Wenn Daten zwischen mobilen und feststehenden Maschinenbestandteilen ausgetauscht und zur Steuerungsebene weitergeleitet werden sollen, stoßen konventionelle Kontaktierungen sowie Verkabelungs- und Schleifringlösungen oft an Grenzen. Müssen Daten und Energie gleichzeitig berührungslos übertragen werden, greift man daher gerne auf schnell trennbare, induktive Übertragungssysteme zurück.
Tobias Bayer, Produktmanager Industrial Networking, Balluff GmbH
Konventionelle Kontaktierungen sowie Verkabelungs- und Schleifringlösungen unterliegen bei häufigem Lastwechsel erheblichen mechanischen Beanspruchungen, die früher oder später zu einem Ausfall der Anlage durch Ermüdung führen. Dieses Handikap steht im Widerspruch zu den gestiegenen Anforderungen in der industriellen Automatisierung mit Taktzeitverkürzungen, Stillstandminimierung und gestiegener Flexibilität in den Abläufen.
Auch der Einsatz von Wireless-Systemen kann diese Herausforderung bislang nur bedingt meistern. Neben der Problematik Funkfrequenz-Überlagerungen ist bei dieser Technologie die Frage der Energiebereitstellung auf der mobilen Geräteseite nicht zufriedenstellend gelöst.
Mit induktiven Übertragungssystemen, wie sie etwa der Sensorspezialist Balluff anbietet, lassen sich dagegen per Plug-and-Play zeitsparend konsistente Lösungen zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung realisieren. Doch erst in Kombination mit dem digitalen Kommunikationsstandard IO-Link (siehe Kasten) zeigt sich, welches Potenzial in dieser intelligenten Verbindung steckt.
Balluff hat hierzu eine komplett neue Lösung entwickelt. Mit dem neuen induktiven Koppler lassen sich per Dreidrahtleitung – ohne aufwändigen Verkabelungsaufwand und großen Platzbedarf – Sensoren und Aktoren unmittelbar am Prozessort bündeln und deren Daten über die berührungsfreie Verbindung der Balluff-Koppelsysteme übertragen. In Kombination mit einem entsprechenden IO-Link-Master kann das induktive Koppelsystem an nahezu jeden marktüblichen Feldbus angebunden werden. Stehen sich die beiden Komponenten des induktiven Übertragungssystems mit ihrer aktiven Fläche gegenüber, so versorgt die Base (ortsfest) die Remote – also das mobile Gerät – über den Luftspalt mit Energie. Diese Energieübertragung geschieht über elektromagnetische Felder. Anschließend beginnen beide Geräte mit der IO-Link-Kommunikation, so dass Prozess-Daten zwischen IO-Link-Master und IO-Link-Device ausgetauscht werden können.
Die neue bidirektionale Generation der induktiven Koppler (BIC) eröffnet der IO-Link-Technologie eine völlig neue Dimension: Sämtliche IO-Link-fähigen Geräte können nun flexibel und berührungslos mit dem IO-Link-Master verbunden werden, so dass die neuen Möglichkeiten dieser Technologie jetzt auch für bisher unerreichbare Maschinenkomponenten zur Verfügung stehen.
Sensorhub sammelt Signale ein
So lassen sich beispielsweise auf einem drehenden Rundtisch mit einem Sensorhub von Balluff die Signale verschiedenartiger Sensoren für Positions-, Wegmesserkennung, Druck- oder Temperaturmessung einsammeln. Die im Sensorhub generierten IO-Link-Daten gelangen nun mit dem Balluff IO-Link-Koppler vom Rundtisch kontaktlos auf den statischen Teil der Maschine und von dort via IO-Link-Master an die Steuerungsebene.
Das bidirektionale BIC-System im 40×40-Gehäuse von Balluff ist weltweit das einzige berührungslose Übertragungssystem, das den IO-Link-Standard vollwertig und ohne Einschränkungen unterstützt. Die komplette IO-Link-Funktionalität ist somit vom IO-Link-Master bis hin zum IO-Link-Device gewährleistet.
