Anschlüsse für die Steuerung:Kommunikationsschnittstellen für Positions- und Bewegungssensoren

Kommunikationsschnittstellen stellen die entscheidende Verbindung zwischen Sensoren (den „Nerven“ eines Steuerungssystems) und den Steuerungen (dem „Gehirn“) her. Eine beeindruckende Vielfalt von Kommunikationstechnologien wurde eingeführt, um diese Verbindung bereitzustellen, normalerweise mit Merkmalen und Fähigkeiten, die auf eine bestimmte Art von Steuersystem zugeschnitten sind. Sehen wir uns einige weit verbreitete Kommunikationstechnologien für die Bewegungssteuerung an.

Sonderlösungen für Sonderfälle

Bei einigen Sensoren, die Feedback für die Bewegungssteuerung liefern, bestimmt die Messtechnik die Kommunikationsschnittstelle. Inkrementalgeber liefern einen kontinuierlichen Strom von Signalimpulsen – einen für jede Drehung der Drehgeberwelle um einen bestimmten Betrag. Sie zeichnen sich durch Geschwindigkeitsregelung aus, da der Regler die Rotationsgeschwindigkeit aus dem Intervall zwischen den Impulsen genau bestimmen kann.

Viele Inkrementalgeber übertragen zwei Ausgangssignale, die als A und B bezeichnet werden, mit einer Phasendifferenz von 90°, wodurch die Steuerung die Drehrichtung bestimmen kann. Manche geben auch einmal bei jeder Drehung um einen definierten Drehwinkel ein Z-Signal aus. Dies bietet einen genauen Anhaltspunkt.

Die Verbindung zwischen einem Inkremental-Encoder und seinem Controller muss eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung sein, wobei ein dediziertes Kabel jeden Encoder mit seinem Controller verbindet. Die Kommunikation basiert normalerweise auf einem Differenzsignal, das über Twisted-Pair-Verkabelung übertragen wird, wobei die Anzahl der Leiterpaare im Kabel von der Anzahl der Signale (A, B und Z) abhängt.

Die Ausgangstreiber in den Encodern müssen mit der Schnittstelle am Controller kompatibel sein – Push-Pull (HTL) oder RS-422 (TTL) Ausgangstreiber werden üblicherweise verwendet. Diese Standards spezifizieren die Signalspannung.

Absolutpositionssensoren

Der Rest dieses Artikels konzentriert sich auf absolute Positionssensoren wie Encoder und Neigungsmesser. Diese Geräte melden eine gemessene Position zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder als Spannungs-/Strompegel (analoge Encoder) oder durch Übertragung eines digitalen Wortes oder „Telegramms“ (digitale Encoder). Diese Geräte sind ideal für Positionsregelungsanwendungen.

Analoge Sensoren haben eine lange Geschichte, wobei frühere Steuerungssysteme Potentiometer (variable Widerstände) verwendeten. In jüngerer Zeit wurden digitale Sensoren mit eingebauten D/A-Wandlern eingeführt. Diese sind entweder mit Spannungs- (z. B. 0-5 V) oder Strom- (z. B. 0-20 mA) Ausgängen erhältlich. Sie verfügen über programmierbare D/A-Wandler, sodass ein vorgegebener Bereich mechanischer Bewegung (von einem Bruchteil einer Drehung bis zu mehreren Umdrehungen) so eingestellt werden kann, dass er den gesamten elektrischen Ausgangsbereich des Systems (z. B. 0-5 V, 0-20 mA) abdeckt ). Dies verbessert die Genauigkeit und Auflösung über den bedeutendsten Bewegungsbereich. Analoge Sensoren erfordern Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, oft mit relativ dickem Draht, um den elektrischen Widerstand zu begrenzen.

Absolute Encoder mit bitparallelen Schnittstellen geben Messwerte als digitales Wort mit einem separaten Leiter für jedes Bit aus. Die Reaktion erfolgt praktisch augenblicklich. Die Verbindung erfolgt Punkt-zu-Punkt, typischerweise über ein Flachbandkabel. Da dieser Kabeltyp relativ sperrig und unflexibel ist, funktionieren bitparallele Systeme am besten über kurze Distanzen.

