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O+P Fluidtechnik 10/2019

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STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN IO-LINK FÜR PROPORTIONALVENTILE PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Steckerverstärker für Proportionalventile sind eine einfache und preiswerte Lösung zur Steuerung von einmagnetigen Ventilen. Typisch wird der Sollwert über ein analoges Signal 0… 10 V oder 4… 20 mA vorgegeben. Die Parametrierung erfolgt direkt am Stecker oder über diverse Schnittstellen (z. B. USB). Diese Leistungsverstärker sind seit mehr als 30 Jahren weit verbreitet. Nun sind auch Produkte mit IO-Link-Schnittstelle verfügbar. IO-Link ist eine weltweit standardisierte Punkt-zu-Punkt-Kopplung (IEC 61131-9), um mit Sensoren und auch Aktoren zu kommunizieren. Die IO-Link Firmengemeinschaft hat zum Ziel, IO-Link als Technologie zu entwickeln und zu vermarkten. IO-Link ist herstellerübergreifend akzeptiert. Eine Vielzahl von Sensoren der verschiedensten Hersteller steht mittlerweile zur Verfügung. Im Bereich der Aktoren schreitet die Entwicklung deutlich langsamer voran. Dabei ist diese Schnittstelle ideal zur Ansteuerung von Proportionalventilen geeignet. Neben der sehr preiswerten Möglichkeit, sie zu implementieren, stehen folgende Vorteile für den Anwender im Vordergrund: n Digitale und störunempfindliche Schnittstelle, n einfache Verkabelung, nParametrierung direkt über die SPS (ohne zusätzliche Herstellersoftware), n automatische Parametrierung beim Gerätetausch, n Diagnose- und Istwert-Rückmeldungen, n galvanisch getrennte Versorgung zwischen IO-Link Schnittstelle und Leistungselektronik. Autor: Ulrich Walter, W.E.St. Elektronik GmbH, Niederkrüchten Im Zeitalter der Digitalisierung und von Industrie 4.0 ist der Übergang zur digitalen Schnittstelle nicht mehr aufzuhalten. IO-Link ist gegenüber den klassischen Feldbussen eine Punkt-zu-Punkt- Verbindung und kann daher analoge Schnittstellen ohne größeren Aufwand ersetzen. ERFAHRUNG ZAHLT SICH AUS Die IO-Link-Schnittstelle ist eine digitale Schnittstelle, die so einfach zu handhaben ist wie eine analoge. Somit ist die Implementierung in einen Steckerverstärker für Proportionalventile eigentlich nur eine logische Schlussfolgerung, wenn es da nicht ein paar kleinere technische Hürden gäbe. Der Platz in einem solchen Steckergehäuse ist sehr beschränkt, so dass es eine große Herausforderung ist, eine Elektronik hierfür zu entwickeln. Weiterhin sollte die Eigenerwärmung sehr gering sein und die beiden Spannungsversorgungen (Leistungsteil und IO-Link) sind galvanisch zu trennen. Da es sich bei einem solchen Verstärker um kein hochpreisiges Produkt handelt, sind gute Ideen gefragt. Die Entwickler der W.E.St. Elektronik GmbH konnten auf die Erfahrungen mit ihrem PAM-190-P mit analoger Schnittstelle hinsichtlich des grundsätzlichen Designs aufbauen. Bei der galvanischen Trennung sind die Ansteuerung des Leistungstransistors und die Messung des Magnetstroms zu berücksichtigen. Die galvanisch getrennte analoge Signalübertragung des Magnetstroms ist dabei aufwändig und teuer. POINTIERT IO-LINK-STECKERVERSTÄRKER EINFACHE IMPLEMENTIERUNG WICHTIGER SCHRITT IN RICHTUNG ... … DIGITALISIERUNG DER HYDRAULIK 36 O+P Fluidtechnik 10/2019

