Anschluss eines 3-Draht-Sensors
Wer einen 3-Draht-Sensor anschließen möchte, muss neben der Versorgungsspannung vor allem die Ausgangsart beachten. Obwohl die üblichen Aderfarben bei vielen industriellen Sensoren gleich sind, unterscheidet sich die Verdrahtung des angeschlossenen SPS-Eingangs bei PNP- und NPN-Sensoren.
Ein falscher Anschluss kann dazu führen, dass der Sensor nicht schaltet, der SPS-Eingang ständig aktiv bleibt oder der Schaltausgang beschädigt wird. Vor der Verdrahtung müssen deshalb immer das Sensordatenblatt und die technischen Angaben des SPS-Eingangs geprüft werden.
Was ist ein 3-Draht-Sensor?
Ein 3-Draht-Sensor besitzt drei elektrische Verbindungen:
- eine Leitung für die positive Versorgungsspannung,
- eine Leitung für den Minuspol beziehungsweise 0 V,
- eine Leitung für das Ausgangssignal.
Der Sensor wird über zwei Leitungen dauerhaft mit Gleichspannung versorgt. Die dritte Leitung überträgt das Schaltsignal an eine SPS, ein Steuergerät oder einen anderen geeigneten Eingang.
Zu den häufig eingesetzten 3-Draht-Sensoren gehören:
- induktive Initiatoren,
- kapazitive Näherungssensoren,
- optische Sensoren,
- Magnetsensoren,
- Drucksensoren mit Schaltausgang,
- elektronische Endschalter.
Übliche Aderfarben eines 3-Draht-Sensors
Bei vielen industriellen Gleichspannungssensoren werden folgende Aderfarben verwendet:
| Aderfarbe | Abkürzung | Übliche Funktion |
|---|---|---|
| Braun | BN | L+ beziehungsweise positive Versorgung |
| Blau | BU | L− beziehungsweise 0 V |
| Schwarz | BK | Schaltausgang Q |
Die Zuordnung entspricht einer häufig verwendeten industriellen Konvention. Sie darf trotzdem nicht ungeprüft auf jeden Sensor übertragen werden. Sonderausführungen, ältere Sensoren, Sensoren mit mehreren Ausgängen oder abweichende Steckverbinder können anders belegt sein.
Maßgeblich ist immer der auf dem Sensor oder im Datenblatt angegebene Anschlussplan.
Typische Versorgung mit 24 V DC
In Maschinen und automatisierten Anlagen werden 3-Draht-Sensoren häufig mit 24 V Gleichspannung betrieben. Viele industrielle Sensoren besitzen beispielsweise einen zulässigen Spannungsbereich von 10 bis 30 V DC.
Die genaue Betriebsspannung darf jedoch nicht pauschal angenommen werden. Vor dem Anschluss müssen mindestens folgende Angaben geprüft werden:
- zulässiger Spannungsbereich,
- PNP- oder NPN-Ausgang,
- Schließer oder Öffner,
- maximaler Ausgangsstrom,
- Spannungsabfall am Ausgang,
- Kurzschluss- und Verpolungsschutz,
- Anschlussbelegung,
- Eingangsart der SPS.
Der Sensor darf nicht direkt an 230 V Wechselspannung angeschlossen werden, wenn er ausschließlich für eine Kleinspannung wie 10 bis 30 V DC ausgelegt ist.
Anschluss eines PNP-Sensors
Ein PNP-Sensor wird häufig als plusschaltender Sensor bezeichnet. Wird der Sensor betätigt, stellt sein Ausgang eine positive Spannung bereit.
Die typische Belegung lautet:
- Braun an +24 V DC,
- Blau an 0 V DC,
- Schwarz an den SPS-Digitaleingang.
Der gemeinsame Anschluss des SPS-Eingangs – häufig als COM bezeichnet – muss bei dieser Schaltungsart mit 0 V verbunden sein.
