Logisch wie ein Knoten 1

Vor zehn Jahren kam die Forderung auf, periphere Sensorik für Maschinen und Anlagen mit Schnittstellen zur Einbindung in den CANopen-Bus auszurüsten. Im Folgenden eine Auflistung möglicher Aufnehmer zur Erfassung und Messung geometrisch-mechanischer Größen mit CANController am Ausgang.

Ob in Turm- oder Portalkranen, stationären und mobilen Maschinen, in Windkraft- und Solaranlagen, Maschinen für die Folienverarbeitung, in Verpackungsautomaten und in Wiegesystemen, sie sämtlich weisen eine Gemeinsamkeit auf: In ihnen kommen Winkelcodierer, Wegaufnehmer und Neigungssensoren mit CANopen-Schnittstellen zum Einsatz. Die Bandbreite möglicher Anwendungen beeindruckt. Kompakte, robuste mechanische Bauformen, Schutzarten bis IP 69K und Ausführungen in Edelstahl erlauben etwa die Verwendung auch unter rauhen Umgebungsbedingungen.

Als Rückmelder für Positionen und Bewegungen agieren sie als zuverlässige Teilnehmer bei der Automatisierung komplexer mechanischer Aggregate. In sicherheitsrelevanten Bereichen wiederum, bei denen es gilt Gefahren für Mensch und Umwelt zu vermeiden, werden vom TÜV SIL2 zertifizierte Winkelcodierer und Neigungssensoren mit CANopen-Safety-Schnittstellen eingesetzt.

Master plus Slaves
Der CANopen-Bus ist nach dem Master-Slave-Relationship-Prinzip aufgebaut, ein Gerät innerhalb des Bussystems, zumeist die zentrale Steuerung, übernimmt dabei die Rolle des Masters. Sämtliche weiteren Teilnehmer, beispielsweise periphere Sensoren und Aktutoren, arbeiten als Slaves. Aktuell am Markt verfügbare CANopen-Sensoren sind so ausgelegt, dass sie je nach vorgegebener Betriebsart (mode) ihren Positionswert zyklisch oder azyklisch ohne Aufforderung an den Master senden. Die im Folgenden beschriebenen Winkel-, Weg- und Neigungssensoren bauen sämtlich auf dem CiA-Draft-Standard 301 auf und können als Class-2 Teilnehmer im CAN-open-Netz eingesetzt werden. Die implementierte Software erlaubt Programmierung verschiedener Parameter, die im Object Dictionary abgelegt sind. Zum Beispiel können Messbereich und Signalrichtung bei Rechts- oder Linkslauf eines Winkelcodierers oder bei Einzug oder Auszug eines Wegaufnehmers über den Bus geändert werden.

Wesentliche Rollen bei der Implementierung der CANopen-Schnittstelle in kleine Gehäuse spielen geringe Baugröße der CAN-Controllers und das Entfallen aufwendiger Beschaltung. Sind diese Voraussetzungen gegeben, lassen sich die Schnittstellen in induktive Wegaufnehmer integrieren. Ein Praxisbeispiel: Bei 25 Millimetern kann neben den als zwei Halbrücken ausgelegte Spulen die gesamte Elektronik untergebracht werden. Lieferbar sind diese Wegaufnehmer IW für Messhübe bis zu 360 Millimeter in unterschiedlichen mechanischen Versionen – beispielsweise auch als Taster mit Rückholfeder oder mit Kugelgelenken für vertikale Befestigung.

Druckfest bis 320 bar
Für Messhübe von 25 bis 7600 Millimeter sind magnetostriktive Wegaufnehmer ausgelegt. Die Version mit runder Messstange und Magnetringen eignet sich zum dabei für den Einbau in Hydraulik- und Pneumatikzylinder. Sie verhält sich druckfest bis 350 bar. Bei der Ausführung im Profilgehäuse läuft der Permanentmagnet in einem seitlichen Schlitten, der per Kugelstange mit dem Messobjekt zu verbinden ist. Arbeitsbereich, Presetwerte und vier Grenzwerte lassen sich über den CAN-open-Bus programmieren.

Bei den Neigungssensoren der Modellreihe NBN kommen als Sensorelement MEMS-Schaltungen zum Einsatz. Die Strukturen wirken als Doppelkapazitäten, deren Größe sich bei Beschleunigung im Erd-Gravitationsfeld verändern. Elektronische Folgeschaltungen konvertieren diese dann proportional als Neigungswinkel. In zwei voneinander unabhängigen Kanälen erfolgt schließlich die Aufbereitung der Messwerte und Weitergabe an zwei Con-troller zur Einbindung in das CANopen-Netz. Das Protokoll ist nach CiA-Draft-Standard 410, Version 1.2 „Device profile for inclinometers“ ausgelegt. Zur Verfügung stehen drei Messachsen für Winkel bis zu plus/minus 90 Grad – auch unsymmetrisch.

