Leistung ohne Leitung

Näherungsschalter - Drahtfreie Näherungsschalter bieten viele Vorteile für die Automatisierungstechnik. Tests bestätigen ihre störungsfreie Funktion auch unter extremen Bedingungen.

24. August 2005

Eine der häufigsten Ursachen für Maschinenstillstände in automatisierten Fertigungsanlagen sind Störungen und Ausfälle der Strom- und Datenleitungen für die Sensoren und Aktoren: Diese Maschinenelemente sind schließlich beim Betrieb der Maschine nicht nur häufig in Bewegung, sondern zudem oft harten Umweltbedingungen ausgesetzt. Zu den Belastungen für die Kabel zählen beispielsweise extreme Temperaturen, Schweißprozesse, Funkenflug oder mechanische Beschädigung durch herabfallende Teile. Nicht zuletzt verursacht die Verdrahtung außerdem auch hohe Kosten in Engineering, Installation und Wartung. Ein möglicher Verzicht auf die Verkabelung der kritischen Feldgeräte wäre deshalb ein großer Gewinn für die Prozeßsicherheit sowie für die Verfügbarkeit und Lebensdauer der Maschine.

Standard-Funktechnik genügt nicht

Eine ideale drahtfreie Technik muß allerdings nicht nur Daten übertragen, sondern zusätzlich die Feldgeräte drahtfrei mit Strom versorgen. Von den bereits existierenden Funk-Standards aus der Bürowelt jedoch genügt keine den speziellen Anforderungen in der Maschinen und Geräteebene: Diese Techniken bieten weder Echtzeitfähigkeit noch arbeiten sie absolut zuverlässig bei Interferenzen durch die bis zu 100.000 Sensoren und Aktoren, die in einer großen Automobilfabrik im Einsatz sein können. Eine Lösung dieser Aufgabe verspricht jedoch ein neues Verfahren mit der Bezeichnung WISA (Wireless Interface to Sensors and Actuators), das sowohl die Datenübertragung wie auch die Stromversorgung für Sensoren und Aktoren auf drahtfreiem Wege ermöglicht. Die WISA-Technologie ist die bisher einzige Funktechnologie, die speziell für den Einsatz im schwierigen industriellen Umfeld entwickelt wurde. Besonders sinnvoll ist der Einsatz von funkbasierter Technik bei Näherungsschaltern mit induktivem oder magnetischen Meßverfahren: Schließlich stellen diese den weitaus größten Teil aller Sensoren und Aktoren in der Fertigungsautomatisierung. Da induktive Näherungsschalter nur auf Metall ansprechen, sind sie zudem im allgemeinen unempfindlich gegenüber Schmutz und deshalb auch die meistgenutzten Sensoren im Bereich der Maschinensteuerung.

Funkeinsatz sinnvoll in der Sensorik

Zudem sind die Sensoren über fast den gesamten Bereich einer zu steuernden Anlage verteilt, während die häufigsten elektrischen Aktoren, pneumatische Ventile, in der Regel in Gruppen an wenigen Stellen konzentriert sind. Der Heidelberger Sensorik- und Schaltgerätespezialist ABB Stotz-Kontakt hat deshalb einen ersten Näherungsschalter vorgestellt, der vollständig drahtfrei arbeitet. Grundlage der Datenkommunikation bei diesen Sensoren ist eine abgewandelte Version der Bluetooth-Technologie im 2,4-GHz-ISM-Band, die sich mit kostengünstiger handelsüblicher Hardware realisieren läßt. Da der Datenumfang eines induktiven Näherungsschalters nur wenige Bit beträgt, gewährleistet dieses Protokoll hier eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung zur Maschinensteuerung. Dazu kommen eine kurze Latenz auch bei hoher Knotendichte und -anzahl sowie eine möglichst effiziente Nutzung des Frequenzbandes auch bei einer Koexistenz mit benachbarten Zellen oder anderen Funksystemen. Im Zentrum eines Netzwerks drahtfreier Näherungsschalter steht ein Eingabemodul mit einer Sende- und einer Empfangsantenne, das über einen Feldbusstecker mit der Maschinensteuerung kommuniziert. Dieses Eingabemodul kann gleichzeitig senden und empfangen und kommuniziert dabei mit bis zu 120 drahtfreien Näherungsschaltern. Ein periodischer Frequenzwechsel im Eingabemodul und in den Näherungsschaltern verhindert dabei Störungen durch andere Funkübertragungssysteme, etwa durch Bluetooth, WLAN, Mikrowellenherde und elektronische Markierungssysteme. Zusätzlich erhöht wird die Kommunikationssicherheit durch eine zyklischen Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsantenne des Eingabemoduls.