Bei aktivem Sensor fließt der Strom vereinfacht betrachtet von der positiven Versorgung über den Sensorausgang und den SPS-Eingang nach 0 V.
Merksatz für PNP
Der PNP-Sensor liefert Plus an den Eingang.
PNP-Ausgänge werden deshalb auch als „sourcing outputs“ bezeichnet. Der angeschlossene Eingang nimmt den vom Sensor bereitgestellten Strom auf.
Anschluss eines NPN-Sensors
Ein NPN-Sensor arbeitet als minusschaltender Sensor. Bei Betätigung verbindet seine Ausgangsstufe den Schaltausgang mit 0 V.
Die Versorgung des Sensors bleibt gleich:
- Braun an +24 V DC,
- Blau an 0 V DC,
- Schwarz an den SPS-Digitaleingang.
Der Unterschied liegt auf der Seite des SPS-Eingangs. Ein für NPN-Sensoren geeigneter Eingang benötigt seine gemeinsame Versorgung normalerweise an +24 V. Der Sensor zieht den Eingang bei Betätigung über die schwarze Ausgangsleitung nach 0 V.
Merksatz für NPN
Der NPN-Sensor schaltet den Eingang nach Minus beziehungsweise 0 V.
PNP und NPN im Vergleich
| Merkmal | PNP-Sensor | NPN-Sensor |
|---|---|---|
| Bezeichnung | plusschaltend | minusschaltend |
| Aktiver Ausgang | führt positive Spannung | wird gegen 0 V geschaltet |
| SPS-Eingang | COM üblicherweise an 0 V | COM üblicherweise an +24 V |
| Englische Bezeichnung | sourcing | sinking |
| Schwarze Ader | Schaltausgang Q | Schaltausgang Q |
Ein PNP-Sensor darf nur an einen Eingang angeschlossen werden, der mit einem plusschaltenden Signal arbeiten kann. Entsprechend benötigt ein NPN-Sensor einen geeigneten minusschaltenden Eingang.
Manche modernen SPS-Eingangsmodule können für beide Signalarten konfiguriert werden. Andere unterstützen ausschließlich PNP oder NPN.
Schließer und Öffner
Neben PNP und NPN muss die Ausgangsfunktion berücksichtigt werden.
Schließer – NO
NO steht für „normally open“. Ohne erkanntes Objekt ist der Ausgang normalerweise nicht aktiv. Erkennt der Sensor das Zielobjekt, wird der Ausgang eingeschaltet.
Öffner – NC
NC steht für „normally closed“. Ohne erkanntes Objekt ist der Ausgang aktiv. Erkennt der Sensor das Zielobjekt, wird der Ausgang ausgeschaltet.
PNP oder NPN beschreibt somit die elektrische Richtung des Ausgangssignals. NO oder NC beschreibt, wann der Ausgang aktiv ist. Diese Eigenschaften dürfen nicht miteinander verwechselt werden.
Anschluss über einen M12-Stecker
Bei vielen Sensoren mit einem vierpoligen M12-Anschluss wird häufig folgende Belegung verwendet:
- Pin 1: positive Versorgung,
- Pin 3: 0 V,
- Pin 4: Schaltausgang.
Diese Zuordnung ist bei zahlreichen Sensoren üblich, gilt aber nicht automatisch für jede Ausführung. Zusätzliche Ausgänge, IO-Link, Öffnerfunktionen oder herstellerspezifische Varianten können eine andere Belegung besitzen.
Darf eine Last direkt angeschlossen werden?
Der schwarze Schaltausgang kann abhängig vom Sensor einen SPS-Eingang oder eine kleine geeignete Last ansteuern. Der maximal zulässige Ausgangsstrom darf dabei nicht überschritten werden.
Eine Magnetspule, ein großes Relais, eine Signalleuchte oder ein Ventil kann mehr Strom benötigen, als der Sensor schalten darf. Bei induktiven Lasten können außerdem gefährliche Abschaltspitzen entstehen.