Gleichzeitiges Ansteuern von Aktorik und Einsammeln von Sensorsignalen über einen Sensor-/Aktorhub ist ebenso möglich wie die Parametrierung von intelligenten Sensoren oder das Durchführen von Diagnosevorgängen. Prozessdaten können direkt zwischen Master und Device ausgetauscht werden, ohne dass das induktive Koppelsystem erkannt wird. Denn dieses ist transparent aufgebaut und für alle IO-Link-Teilnehmer quasi unsichtbar. Dank des transparenten Verhaltens des Kopplers ist eine einfache Installation via Plug and Play möglich. Für die Inbetriebnahme des BIC-Systems ist daher auch keinerlei Parametrier- und Integrationsaufwand notwendig.
Eine ganz besondere technische Raffinesse ist den Balluff-Ingenieuren mit der Implementierung der an- und abschaltbaren Aux-Power gelungen. Diese ermöglicht es den Anwendern, die über einen Sensor-/Aktorhub angeschlossene Aktorik, beispielsweise eine Ventilinsel, unabhängig von der installierten Sensorik ein- und auszuschalten. Es muss also nicht die IO-Link-Verbindung unterbrochen werden, um die Spannungsversorgung der angeschlossenen Aktorik abzuschalten.
Neue Maschinenkonzepte sind möglich
Typische Einsatzfelder für die induktiven Koppler sind überall dort gegeben, wo Zustandsinformationen von bewegten oder wechselbaren Maschinen- und Anlagenkomponenten aufgenommen und an den statischen beziehungsweise ortsfesten Teil der Anlage übertragen werden. Mit ihnen lassen sich Maschinenkonzepte umsetzen, die früher aus Konstruktions- und Kostengründen nicht in Betracht gekommen wären. Dies kann beispielsweise ein um 360° drehbarer Rundtisch mit hydraulischer Spannvorrichtung in einem Bearbeitungszentrums sein, bei dem die Endlagen der Spannbacken beziehungsweise die Position des Werkstücks über Sensoren kontinuierlich überwacht werden.
Bei einer anderen Applikation innerhalb eines Bearbeitungszentrums ist die selbstständige Werkstückerkennung auf einer Palette mit induktiven Kopplern realisiert. Bis zu 16 Sensoren erfassen die Positionen und erkennen das zu bearbeitende Teil anhand bestimmter Merkmale.
Ein weiteres Applikationsbeispiel ist eine smarte Fertigungszelle mit Wechselwerkzeugen, bei der zahlreiche pneumatische Greifer und Sensoren alternierend zum Einsatz kommen. Dank induktiver Kopplersysteme mit IO-Link-Schnittstelle reduzierte sich nicht nur die Bootzeit nach einem Werkzeugwechsel drastisch, es vereinfachte sich auch die Verkabelung in IO-Link-typischer Weise.
Da die Daten- und Energieübertragung an den kritischen Stellen der Anlage drahtlos erfolgt, verlängern sich die Wartungsintervalle. Ermüdungserscheinungen an Kabel- und Kontakten sind somit so gut wie ausgeschlossen. Und Einschränkungen bei der Wahl der Sensoren und Aktoren gibt es mit diesem System ebenfalls nicht.
IO-Link macht Prozesse einfacher
IO-Link ist eine digitale bidirektionale Schnittstelle, die unterhalb der Busebene für einen unkomplizierten Signal- und Datenaustausch sorgt. Sie vereinfacht Installations- und Verkabelungsprozesse nachhaltig, denn in Verbindung mit einem IO-Link Master, der die E/A-Signale in das IO-Link-Protokoll umsetzt, genügen der modernen Kommunikationsschnittstelle für sämtliche Übertragungsaufgaben ganz gewöhnliche, ungeschirmte dreiadrige Standardkabel.
IO-Link ist abwärtskompatibel zu allen Standardsensoren und dank digitaler Datenübertragung unempfindlich gegenüber Störeinflüssen. Sonderkabel sowie zusätzliche Anschaltboxen entfallen. Sämtliche Verbindungen werden ausschließlich über Standard-M12-Stecker hergestellt.
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