Концевой выключатель или индуктивный датчик: что ставить

Концевой выключатель или индуктивный датчик: короткий ответ

Коротко. Менять механический концевой выключатель на индуктивный датчик стоит тогда, когда отказывает именно механика: узел работает чаще, чем допускает паспорт вашего выключателя (у Omron D4N это 30 срабатываний/мин, у XCKN2121P20 долговечность нормирована при менее 60 цикл/мин), рычаг гнётся, ролик забивается стружкой, или выключатель стоит там, куда лезть с ключом никто не хочет. Оставлять механику нужно в трёх случаях: когда контакт имеет принудительное размыкание по Приложению K стандарта IEC 60947-5-1, когда на выключателе напрямую висит катушка контактора в категории AC-15, и когда выключатели соединены в последовательную цепь. Мы продаём индуктивные датчики, а концевых выключателей в нашем каталоге нет. Поэтому ниже не реклама замены, а правила, по которым мы сами решаем, когда она имеет смысл, а когда мы от неё отказываемся.

Все цифры в статье взяты из паспортов производителей и из текста двух стандартов. Механические выключатели XCKN2121P20 и Omron D4N фигурируют здесь как примеры из документации, чтобы было с чем сравнивать; мы ими не торгуем. Omron у нас есть как бренд в разделе датчиков, но именно D4N — это пример из паспорта, а не наша позиция. Индуктивные датчики, на которые стоят ссылки, в каталоге есть.

Это не два разных мира, а тот же путевой выключатель

Оба прибора стандарт описывает как одну и ту же функцию. IEC 60947-5-2 в пункте 2.1.1 определяет бесконтактный выключатель дословно так: «путевой выключатель, который срабатывает без механического контакта с движущейся частью». То есть бесконтактный датчик — это не альтернатива концевому выключателю, это концевой выключатель без механического касания. Механические приборы живут в соседней части того же стандарта: IEC 60947-5-1 так и называется — «электромеханические приборы цепей управления».

Разница между ними одна, и всё остальное из неё вытекает. У механического выключателя коммутирует металлический контакт. У индуктивного датчика, по пункту 2.1.1.1 того же 60947-5-2, коммутирует полупроводниковый элемент, а поле создаёт генератор. Из этого одного отличия и рождаются все практические следствия:

• металл изнашивается и имеет паспортный ресурс в циклах, полупроводник не имеет ни контактов, ни ресурса в циклах;
• металлический контакт держит ток катушки, полупроводниковый выход двухпроводного датчика — максимум 500 мА;
• металлический контакт в разомкнутом состоянии не пропускает ничего, полупроводниковый пропускает ток в закрытом состоянии (Ir);
• металлический контакт можно принудительно развести механикой, полупроводниковый — нет, и это не вопрос качества датчика, это вопрос физики.

Первый разделитель: что именно висит на выходе

Начинайте не с датчика, а с нагрузки. Если на концевом выключателе сидит катушка контактора или пускателя напрямую, индуктивный датчик в эту точку не встаёт без промежуточного реле. Причина в категориях применения, и они прописаны в обоих стандартах чёрным по белому.

IEC 60947-5-1 в таблице 1 (пункт 4.4) даёт механическим приборам категорию AC-15 — управление электромагнитными нагрузками свыше 72 ВА, и AC-14 для нагрузок до 72 ВА. IEC 60947-5-2 в таблице 2 для электромагнитных нагрузок даёт категорию AC-140 — управление малыми электромагнитными нагрузками с током удержания не более 0,2 А, например промежуточными реле (наряду с AC-12, DC-12 и DC-13 в той же таблице). Разница не в маркетинге, а в границе 0,2 А тока удержания.

Посмотрите на паспортные цифры. Механический XCKN2121P20 имеет контактный код A300 и в категории AC-15 коммутирует Ie = 3 А при Ue = 240 В, условный тепловой ток 10 А. Omron D4N в AC-15 даёт те же 3 А при 240 В, а в таблице A300 прямо пишет: при 240 VAC он делает make 30 А и break 3 А. Двухпроводной индуктивный NBB20-U1-UU работает от 24…230 В AC, и это ближайший к концевому выключателю класс датчиков, который у нас есть, но его паспортный Ie составляет 500 мА при 50/60 Hz, а рабочий ток лежит в вилке 5…500 мА.

Рабочее правило из этих цифр: измерьте ток удержания катушки, которую коммутирует ваш выключатель. Меньше 0,2 А — двухпроводной датчик встаёт напрямую. Больше — ставьте промежуточное реле между датчиком и катушкой и закладывайте для него место в шкафу ещё на этапе решения. Стандарт, кстати, уже предполагает, что катушка даёт броск: для AC-140 испытание в таблице 4 проводят при токе включения в шесть раз большем Ie и cos φ 0,3.

