Digitale Sensoren in Industriemaschinen: Funktion, Typen & Best Practices

Industriemaschinen und Verarbeitungsanlagen laufen nicht ohne funktionierende Sensoren. Ein defekter Sensor bringt die Produktion zum Stillstand, indem er kein Signal an eine Steuerung sendet oder eine Bewegung oder Operation nicht ermöglicht. Noch schlimmer ist ein Sensor, der falsche Signale oder Signale zum falschen Zeitpunkt sendet. Solche „Fehlzündungen“ führen zu Unfällen und kostspieligen Kollisionen.

Sensoren werden als analog oder digital klassifiziert. Dieser Beitrag beleuchtet die Nutzung digitaler Sensoren, die verfügbaren Typen und bietet Orientierung bei der Auswahl des richtigen digitalen Sensors für spezifische Anwendungen.

Wie und wo Sensoren eingesetzt werden

Digitale Sensoren kommunizieren Anwesenheit, Abwesenheit, Füllstand und Position von Bewegung an ein System, das darauf reagiert. Beispiele: Erkennen eines Behälters auf einem Förderband, Messen von Flüssigkeitsständen, Erkennen, wenn ein Mechanismus eine bestimmte Position erreicht hat.

Der Ausgang eines digitalen Sensors geht typischerweise in das E/A-Modul einer SPS. In manchen Fällen speist er in einen PC über E/A-Hardware ein, oder in weniger komplexen Implementierungen verbindet er direkt mit einem Relais.

Eine Anwendung kann so simpel sein wie das Einschalten einer Lampe, um einen Bediener zu signalisieren, dass ein Teil in Position ist. Ein komplexeres Beispiel: Teilesensoren in einem Robotergriff, die dem Controller signalisieren, dass ein Teil gegriffen wurde.

Elektrische Grundlagen

Die meisten Industriesensoren nutzen 24 V DC (einige Branchen bevorzugen 120 V AC). Dies umfasst zwei der drei Drähte am Sensorgehäuse. Der dritte ist die Signalleitung. Sensoren werden als PNP oder NPN und als sourcing oder sinking beschrieben. Ob Sie bestehende Sensoren ersetzen, Sensoren zu einem System hinzufügen oder von Grund auf neu beginnen – die Wahl des richtigen Typs ist entscheidend.

1. PNP- und NPN-Sensoren

PNP und NPN beziehen sich darauf, wie die Transistoren im Sensor das Signal ein- und ausschalten. Bei einem PNP-Sensor geht das Signal auf High (+24 V) beim Einschalten, bei einem NPN-Sensor auf Low. Der richtige Typ ist wichtig, da er zum Eingangsmodul passen muss.

Beim Austausch von Sensoren beachten Sie: Europäische und nordamerikanische Maschinenhersteller bevorzugen generell PNP-Sensoren, während asiatische Geräte oft NPN nutzen.

2. Sourcing und Sinking

Diese Begriffe beziehen sich ebenfalls auf die Transistoren im Sensor. Bei einem PNP-Sensor wird das Signal auf +24 V angehoben, um logisch „wahr“ anzuzeigen, und fließt in das SPS-DI-Modul. Der Sensor ist also die Quelle (Source), das DI-Modul der Senke (Sink).

Bei einem NPN-Sensor wird dieser zur Senke und die SPS zur Quelle. Somit ist 0 V vom Sensor das logisch „wahre“ Signal.

3. Schaltlogik

Sensoren können als Normally Open (NO) oder Normally Closed (NC) konfiguriert sein. Beispiel: Ein Fotosensor auf einem Förderband gibt ein Low-Signal, wenn kein Teil vorhanden ist, und schaltet auf High, wenn der Strahl unterbrochen wird – oder umgekehrt.

Zudem können Sensoren in Reihe oder parallel verschaltet werden. Dies ermöglicht die Erstellung von UND- und ODER-Funktionen, was die Anzahl der zur SPS führenden Drähte und den SPS-Programmieraufwand reduziert.

Digitale Sensortypen

• Photoelektrisch – nutzen eine Fotozelle zur Erkennung eines Lichtstrahls. Die Lichtquelle kann etwas entfernt sein, was diesen Typ für Förderbandanwendungen geeignet macht.
• Induktiv – beinhalten eine Spule, die ein schwankendes elektromagnetisches Feld aussendet. Metall, das das Feld durchquert, erzeugt eine Störung, die einen Ausgang auslöst. Induktive Sensoren eignen sich für sehr kurze Reichweiten.
• Kapazitiv – nutzen das gleiche Prinzip wie ein elektrischer Kondensator und detektieren die Anwesenheit beliebigen nahen Materials. Erhältlich für leitende und nicht-leitende Materialien.

Bild: Sensorprinzipien – photoelektrisch, induktiv, kapazitiv

Auswahlkriterien für digitale Sensoren

Die Hauptpunkte sind:

• Zielposition und -distanz – bestimmt, ob der Sensor Kontakt- oder Berührungslos-Typ sein sollte
• Zielart – metallisch oder nicht-metallisch, fest oder flüssig, transparent oder opak, reflektierend oder nicht-reflektierend
• Verfügbarer Platz – viele, aber nicht alle Sensoren gibt es im 12-mm-Gehäusedurchmesser. Andere benötigen mehr Raum.
• Arbeitsumgebung – Washdown? Explosionsschutz? Hohe Staub- oder Feuchtigkeitsbelastung?
• Anschlüsse – PNP oder NPN? 24 V DC oder 120 V AC? NO oder NC?
• Empfindlichkeit, Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit – definieren die geforderte Sensorleistung.

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Der beste Sensor liefert wiederholbare, genaue und zuverlässige Funktion der Maschine oder des Geräts, an dem er installiert ist. Eine schlechte Wahl kann zu inkonsistentem Betrieb führen, der variable Qualität, häufige Stopps und sogar gefährliche Arbeitsbedingungen verursacht.

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John Henry Foster hat kürzlich Sensors Incorporated und Sensors Integration übernommen. Sensors ist nationaler führender Anbieter in der Integration von Industriesensoren, Sicherheit und Machine Vision mit technischem Service und Support für OEMs, Systemintegratoren und Endanwender. Obwohl beide Unternehmen unabhängig voneinander weiterarbeiten, verfügen beide über starke intellektuelle Ressourcen und teilen Wissen miteinander.

Bilder mit freundlicher Genehmigung von Banner Engineering und Sensors Incorporated