Digitale Punkt-zu-Punkt-Verkabelung

Bei der Punkt-zu-Punkt-Verkabelung verläuft ein eigenes Kabel vom Controller zu jedem einzelnen Sensor. SSI- (Serial Synchronous Interface) und BiSS- (Bidirectional Serial Synchronous) Schnittstellen für Absolutwertgeber verwenden Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungssysteme. Dies sind digitale Schnittstellen, die direkt mit SPS oder anderen Steuerungen verbunden werden können. SSI-Verbindungen bieten eine gute Geschwindigkeit (Taktraten bis zu 2 MHz), eine hohe Auflösung, eine flexible Verkabelung und eine zuverlässige Kommunikation bis zu einigen hundert Metern (obwohl die Baudraten für längere Entfernungen reduziert werden). SSI-Protokolle bieten grundlegende Fehlererkennung (Drahtbruch, Kurzschluss, Datenkonsistenz).

BiSS ist eine erweiterte Version von SSI, die Echtzeitkommunikation zwischen Steuergeräten und Sensoren/Aktoren in Servomotoren, Robotern und anderen Automatisierungssystemen unterstützt. Die Schnittstelle ermöglicht es der Steuerung auch, Betriebsparameter in Slave-Geräten einzustellen. Es gibt mehrere BiSS-Varianten, einschließlich BiSS C (kontinuierliche Kommunikation) und BiSS Line (entworfen für Konfigurationen, die Stromversorgung und Datenübertragung in einem einzigen Kabel kombinieren). Open-Source-SSI- und BiSS-Schnittstellenstandards sind nicht proprietär, mit kostenlosen Lizenzen.

SSI- und BiSS-Kommunikationen verwenden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen – typischerweise RS-422. Für effizientere Kabellayouts können mehrere Geräte in Reihe geschaltet werden.

Feldbus:Kabelsysteme mit gemeinsamem Zugriff

Punkt-zu-Punkt-Verkabelung eignet sich gut für Systeme mit kurzen Entfernungen und einer begrenzten Anzahl von Geräten, aber wenn die Anzahl der Sensoren zunimmt, können Verdrahtungslayouts unhandlich werden. Als automatisierte Systeme immer ausgefeilter wurden und die Zahl der angeschlossenen Geräte zunahm, führten mehrere Hersteller Feldbussysteme ein. Diese Feature-Netzwerke basieren auf einer Bustopologie, bei der sich mehrere Geräte ein gemeinsames Verdrahtungs-Backbone teilen. Feldbussysteme sind zuverlässig, schnell und relativ kostengünstig. Die Anwendungen reichen von Förderbändern und Produktionsanlagen bis hin zu mobilen Geräten, medizinischen Geräten, Windkraftanlagen und Sonnenkollektoren.

Wenn sich mehrere Geräte einen gemeinsamen Kommunikationskanal teilen, kann dies zu Problemen mit den Reaktionszeiten führen – wenn der Verkehr auf dem Bus stark ist, können die Nachrichten einzelner Sensoren um eine unvorhersehbare Zeit verzögert werden. Um dies zu umgehen, erlauben die meisten Feldbusdesigns dem Bediener, Geräte nach Wichtigkeit zu ordnen. Dadurch wird sichergestellt, dass kritische Nachrichten vorrangig behandelt werden. Die physikalische Schicht von Feldbussystemen basiert in der Regel auf Twisted-Pair-Kabeln (z. B. EIA-485).

Gängige Feldbusstandards sind Controller Area Network (CAN) von Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) von Siemens und DeviceNet von Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, das in Nordamerika weit verbreitet ist, kombiniert die physikalische Schicht von CAN mit übergeordneten Protokollen von CIP (Common Industrial Protocol). SAE J1939, das die CAN-Datenübertragungsstandards verwendet, ist für schwere Fahrzeuge optimiert.

Netzwerke bestehen aus physischen Elementen (Drähte, Anschlüsse und die elektronischen Komponenten, die den Signalfluss steuern) und logischen Elementen (die Schemata, Kommunikationsprotokolle, Geräteprofile usw. adressieren, die in Software implementiert sind). In der Welt der Feldbusse verwenden viele Systeme CAN-Standards, um die physikalischen Aspekte der Netzwerke zu definieren, während Protokolle höherer Ebene – wie CANopen, DeviceNet, J1939 usw. – End-to-End-Funktionalität bereitstellen.

Industrielles Ethernet

Industrial Ethernet verwendet die gleichen technischen Grundlagen wie Office Ethernet, jedoch mit Verbesserungen, die es besser für raue Fabrikbedingungen geeignet machen. Switch-Einheiten in Industriequalität können robuste wasser- und staubdichte Gehäuse aufweisen, während viele Geräte robuste M12-Anschlüsse anstelle von anfälligeren RJ45-Anschlüssen verwenden.