Winkel- und Positionsmessung
Elektro-optische Winkelcodierer der Modellreihen CRN/KBN wiederum sind konzipiert für Winkel- und Positionsmessungen. Die Auflösung beträgt bis zu 16 Bit/360°, der Messbereich bis zu 4096 Umdrehungen. Angeschlossen werden sie an der rückseitigen Haube über einen Dipschalter. Er erlaubt eine Datenrateneinstellung von 20 kBaud bis 1 MBaud sowie Wahl der Knotenadresse. In Kombination mit Seilzügen, Zahnriemen oder Zahnstangen können translatorische Bewegungen bis zu 100 Meter erfasst werden.

Bei der Entwicklung der elektromagnetischen Winkelcodierer der T-Serie standen kompakte Bauform sowie hohe Widerstandsfähigkeit gegen Schock, Vibration, Feuchte und aggressive Medien im Vordergrund. Die Einheiten verfügen über Hall-Elementen sowie einen oder mehrere kleine Permanentmagnete, der rotierende Teil in der Vorkammer ist getrennt von der sich in der Hauptkammer befindenden Elektronik untergebracht. Verguss der Hauptkammer und Abdichten der Vorkammer bietet Schutz gegen Schock, Erschütterungen und Feuchte. Schutzarten bis IP 69K sowie Ausführungen in Edelstahl erlauben auch Einsatz unter Wasser. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der Bauserie bieten Anpassungsmöglichkeit an anwenderspezifische Einbauverhältnisse. Zur Verfügung stehen unterschiedliche mechanische Bauformen und Gehäuse mit Durchmessern von 25 bis 65 Millimeter.

Parallelgeschalteter PC
Dank erweiterter Bootloader-Funktion können Softwareänderungen zur Fehlerbehebung oder zur Erweiterung des Funktionsumfanges vorgenommen werden. Dazu wird über einen parallel zum bestehenden CAN-Bus-System geschalteten PC ein neuer Programmcode übertragen. Der passwortgeschützte Bootloader im Con-troller des Winkelcodierers programmiert den Flash-Speicher sodann mit dem neuen Programmcode. Der neue Programmcode ist sowohl für den Standard-Bus als auch für die CANopen-Safety-Version verfügbar. Mehrere Modelle der T-Serie sowie die Neigungssensoren NBN sind nach der ICE-Norm 61508 und dem CiA-Draft-Standard 304, Version 1.0.1 „CANopen Framework for safety-relevant communication“ ausgelegt und vom TÜV SIL2-zertifiziert. Ihr Einsatzfeld: Überall dort wo aufgrund fehlerhaften Verhaltens von Maschinen und Anlagen Gefahren für Mensch und Umwelt auftreten könnten.

Voraussetzung für die Zertifizierung ist ein zuverlässiges Sensorsystem mit redundantem Aufbau sowie die Kommunikationsmöglichkeit auf Basis sicherer Steuerungen. Sensor und Kommunikation müssen dabei eine Einheit bilden, sie dürfen nicht separat voneinander betrachtet werden. Das Ziel dabei: Erkennen sämtlicher Fehler und deren Reparatur auf einem vorhersagbaren, sicheren Weg. Die Überwachung des Safe-Zustandes muss daher permanent und die Reaktion innerhalb einer bestimmten Zeit erfolgen. Um das zu erreichen, verfügen die Winkelcodierer und Neigungssensoren über zwei getrennte Sensorsysteme. Beide jeweils mit eigener Versorgung und Signalaufbereitung, letztere wird zu je einem Bus-Knoten geführt.

Das Besondere: Sie verhalten sich logisch wie ein Knoten. Nimmt der Anwender Parametrierungen vor, muss er lediglich den Master-Knoten parametrieren. Denn die zwei physikalisch vorhandenen Knoten kommunizieren über die implementierte UART. Somit wird dann der Slave-Knoten automatisch mitparametriert. Übertragen werden die Positionsistwerte der Winkelcodierer sowie ein Geschwindigkeitssignal zur Bewegungsdetektierung. Gleiches gilt für die Positionswerte der Neigungssensoren. Das Geschwindigkeitssignal wird zudem auf der Basis Schritte/Torzeit berechnet. Das erlaubt die Torzeit bei der Werksprogrammierung variabel zu gestalten.

Weitere Erkenntnisse: Praktische Erfahrungen in Zusammenarbeit mit Anwendern führten dazu, weitere auf dem Standard DS 304 aufsetzende Optionen bereitzustellen. Dazu zählen etwa das Abschalten der UART nach erfolgter Werksprogrammierung, das Hinzufügen zusätzlicher CRC-Berechnungen sowie  Zeitstempel (Counter), Toggle-Bits und die Überprüfung des Gleichlaufverhaltens zwischen Sensor 1 und 2. Dabei heißt es zwischen statisch und dynamischen Forderungswerten zu unterscheiden.