Второй разделитель: три цифры двухпроводника, которых у сухого контакта не бывает

Если вы меняете сухой контакт на двухпроводной датчик в готовой схеме, эти три строки паспорта срывают замену чаще, чем неверный зазор. Берём тот же NBB20-U1-UU:

• Ток в закрытом состоянии Ir ≤ 1,5 мА. Разомкнутый сухой контакт не пропускает ничего. Двухпроводной датчик пропускает до 1,5 мА всегда. Чувствительное реле или старый вход контроллера на этом токе может не отпустить — и вы получите канал, который «залип» без видимой причины.
• Наименьший рабочий ток Im = 5 мА. Нагрузка должна потреблять хотя бы 5 мА, иначе датчик не выйдет в рабочий режим. Высокоимпедансный вход контроллера этого не даст.
• Падение напряжения Ud ≤ 5 В в DC и ≤ 8 В в AC (типовые 2 и 3 В). В цепи на 24 В восемь вольт — это треть питания, и достанется она датчику, а не нагрузке.

Четвёртая цифра там же: готовность после подачи питания tv ≤ 300 мс. Сухой контакт показывает состояние сразу, датчик в течение первых трёх десятых секунды не показывает ничего определённого. Если на этом сигнале построена блокировочная логика при пуске, 300 мс надо заложить в программу.

И самое главное, что мы видим в заявках регулярно. Паспорт NBB20-U1-UU содержит прямой запрет: «датчик предназначен для индивидуальной работы, последовательное или параллельное соединение датчиков не допускается». А концевые выключатели именно так и ставят — в последовательную цепь двух концов хода, в гирлянду концевиков по трассе. Если ваша схема так собрана, двухпроводные датчики в неё не подставляются, здесь нужны трёхпроводные выходы и логика в контроллере.

Трёхпроводной DC-вариант части этих проблем не имеет: у Sick IME12-04BPSZC0K падение напряжения Ud ≤ 2 В при питании 10…30 В DC, питание и выход разведены. Но тогда вместо двух проводов вы тянете три, и надо выбрать PNP или NPN под вход контроллера — мы разобрали это отдельно в статье о подключении датчика к ПЛК.

Когда менять: механика изнашивается быстрее, чем обещает каталог

Паспортная долговечность концевого выключателя означает не то, что читается на первый взгляд. IEC 60947-5-1 в пункте C.2.1 определяет механическую долговечность как число срабатываний без нагрузки, которое достигнут или превысят 90 % испытанных приборов без ремонта и замены деталей. То есть это не гарантия для вашего выключателя, а нижний дециль партии: цифру достигают или превышают не менее 90 % приборов, остальные 10 % могут отказать раньше — и всё это на холостом ходу. Электрическая долговечность (пункт C.3.1) измеряется под нагрузкой и по тому же критерию. И оба теста, по пункту C.1.1, производитель проводит на своё усмотрение: если цифру заявил — она должна соответствовать тестам, но заявлять её он не обязан. Преференциальный ряд там же: 0,01, 0,03, 0,1, 0,3, 1, 3, 10, 30 или 100 миллионов циклов.

Теперь как это выглядит на реальном паспорте. Omron D4N заявляет механическую долговечность 15 000 000 срабатываний минимум, а для исполнений fork lever lock — 10 000 000. Электрическая в том же паспорте: 500 000 срабатываний при резистивной нагрузке 3 А / 250 VAC и 300 000 при 10 А / 250 VAC. Поставьте эти цифры рядом: под рабочей нагрузкой ресурс падает в тридцать раз против холостого. XCKN2121P20 заявляет 10 000 000 механических циклов и 5 000 000 электрических, но электрические — при DC-13, 120 В и мощности нагрузки 4 Вт. Четыре ватта. На катушку это не экстраполируется.

Две мелких строки в паспорте D4N, которые решают больше, чем цифра ресурса:

• все цифры долговечности действительны при 5…35 °C и 40…70 % относительной влажности (note 4). Не в цеху с пылью, не на морозе, не в мойке. Note 5 добавляет: выше 35 °C не пропускать 3 А / 250 VAC более чем через два контура.
• контакт, которым уже коммутировали стандартную нагрузку, нельзя потом использовать для меньшей (note 2): поверхность контакта грубеет и надёжность контактирования теряется. То есть перевести старый силовой концевик на сигнальный вход контроллера — плохая идея, даже если механически он ещё жив.