Es gibt auch wichtige Upgrades für die Kommunikationsprotokolle. Industrielle Anwendungen – insbesondere Bewegungssteuerung – erfordern häufig, dass Steuerungen in Echtzeit arbeiten, ohne die unvorhersehbaren Übertragungsverzögerungen (Latenz oder Jitter), die in gewöhnlichen Ethernet-Netzwerken auftreten können. Industrial-Ethernet-Systeme wie Profinet IRT, EtherNet/IP und Ethernet Powerlink adressieren dies durch modifizierte Protokollstacks und spezielle Hardware, die kritischen Nachrichten vorrangigen Zugriff auf die Netzwerkbandbreite gewähren. Die dafür erforderlichen speziellen Komponenten können die Komplexität und die Kosten des Systems erhöhen.

Es sollte beachtet werden, dass Ethernet zwar eine Vision einer unbegrenzten Anzahl von Geräten und flexiblen Topologieoptionen bietet, Probleme der Systemleistung – insbesondere für Echtzeit-Bewegungssteuerungsanwendungen – jedoch Designkompromisse erfordern können, die den lokalen Datenverkehr reduzieren und direkte Kommunikationspfade für kritische bereitstellen Komponenten.

IO-Link ist ein kostengünstiges, einfach zu implementierendes Kommunikationssystem, das entwickelt wurde, um Verbindungen zwischen Feldbus- oder industriellen Ethernet-Netzwerken und einfachen Sensoren oder Aktoren in der Fabrikhalle zu vereinfachen. Auf der einen Seite eines IO-Link-Master-Gateway-Geräts befindet sich eine Schnittstelle zum anlagenweiten Netzwerk, während die andere Seite mehrere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu einzelnen Sensorgeräten hat.

Die IO-Link-Schnittstelle für Endgeräte ist relativ einfach, sodass keine komplexen Kommunikationsprotokolle auf Sensor-/Aktor-Ebene unterstützt werden müssen. IO-Link unterstützt eine Vielzahl von Datentypen, darunter Messdaten, Gerätekonfigurationsanweisungen und Informationen zu Betriebsbedingungsparametern wie Temperatur.

Drahtlose Kommunikation

Drahtlose Technologien ermöglichen die Kommunikation mit mobilen Maschinen (z. B. autonom geführten Fahrzeugen) oder Geräten, die häufig versetzt werden müssen. Wi-Fi (IEEE 802.11) und Bluetooth sind weit verbreitete Standards für die drahtlose Kommunikation über kurze Distanzen. Andere Standards sind für Kommunikationen mit größerer Reichweite verfügbar, obwohl diese niedrigere Bitraten haben können. Aufstrebende 5G-Netzwerke versprechen hohe Datenraten und niedrige Latenzzeiten.

Drahtlose Kommunikation kann in elektrisch verrauschten Umgebungen weniger zuverlässig sein als drahtgebundene Verbindungen und ist möglicherweise nicht für stark zeitabhängige Rückkopplungssignale geeignet. Im Fall eines Lagerroboters kann beispielsweise ein drahtloses Signal verwendet werden, um die Maschine anzuweisen, Material von einem bestimmten Ort zu holen. Sensoren für Lenkung, Geschwindigkeitsregelung und Kollisionsvermeidung sind jedoch normalerweise fest mit dem Steuersystem verdrahtet, um eine zuverlässige und sofortige Reaktion zu gewährleisten.

Offene Standards für Kompatibilität

Kein einzelner Anbieter kann erstklassige Geräte für jeden Teil eines komplexen Automatisierungssystems liefern, und die Anbieter industrieller Netzwerktechnologien haben sich von proprietären Netzwerksystemen zur Unterstützung offener (herstellerneutraler) Schnittstellen- und Netzwerkstandards bewegt. Mit diesen Standards können Käufer von Bewegungssteuerungsgeräten standardzertifizierte Komponenten von verschiedenen Anbietern kombinieren und aufeinander abstimmen, in der Erwartung, dass alles zusammenpasst.

Zu den wichtigen Branchenstandardorganisationen gehört die Open Device Vendors Association , Sponsoren von DeviceNet- und Ethernet/IP-Standards; die CAN in Automation Association , Sponsoren der CANopen-Protokolle; und Profibus Nutzerorganisation , Sponsoren von Profibus- und Profinet-Schnittstellen.

Dieser Artikel wurde von Christian Fell, General Manager bei FRABA Inc., Hamilton, NJ, verfasst. Weitere Informationen finden Sie unter hier .