Naderingsschakelaar

Wat is een naderingsschakelaar?

Een naderingsschakelaar is een sensor die zonder fysiek contact detecteert of een object binnen een bepaalde afstand aanwezig is en dat doorgeeft als een schakelend (aan/uit) signaal aan een besturing zoals een PLC. Afhankelijk van het meetprincipe reageert hij op metaal (inductief), op vrijwel elk materiaal (capacitief), op een magneet, op licht of op geluid. Omdat er geen mechanisch contact is, slijt de schakelaar niet, vonkt hij niet en haalt hij miljoenen schakelcycli. De eisen aan deze apparaten staan in IEC 60947-5-2, de norm voor naderingsschakelaars binnen de laagspanningsreeks IEC 60947. De huidige editie dateert van 2019 en is in Europa overgenomen als EN IEC 60947-5-2:2020.

🧠 Hoe werkt een naderingsschakelaar?

De eerste industriële inductieve naderingsschakelaar werd in 1958 door Pepperl+Fuchs in Mannheim ontwikkeld en op de markt gebracht, op verzoek van het naburige BASF om vonkende mechanische contacten in explosiegevaarlijke ruimten te vervangen. Sindsdien zijn vijf meetprincipes gangbaar:

• Inductief — een oscillator wekt een hoogfrequent elektromagnetisch veld op voor het sensorvlak. Een metalen object veroorzaakt wervelstromen die de oscillator dempen; de elektronica schakelt de uitgang zodra de demping een drempel passeert.
• Capacitief — het sensorvlak vormt één plaat van een condensator. Een object met een hogere diëlektrische constante dan lucht verhoogt de capaciteit. Zo detecteert u ook kunststof, hout, granulaat en vloeistoffen, zelfs door een kunststof of glazen wand.
• Magnetisch — een reedcontact, hallsensor of magnetoresistief element reageert op een permanente magneet, bijvoorbeeld de zuiger van een pneumatische cilinder, door niet-magnetische wanden heen.
• Foto-elektrisch — een zender stuurt (meestal rood of infrarood) licht uit dat via een object (diffuus), een reflector (retroreflecterend) of rechtstreeks een tegenover geplaatste ontvanger bereikt (lichtsluis met aparte zender en ontvanger).
• Ultrasoon — de sensor zendt geluidspulsen uit en meet de looptijd van de echo. Transparante, glanzende en donkere objecten zijn geen probleem, maar vlak voor de sensor ligt een dode zone waarin niets betrouwbaar wordt gezien.

🔄 Welk type naderingsschakelaar kiest u voor welk materiaal?

📏 Wat betekenen Sn, Sr, Su en Sa?

IEC 60947-5-2 definieert vier schakelafstanden, gemeten met een vierkant normdoel van 1 mm dik constructiestaal (Fe 360) met een zijde gelijk aan de diameter van het sensorvlak of drie keer Sn, als dat groter is:

Ontwerp daarom altijd op Sa, niet op Sn. Een praktische vuistregel is het object op ongeveer de helft van Sn te laten passeren.

Voor inductieve sensoren geldt bovendien een reductiefactor voor andere metalen dan staal. Fabrikanten geven verschillende waarden, maar de orde van grootte is: staal 1,0; roestvast staal circa 0,6–1,0 (typisch 0,7); messing 0,35–0,5; aluminium 0,3–0,45 (typisch 0,4); koper 0,25–0,45 (typisch 0,3). Een M18-sensor met Sn = 5 mm ziet aluminium dus pas op ongeveer 2 mm. Zogenoemde factor-1-sensoren zien alle metalen op dezelfde afstand.

🔧 Welke uitvoeringen en aansluitingen zijn er?