Дальше частота. D4N даёт максимум 30 срабатываний в минуту и скорость актуации от 1 мм/с до 0,5 м/с. Посчитаем: 15 000 000 срабатываний при 30 в минуту — это 500 000 минут, то есть около 8 300 часов, меньше года непрерывной работы на паспортной частоте. Для конвейера, тактующего каждую секунду, механический концевик — расходник.

Индуктивные датчики здесь играют в другой лиге. NBB2-8GM30-E2 в M8 заявляет частоту 0…6000 Hz, NBB4-12GM50-E2-V1 — 0…2550 Hz, IME12-04BPSZC0K — 2000 Hz. Против 30 срабатываний в минуту, то есть 0,5 Hz, это разница от четырёх до двенадцати тысяч раз. Двухпроводной NBB20-U1-UU скромнее из-за схемы: 0…100 Hz в DC и лишь 0…30 Hz в AC — но это всё равно в шестьдесят раз больше механики.

Честная оговорка к этим герцам: 60947-5-2 измеряет частоту в пункте 8.5 на мишени, проходящей на половине номинального расстояния, по формуле f = 1/(t1+t2), и номинальным для DC считает значение, при котором t1 или t2 равно 50 мкс. Это лабораторный максимум, а не обещание работы на таком темпе в вашем узле. Но даже с поправкой на это запас остаётся многократным.

Когда НЕ менять: четыре случая, где мы отказываем

Здесь мы говорим «нет» чаще, чем «да», и вот на каких основаниях.

Принудительное размыкание контакта

Если старый выключатель имеет принудительное размыкание, индуктивный датчик его не заменяет — ни дороже, ни с двумя выходами, никакой. Приложение K к IEC 60947-5-1 определяет это так: размыкающие контакты связаны с приводом через нежёсткие звенья, и расхождение контактов достигается как прямой результат движения привода, «например не зависит от пружин» (пункты K.2.1 и K.2.2). Стандарт добавляет требования: категория должна быть AC-15 или DC-13 (K.4.4), минимальная Ui — 250 В, минимальный тепловой ток — 2,5 А, каждый такой контакт маркируется символом на корпусе, а производитель обязан опубликовать минимальный ход и усилие принудительного размыкания и, отдельно для концевых выключателей, максимальную скорость и частоту срабатывания (K.5.4.1).

На паспортах это видно сразу. XCKN2121P20 пишет «Positive opening: With», минимальное усилие принудительного размыкания 10 N, минимальное усилие срабатывания 6 N. Omron D4N имеет сертификат TÜV по EN 60947-5-1 именно на approved direct opening, file B03 11 39656 061. У индуктивного датчика коммутирует полупроводник (пункт 2.1.1.1), механического контакта, который можно принудительно развести, там физически нет, поэтому и сертифицировать нечего. Поставить датчик в блокировку ограждения или в цепь аварийного конца хода — это не замена детали, это изменение функции безопасности, и делает её тот, кто подписывает оценку рисков. Мы такую замену не продаём.

Последовательная цепь

Два концевика на два конца хода, соединённые последовательно, — классика, которая с двухпроводными датчиками не работает из-за прямого запрета в паспорте. Выходы надо разводить отдельными каналами в контроллер.

Нагрузка свыше категории

Катушка с током удержания свыше 0,2 А, нагреватель, сигнальная лампа на 230 В с большим броском — всё это вне AC-140. Технически решается промежуточным реле, но тогда в шкафу появляется ещё один элемент, у которого тоже есть контакты и который тоже изнашивается. Иногда дешевле оставить механический выключатель.

Объект не металлический или зазор велик

Индуктивный датчик видит металл, и только металл. Деревянный поддон, пластиковая каретка, стекло — не его задача, здесь нужна оптика. И зазор: механический выключатель срабатывает от физического касания, то есть от нуля, а у индуктивного есть гарантированная зона Sa, которую стандарт в пункте 7.2.1.3.3 ограничивает 81 % от Sn, причём под ваш металл её ещё умножают на коррекционный коэффициент. Полная процедура расчёта и таблицы каталога по размерам — в отдельной статье о подборе эквивалента индуктивного датчика; здесь важно запомнить одно: считать надо по Sa, а не по каталожной Sn.

Таблица: что с чем сравнивать

Сама замена: что сделать руками

Порядок действий, в котором мы это проходим с заказчиком. Первые два шага делают девяносто процентов результата.