Deshalb müssen geprüft werden:
- Stromaufnahme der Last,
- maximaler Schaltstrom des Sensors,
- Einschaltstrom,
- erforderliche Schutzbeschaltung,
- Reststrom des Ausgangs,
- zulässiger Spannungsabfall.
Im Zweifelsfall wird ein geeignetes Koppelrelais oder ein dafür vorgesehenes Ausgangsmodul eingesetzt.
Vorgehensweise beim Anschließen
- Anlage spannungsfrei schalten.
- Sensortyp und Artikelnummer kontrollieren.
- Datenblatt und Anschlussbild öffnen.
- Betriebsspannung prüfen.
- PNP- oder NPN-Ausführung feststellen.
- Schließer- oder Öffnerfunktion kontrollieren.
- Braun mit der positiven Versorgung verbinden.
- Blau mit 0 V verbinden.
- Schwarz mit dem geeigneten Eingang verbinden.
- COM-Anschluss des Eingangs richtig zuordnen.
- Leitungen auf Kurzschluss und Vertauschung prüfen.
- Spannung einschalten und Sensorfunktion testen.
- Eingangsanzeige an der SPS kontrollieren.
Häufige Anschlussfehler
Braun und Blau vertauscht
Ohne Verpolungsschutz kann eine falsche Polarität den Sensor beschädigen. Sensoren mit Verpolungsschutz bleiben häufig lediglich ohne Funktion. Darauf darf man sich jedoch nicht verlassen.
PNP-Sensor an falschem SPS-Eingang
Ist der Eingang für NPN-Signale ausgelegt, kann ein PNP-Sensor möglicherweise kein auswertbares Signal erzeugen.
Schwarze Ader direkt kurzgeschlossen
Wird der Ausgang unmittelbar mit der falschen Versorgungsschiene verbunden, entsteht beim Schalten ein Kurzschluss. Ein kurzschlussfester Sensor kann sich vorübergehend abschalten. Ohne ausreichenden Schutz kann der Ausgang beschädigt werden.
Ausgangsstrom überschritten
Ein Sensor ist kein Leistungsschalter. Die angeschlossene Last muss innerhalb des zulässigen Ausgangsstroms liegen.
Falsche Annahme anhand der Aderfarben
Die üblichen Farben erleichtern die Verdrahtung, ersetzen aber nicht das Datenblatt. Reparierte Kabel, Fremdleitungen oder Sonderausführungen können abweichend belegt sein.
Prüfung mit einem Multimeter
Vor dem Anschluss an die SPS kann die Versorgungsspannung kontrolliert werden. Die Messung erfolgt zwischen der vorgesehenen positiven und der 0-V-Leitung.
Eine Widerstandsmessung an einem eingeschalteten elektronischen Sensor ist nicht zulässig. Auch der Schaltausgang sollte nur entsprechend den Herstellerangaben und mit geeigneter Last geprüft werden.
Ein Spannungsmesswert am unbelasteten Ausgang kann wegen interner Elektronik, Reststrom oder Diagnosefunktionen irreführend sein. Die zuverlässigste Prüfung erfolgt mit einem passenden SPS-Eingang oder einem geeigneten Sensortester.
Fazit
Beim Anschluss eines 3-Draht-Sensors übernehmen zwei Leitungen die Spannungsversorgung und eine Leitung das Schaltsignal. Braun wird bei den üblichen industriellen DC-Sensoren mit L+, Blau mit 0 V und Schwarz mit dem Ausgang verbunden.
Der entscheidende Unterschied liegt zwischen PNP und NPN: Ein PNP-Sensor liefert am Ausgang eine positive Spannung, während ein NPN-Sensor den Ausgang nach 0 V schaltet. Erst wenn Sensorausgang und SPS-Eingang elektrisch zusammenpassen, kann das Signal zuverlässig ausgewertet werden.