• Bundig of niet-bundig — een bundige (afgeschermde) sensor mag vlak in metaal worden gemonteerd en heeft een kleiner bereik. Een niet-bundige sensor heeft rond de kop een metaalvrije zone nodig, maar haalt ongeveer anderhalf tot twee keer de afstand. Typische Sn bundig/niet-bundig: M8 1,5/2,5 mm, M12 2/4 mm, M18 5/8 mm en M30 10/15 mm.
• NO of NC — een maakcontact (normally open) schakelt bij aanwezigheid, een verbreekcontact (normally closed) bij afwezigheid. Let op het gedrag bij draadbreuk: bij NO ziet de besturing dan “geen object”, bij NC juist “object aanwezig”. Kies het contact zo dat een kabelbreuk naar de veilige kant uitvalt.
• PNP of NPN — een PNP-uitgang schakelt +24 V naar de ingang, een NPN-uitgang schakelt naar 0 V. In Europa is PNP standaard.
• 2-, 3- of 4-draads — een 2-draadssensor zit in serie met de last en heeft een lekstroom; een 3-draadssensor heeft bruin (+), blauw (0 V) en zwart (uitgang); een 4-draadssensor voegt een tweede of antivalente uitgang (wit) toe.
• NAMUR — volgens IEC 60947-5-6 een 2-draads stroomsignaal op 8,2 V met twee schakeltoestanden: onder 1,2 mA en boven 2,1 mA. Omdat ook bij een “lage” toestand nog stroom loopt, zijn draadbreuk en kortsluiting detecteerbaar. Veel gebruikt in ATEX-zones met intrinsiek veilige scheiders.
• IO-Link — via de standaard M12-connector en een ongeafgeschermde kabel tot 20 m levert de sensor naast het schakelsignaal, afhankelijk van het type, ook de gemeten afstand, signaalkwaliteit, schakeltellers en temperatuur, en kunt u de schakelpunten op afstand parametreren.
• Behuizing en IP-klasse — cilindrische schroefbehuizingen M8, M12, M18 en M30 zijn de norm, naast rechthoekige vormen. De meeste sensoren zijn IP67; voor spuitreiniging in de voedingsmiddelenindustrie kiest u IP68/IP69K en een roestvaststalen behuizing.

Twee dynamische eigenschappen staan ook in elke datasheet. De schakelfrequentie is het maximale aantal schakelingen per seconde: voor inductieve sensoren honderden hertz tot enkele kilohertz, voor capacitieve en ultrasone sensoren aanzienlijk minder. De hysterese is het verschil tussen in- en uitschakelpunt, volgens de norm maximaal 20 % van Sr en in de praktijk doorgaans minder dan 15 %. Ze voorkomt klapperen bij trillingen of langzaam bewegende objecten.

🏭 Hoe selecteert u een naderingsschakelaar voor een transportband?

Stel: u wilt aluminium dozenbodems van 100 mm breed detecteren op een transportband die met 1 m/s loopt, in een spoelbare omgeving.

1. Bepaal het materiaal — aluminium is metaal, dus inductief is mogelijk. Reken met een reductiefactor van circa 0,4.
2. Bepaal de afstand — de doos passeert op 2 tot 4 mm afstand. Met factor 0,4 en ontwerpen op Sa (0,81 Sn) is een Sn van minstens 4 mm / (0,4 × 0,81) ≈ 12,3 mm nodig. Dat wordt een niet-bundige M30 (Sn 15 mm) of een factor-1-sensor in M18.
3. Controleer de snelheid — bij 1 m/s en 100 mm doos is de sensor 100 ms gedempt; met een even grote opening ertussen komt dat neer op circa 5 schakelingen per seconde, ruim binnen de schakelfrequentie van een inductieve sensor. Controleer wel de PLC-cyclustijd en ingangsfilter.
4. Kies de uitgang — PNP, NO, 3-draads, passend bij de PLC-ingangskaart; of IO-Link als u vervuiling en schakeltellers wilt bewaken.
5. Kies de mechanica — roestvaststalen behuizing, IP69K, M12-connector in plaats van vaste kabel voor snelle vervanging.
6. Test — controleer na montage het in- en uitschakelpunt met het echte product en noteer de afstand in de onderhoudsdocumentatie.

🛠️ Welke storingen komen vaak voor?

Met IO-Link-sensoren ziet u signaalkwaliteit en temperatuur verlopen voordat de sensor uitvalt, een eenvoudige vorm van predictive maintenance. Een sensor gaat bovendien in een netwerk onderdeel uitmaken van de beveiligingsscope: parameters op afstand wijzigen betekent ook dat iemand ze ongewenst kan wijzigen.

