: він реагує тільки на метал, а гарантована зона обмежена 81 % від номінальної відстані за пунктом 7.2.1.3.3, і це ще до множення на коефіцієнт матеріалу. На неметалі працює оптика, а на великих зазорах — оптичні бар'єри. Порівняння принципів між собою ми звели в статті про типи датчиків наближення.

Що робити далі

Якщо після цих правил заміна виглядає робочою, надішліть нам п'ять речей: напругу і струм навантаження на старому вимикачі, фактичний зазор від датчика до об'єкта, матеріал об'єкта, тип входу контролера і фото монтажу. Ми звіримо з паспортами, порахуємо зону під ваш метал і запропонуємо позицію з каталогу. Якщо під вашу задачу не підходить нічого або заміна чіпає функцію безпеки, ми скажемо це прямо. Надсилати ці п'ять пунктів — на сторінку контактів: пошта й телефони там.

Кінцевих вимикачів ми не продаємо і не беремось їх підбирати. Що в нас є: індуктивні датчики — понад 60 позицій, датчики наближення разом із магнітними для циліндрів, і повний каталог — усі промислові датчики. Якщо посадка старого кінцевика вже відома, заходьте з різьби: M8, M12, M18 і M30 — чотири типові корпуси, і всі вони є в розділі індуктивних датчиків. За брендами: Sick, Pepperl+Fuchs, Omron, IFM. Поточний статус конкретного партномера перевіряє менеджер за заявкою — напишіть або подзвоніть.

Суміжні матеріали кластера: принцип роботи й підбір індуктивного датчика, чим замінити індуктивний датчик, підключення датчика до ПЛК і різниця NPN та PNP, перевірка датчика мультиметром.

Джерела. Паспорт Telemecanique/Schneider XCKN2121P20 (документ XCKN2121P20_EN, 30.07.2024); паспорт Omron D4N (документ C68I-E-02); IEC 60947-5-1, Додаток C (довговічність, пункти C.1.1–C.3.1) і Додаток K (примусове розмикання, пункти K.2.1, K.2.2, K.4.3.1.2, K.4.4, K.5.2.7, K.5.4.1); IEC 60947-5-2 (таблиці 2, 4 і 5, пункти 2.1.1, 2.1.1.1, 7.2.1.3.3, 8.3.2.1.1, 8.3.4.1, 8.5); паспорти Pepperl+Fuchs NBB20-U1-UU, NBB2-8GM30-E2, NBB4-12GM50-E2-V1 і Sick IME12-04BPSZC0K, RZT7-03ZRS-KP0.