1. Измерьте, что коммутирует старый выключатель. Напряжение, род тока, ток удержания нагрузки. Это определяет класс датчика: двухпроводной AC/DC, трёхпроводной DC или «датчик плюс промежуточное реле».
2. Посмотрите на объект, а не на выключатель. Ролик старого концевика давит на кулачок или на упор, и этот упор почти никогда не является стандартной мишенью. Стандарт в пункте 8.3.2.1.1 описывает мишень так: квадрат из углеродистой стали Fe 360 по ISO 630, толщина 1 мм, прокатная поверхность, сторона квадрата равна диаметру окружности, вписанной в активную поверхность торца датчика, или трём Sn — что больше. Если объект меньше или тоньше, зона падает. Часто правильное решение — прикрутить или приварить на каретку стальную пластину нужного размера.
3. Посчитайте зазор по Sa под ваш металл, а не по каталожной Sn, и добавьте запас на люфт кронштейна. Процедура с формулой и коэффициентами — в статье о подборе эквивалента.
4. Снимите напряжение и убедитесь, что его нет. На кранах, воротах и конвейерах концевик часто сидит в цепи 230/240 В. Прежде чем откручивать клеммы, снимайте питание вводным аппаратом, блокируйте его от случайного включения и проверяйте отсутствие напряжения на клеммах выключателя индикатором или тестером.
5. Кронштейн и подключение. У NBB20-U1-UU клеммный отсек под провод до 2,5 мм² с моментом затяжки 1,2 Nm, то есть существующий кабель от выключателя обычно переходит на датчик без переделки трассировки. Момент затяжки самого корпуса — 1,8 Nm.
6. Защиту от КЗ не забывайте. XCKN2121P20 требует картриджный предохранитель 10 А типа gG, D4N — 10 А gI/gG по IEC269 и прямо предупреждает, что в него он не встроен. NBB20-U1-UU имеет pulsing-защиту от КЗ, а UL-раздел паспорта дополнительно требует внешний предохранитель 3 А по UL 248. Стандарт 60947-5-2 испытывает датчик при ожидаемом токе КЗ 100 А (пункт 8.3.4.1), то есть защита цепи — не формальность.
7. Проверьте перед сдачей. Питание, состояние выхода в обоих положениях и, для двухпроводника, не держит ли реле ток в закрытом состоянии (Ir). Как это измерять тестером пошагово — в инструкции, как проверить датчик приближения мультиметром.

Наша рекомендация, не требование стандарта: если концевик выполнял функцию ограничения хода на кране, воротах или подъёмнике, не снимайте механику полностью. Оставьте её как аварийный конец, а датчик поставьте как рабочий. Два независимых принципа на одном узле отказывают по-разному, и это единственная конфигурация, которую мы советуем без оговорок.

Отдельный случай, который мы видим на кранах, воротах и конвейерах: концевик там часто заходит не на катушку, а на дискретный вход частотного преобразователя — как ограничение хода вперёд или назад, либо как внешняя ошибка, снимающая привод. Тогда категория AC-15 ни при чём: вход ПЧ — это низковольтная цепь управления, и двухпроводной AC-датчик в него не ставят. Смотрите в паспорт преобразователя, какого типа вход он ждёт, берите трёхпроводной датчик под эту логику, а функцию входа переназначайте параметром в меню привода, а не переделкой схемы.

Пневмоцилиндр и паз: здесь выбор чуть другой

Если концевой выключатель стоит на пневмоцилиндре, сравнивать надо не с индуктивным, а с магнитным датчиком в паз. И здесь есть ловушка: геркон — тоже контактный прибор. Паспорт Sick RZT7-03ZRS-KP0 прямо указывает выход Reed, частоту 400 Hz, чувствительность типово 3 mT, питание 5…30 В AC/DC, ток до 500 мА — и B10D 10 000 000 коммутационных циклов, со сноской в том же паспорте: «только для приборов, содержащих электромеханические компоненты». То есть цифра износа в циклах у геркона есть, потому что есть что изнашивать. У полупроводниковых MZT7-03VPS-KP0 и MZT8-03VPS-KP0 с выходом PNP такой цифры нет по той же причине, по которой её нет у индуктивных. Выбор между ними у нас простой: геркон — когда надо коммутировать AC-цепь двумя проводами, PNP — когда сигнал идёт в контроллер. Все наши позиции этого класса собраны в датчиках цилиндра.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли поставить индуктивный датчик вместо концевого выключателя в цепь безопасности?