🔐 Mag u een naderingsschakelaar gebruiken als veiligheidscomponent?

Een standaard naderingsschakelaar is geen veiligheidscomponent. Hij kan in de “aan”-stand vastlopen, door een metalen voorwerp worden misleid of bij een interne fout een verkeerd signaal geven. Voor deurbewaking, positiebewaking van gevaarlijke bewegingen of andere veiligheidsfuncties gebruikt u alleen sensoren die volgens IEC 60947-5-3 zijn ontworpen: proximity devices with defined behaviour under fault conditions (PDDB). Zulke veiligheidssensoren hebben een gedefinieerd foutgedrag, vaak twee OSSD-uitgangen, en een gecertificeerd niveau volgens ISO 13849-1 of IEC 61508. Ze worden aangesloten op een veiligheidsrelais of veiligheids-PLC, net als een lichtscherm. De keuze volgt uit de risicobeoordeling en de functionele veiligheid die de Machineverordening vraagt.

❓ Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen een inductieve en een capacitieve naderingsschakelaar?

Een inductieve naderingsschakelaar detecteert alleen metalen via een elektromagnetisch veld en is ongevoelig voor vuil, olie en water. Een capacitieve naderingsschakelaar reageert op de diëlektrische constante en ziet daardoor ook kunststof, papier, granulaat en vloeistoffen. Capacitieve sensoren zijn gevoeliger voor vocht en aanslag en moeten vaak worden afgesteld.

Hoe ver kan een inductieve naderingsschakelaar kijken?

De schakelafstand van een inductieve naderingsschakelaar hangt vooral af van de diameter van de spoel. Typisch is dat 2 mm voor een bundige M12 en 10 mm voor een bundige M30; niet-bundige en extended-range-uitvoeringen halen grofweg het dubbele. Voor betrouwbaar schakelen ontwerpt u op de gegarandeerde afstand Sa, maximaal 81 % van Sn.

Waarom ziet mijn naderingsschakelaar aluminium slechter dan staal?

Een standaard inductieve naderingsschakelaar is gekalibreerd op staal. Non-ferrometalen zoals aluminium en koper dempen de oscillator minder, waardoor de schakelafstand daalt tot ongeveer 30–45 % van Sn. Gebruik bij gemengde metalen een factor-1-sensor die alle metalen op dezelfde afstand detecteert.

Moet ik een PNP- of NPN-naderingsschakelaar kopen?

Een PNP-naderingsschakelaar past op een sinking PLC-ingang en is in Europa de standaard. Een NPN-naderingsschakelaar hoort bij een sourcing ingang en komt vooral voor bij Aziatische machines. Met het verkeerde type loopt er geen stroom door de ingang, zodat de naderingsschakelaar de PLC-ingang nooit schakelt.

Wat is het voordeel van een naderingsschakelaar met IO-Link?

Een IO-Link-naderingsschakelaar levert naast het schakelsignaal ook diagnose, zoals signaalkwaliteit, schakeltellers en interne temperatuur. U kunt schakelpunten centraal instellen en bij vervanging worden de parameters automatisch teruggezet. Bekabeling blijft hetzelfde: een ongeafgeschermde 3-aderige kabel met M12-connector.

Is een naderingsschakelaar geschikt voor deurbewaking?

Een gewone naderingsschakelaar is niet geschikt als veiligheidscomponent voor deurbewaking, omdat zijn gedrag bij een interne fout niet gedefinieerd is. Gebruik een veiligheidsnaderingsschakelaar volgens IEC 60947-5-3 met een gecertificeerd veiligheidsniveau. Die wordt via een veiligheidsrelais of veiligheids-PLC aangesloten.

📌 Samengevat

Een naderingsschakelaar detecteert objecten contactloos en slijtvrij; het juiste type, de gegarandeerde schakelafstand Sa en de reductiefactor van het materiaal bepalen of hij betrouwbaar werkt. Kies daarna uitgang (PNP/NPN, NO/NC, IO-Link), behuizing en IP-klasse, en gebruik voor veiligheidsfuncties uitsluitend sensoren volgens IEC 60947-5-3.