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN Wie wurde dieses Problem gelöst? Der neue PAM-190-P-IO wurde mit zwei 32-Bit-Hochleistungsprozessoren ausgestattet, wodurch eine galvanische Trennung nur für digitale Signale notwendig wurde. Der erste Prozessor ist für die Kommunikation über die IO-Link Schnittstelle zuständig, der zweite Prozessor wird für die Magnetstromregelung und die Signalkonditionierung (Rampen, MIN-MAX, …) verwendet. Bei ausschließlicher Betrachtung der Rechenleistung der beiden Mikrocontroller erscheint dies vielleicht übertrieben. Vergleicht man aber die Schaltungskonzepte, so ist der Vorteil schnell zu erkennen. Weniger Komponenten bedeuteten weniger Bauteile, die ausfallen können (erkennbar durch einen sehr hohen MTTFd Wert). Weiterhin ist der Einsatz von zwei Mikrocontrollern mit Abstand das preiswertere Schaltungskonzept. IMPLEMENTIERUNG UND PARAMETRIERUNG Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den modularen Ansatz und damit die Möglichkeit, die Kommunikationselektronik einfach und preiswert - als eigenständige Funktion - in verschiedene weitere Elektronikbaugruppen (sowohl eigene als auch fremde) zu implementieren. Der Einsatz ist genaugenommen vergleichbar mit dem des Standardsteckers (PAM-190-P), nur dass die analogen Signale durch digitale Signale ersetzt werden. Die Verkabelung muss nicht mehr abgeschirmt werden, wodurch sich ein weiterer Kostenvorteil ergibt. Die Arbeit mit vorkonfektionierten Kabeln und M12-Steckverbindern führt außerdem zu einer erheblichen Zeiteinsparung. Angesteuert werden mit diesem Stecker Druckventile, Drosselventile und auch Wegventile (dann mit zwei Steckern). Der Funktionsumfang ist auf hydraulische Anwendungen abgestimmt und bietet neben der Magnetstromregelung eine Rampenfunktion und die klassische MIN-MAX Einstellung. Die Endstufentechnik unterscheidet sich nicht von den Standard-Leistungsverstärkern aus dem Hause W.E.St. Elektronik. Im Konzept von IO-Link Geräten wird die Parametrierung mittels eines einheitlichen Tools realisiert, das die SPS-Hersteller zur Verfügung stellen. Dies ist häufig in die zugehörende Entwicklungsumgebung integriert. Dies unterscheidet sich erheblich von der bisherigen Vorgehensweise für Produkte der Steckerverstärker- Spezialisten (Parametrierung über das Programm WPC-300), denn Standardisierte Anschlussbelegung von Aktuatoren man hat sich nur noch mit der Technologie der PAM-190-P-IO zu beschäftigen und nicht mehr mit dem Thema Softwarebedienung, was ansonsten zusätzliche Einarbeitungszeit bedeuten würde. Mit dem IO-Link-Konzept kann jetzt ein Tool sowohl für die verschiedenen Sensoren als auch für den W.E.St.-Steckerverstärker verwendet werden. Die analogen Signale, die mit einem Multimeter gemessen werden können, fallen weg. Doch dadurch sind die typischen Störungen auf den analogen Signalen ebenfalls nicht mehr relevant. Mit Blick auf I4.0, die Digitalisierung und eine deutlich erweiterte Diagnostik ist dies der Weg in die Zukunft. AUSWIRKUNGEN AUF DIE HYDRAULIK Neben der Vielzahl von Sensoren mit IO-Link Schnittstelle können jetzt auch Proportionalventile über diese Schnittstelle angesteuert werden. Für ein hydraulisches Aggregat bedeutet dies eine einheitliche Schnittstelle, über die auch der Druck eingestellt werden kann. Durch das modulare Konzept sind weitere Entwicklungen, angefangen von einer Druckregelung bis hin zur Positioniersteuerung möglich. Auf jeden Fall ist diese Schnittstelle ein wichtiger Baustein mit Blick auf die Weiterentwicklung und die Digitalisierung moderner Systeme. www.w-e-st.de

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