Нет, если старый выключатель имел принудительное размыкание контакта. Приложение K к IEC 60947-5-1 требует, чтобы размыкание было прямым результатом движения привода через нежёсткие звенья и не зависело от пружин, а у индуктивного датчика коммутирует полупроводник и механического контакта нет вообще. Это изменение функции безопасности, а не замена детали: решение принимает тот, кто отвечает за оценку рисков узла. Смежная тема — световые завесы безопасности, OSSD и безопасное расстояние.

Выдержит ли индуктивный датчик катушку контактора?

Зависит от тока удержания катушки. IEC 60947-5-2 относит бесконтактные выключатели к категории AC-140 с границей тока удержания 0,2 А, а двухпроводной NBB20-U1-UU имеет паспортный Ie 500 мА. Механический выключатель в категории AC-15 коммутирует 3 А при 240 В, то есть в шесть раз больше. Если катушка держит свыше 0,2 А, между датчиком и ней нужно промежуточное реле.

Почему после замены выключателя на датчик реле перестало отпускать?

Почти всегда это ток в закрытом состоянии (Ir) двухпроводного датчика. У NBB20-U1-UU он паспортно составляет до 1,5 мА в закрытом состоянии, и чувствительное реле на этом токе может удерживаться. У сухого контакта такой проблемы не было в принципе. Лечится переходом на трёхпроводной выход или шунтирующим резистором, подобранным под конкретное реле.

Сколько реально живёт концевой выключатель против датчика?

Паспортная цифра механической долговечности — это нижний дециль партии: цифру достигают или превышают не менее 90 % приборов, остальные 10 % могут отказать раньше, причём измеряется она без нагрузки (пункт C.2.1 IEC 60947-5-1). У Omron D4N это 15 млн срабатываний, но под рабочей нагрузкой 3 А / 250 VAC паспорт даёт уже 500 тыс., то есть в тридцать раз меньше, и действительны эти цифры при 5…35 °C и 40…70 % влажности. При паспортных 30 срабатываниях в минуту 15 млн циклов выбираются примерно за 8 300 часов. У датчика контактов нет, поэтому цифры износа в циклах в паспорте тоже нет; вместо неё указывают MTTFd — 540 лет у NBB20-U1-UU при Mission Time 20 лет, 1735 лет у IME12-04BPSZC0K. MTTFd — статистика отказов, а не обещанный срок службы.

Что делать, если объект не металлический или зазор больше 20 мм?

Индуктивный датчик здесь не подойдёт в принципе: он реагирует только на металл, а гарантированная зона ограничена 81 % от номинального расстояния по пункту 7.2.1.3.3, и это ещё до умножения на коэффициент материала. На неметалле работает оптика, а на больших зазорах — оптические барьеры. Сравнение принципов между собой мы свели в статье о типах датчиков приближения.

Что делать дальше

Если после этих правил замена выглядит рабочей, пришлите нам пять вещей: напряжение и ток нагрузки на старом выключателе, фактический зазор от датчика до объекта, материал объекта, тип входа контроллера и фото монтажа. Мы сверим с паспортами, посчитаем зону под ваш металл и предложим позицию из каталога. Если под вашу задачу не подходит ничего или замена затрагивает функцию безопасности, мы скажем это прямо. Присылать эти пять пунктов — на страницу контактов: почта и телефоны там.

Концевых выключателей мы не продаём и не берёмся их подбирать. Что у нас есть: индуктивные датчики — более 60 позиций, датчики приближения вместе с магнитными для цилиндров, и полный каталог — все промышленные датчики. Если посадка старого концевика уже известна, заходите с резьбы: M8, M12, M18 и M30 — четыре типовых корпуса, и все они есть в разделе индуктивных датчиков. По брендам: Sick, Pepperl+Fuchs, Omron, IFM. Текущий статус конкретного партномера проверяет менеджер по заявке — напишите или позвоните.

Смежные материалы кластера: принцип работы и подбор индуктивного датчика, чем заменить индуктивный датчик, подключение датчика к ПЛК и разница NPN и PNP, проверка датчика мультиметром.

Источники. Паспорт Telemecanique/Schneider XCKN2121P20 (документ XCKN2121P20_EN, 30.07.2024); паспорт Omron D4N (документ C68I-E-02); IEC 60947-5-1, Приложение C (долговечность, пункты C.1.1–C.3.1) и Приложение K (принудительное размыкание, пункты 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 (таблицы 2, 4 и 5, пункты 2.1.1, 2.1.1.1, 7.2.1.3.3, 8.3.2.1.1, 8.3.4.1, 8.5); паспорта Pepperl+Fuchs NBB20-U1-UU, NBB2-8GM30-E2, NBB4-12GM50-E2-V1 и Sick IME12-04BPSZC0K, RZT7-03ZRS-KP0.