Energieübertragung durch Induktivtechnik

Die Energieübertragung erfolgt nach dem Prinzip des kernlosen Transformators: Je zwei Spulenpaare an gegenüberliegenden Seiten einer Fertigungszelle erzeugen ein unmoduliertes, rotierendes elektromagnetisches Feld mit einer Frequenz von 120 Kilohertz, das Zellen mit Größen bis zu 3 x 6 x 3 Meter versorgen kann. Zum Energieempfang besitzen die Näherungsschalter Ferritwürfel, die in drei Richtungen mit je einer Spule umwickelt sind. Ergänzt um eine Gleichrichterschaltung und einen Spannungsregler entsteht auf diese Weise ein ungerichteter Energieempfänger, der unabhängig von der Orientierung des Sensors im elektromagnetischen Feld eine sichere Energieversorgung gewährleistet. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, bleibt das Kommunikationsmodul des Sensors inaktiv, bis sich der Sensorstatus ändert. Zur Verbindung mit dem Eingabemodul genügen dann 2 Millisekunden. Die Tauglichkeit des Verfahrens für den industriellen Einsatz hat ABB in umfassenden Betriebserprobungen sehr eingehend untersucht, schließlich herrschen hier harte Umfeldbedingungen, in denen extreme Temperaturen, Vibrationen, Stahlkonstruktionen, bewegliche Hindernisse und elektromagnetische Felder vorkommen können. Mögliche Störungen sind daher unter anderem Mehrwegempfang, Fading, Reflexionen sowie lokale Schwankungen der Energieversorgung. Gute Voraussetzungen für den Einsatz im Industriealltag schaff t schon der verwendete Frequenzbereich von 2,45 GHz, da weitverbreitete Störfrequenzen, etwa von Schweißanlagen, typischerweise im Bereich von 1,5 GHz enden und deshalb ohne Einfluß auf die Datenübertragung bleiben.

Tests bestätigen die Funktion

Im Testaufbau kamen 20 drahtfreie Näherungsschalter in unterschiedlicher Entfernung zur Schweißpistole in einer Roboterzelle sowie beim MIG-Schweißen zum Einsatz, wobei das System gezielt Schweißfehler erzeugen sollte. Störungen zeigten sich hier lediglich im unteren Frequenzband zwischen 300 und 1.500 MHz. Entsprechende Resultate liefert auch der Einsatz bei der 27-MHz- Folienschweißmaschine: Mögliche Störfrequenzen sind oberhalb von etwa 400 MHz nicht mehr meßbar. Mögliche Störungen durch Breitbandsender wie Mikrowellen oder durch 802.11-Interferenzen mit in der Nähe betriebenen WLAN-Netzwerken verhindert ein spezielles Frequenzsprungverfahren. Trotz auftretender Interferenzen bleiben solche Störfelder im Test ohne Auswirkungen auf die Leistung und Zuverlässigkeit des WISAProtokolls. Ab einem Abstand von 7,5 Metern ist ein Einfluß nur noch sehr gering und ab 25 Metern überhaupt nicht mehr meßbar. Die durchschnittliche Latenzzeit der drahtfreien Kommunikation vom Sensorkopf zur Basisstation lag bei nur 4 Millisekunden. Damit eignen sich die WISA-Technologien zur Daten- und Energieübertragung im industriellen Einsatz. Ihre Verwendung ist jedoch nicht auf Näherungsschalter beschränkt. Beide drahtlosen Technologien werden deshalb künftig in weiteren Produkten und auch einzeln eingesetzt.

Guntram Scheible, ABB

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2005