Winkelcodierer, Wegaufnehmer und Neigungssensoren mit CANopen-Schnittstellen kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz: angefangen von stationären und mobilen Maschinen über Windkraft- und Solaranlagen bis hin zur Folienverarbeitung und Verpackungsautomaten. Robuste mechanische Bauformen, Schutzarten bis IP 69K und Ausführungen in Edelstahl erlauben die Verwendung auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Als Rückmelder für Positionen und Bewegungen sind sie zuverlässige Teilnehmer bei der Automatisierung komplexer mechanischer Aggregate. Wenn Gefahren für Mensch und Umwelt vermieden werden müssen, werden Winkelcodierer und Neigungssensoren mit CANopen-Safety-Schnittstellen eingesetzt, die vom TÜV SIL2 zertifiziert sind. Der CANopen-Bus ist nach dem Master-Slave-Prinzip aufgebaut, wobei innerhalb des Bussystems immer ein Gerät, meistens die zentrale Steuerung, die Funktion des Masters für eine bestimmte Aufgabe übernimmt. Alle anderen Teilnehmer, wie die peripheren Sensoren und Aktoren, agieren innerhalb des Netzwerkes als Slaves. Die heute verfügbaren CANopen-Sensoren sind so ausgelegt, dass sie je nach vorgegebener Betriebsart (mode) ihren Positionswert zyklisch oder azyklisch ohne Aufforderung an den Master senden. Die anschließend beschriebenen Winkel-, Weg- und Neigungssensoren sind nach dem CiA-Draft-Standard 301 aufgebaut und können als Class-2-Teilnehmer im CANopen-Netz eingesetzt werden. Die in den Aufnehmern implementierte Software erlaubt die Programmierung verschiedener Parameter, die im Object Dictionary abgelegt sind. Zum Beispiel können der Messbereich und die Signalrichtung bei Rechts- oder Linkslauf eines Winkelcodierers oder bei Einzug oder Auszug eines Wegaufnehmers über den Bus geändert werden.
Induktive und magnetostriktive Wegaufnehmer
Wesentlicher Gesichtspunkt bei der Implementierung der CANopen-Schnittstelle in kleine Gehäuse ist die geringe Baugröße des CAN-Controllers sowie die Tatsache, dass keine aufwendige Beschaltung notwendig ist. Diese Merkmale ermöglichten es, die CANopen-Schnittstelle auch in induktive Wegaufnehmer (IW) zu integrieren. In einem Gehäuserohr mit 25 mm Außendurchmesser ist neben den zwei Spulen, die als Halbrücken ausgelegt sind, die gesamte Elektronik untergebracht. Lieferbar sind diese Wegaufnehmer für Messhübe bis 360mm in verschiedenen mechanischen Versionen, zum Beispiel auch als Taster mit Rückholfeder oder mit Kugelgelenken zur vertikalen Befestigung. Für Messhübe von 25 bis 7600mm sind magnetostriktive Wegaufnehmer ausgelegt. Die Version mit runder Messstange und Magnetringen eignet sich zum Einbau in Hydraulik- und Pneumatikzylinder und ist bis 350bar druckfest. Bei der Ausführung im Profilgehäuse läuft der Permanentmagnet in einem seitlichen Schlitten, der über eine Kugelstange mit dem Messobjekt zu verbunden ist. Arbeitsbereich, Preset-Werte und vier Grenzwerte können über den CANopen-Bus programmiert werden. Bei den Neigungssensoren der Modellreihe NBN werden als Sensorelement MEMS-Schaltungen eingesetzt. In Form mikro-elektromechanischer Strukturen werden Doppelkapazitäten gebildet, deren Werte sich bei einer Beschleunigung im Gravitationsfeld der Erde verändern. Elektronische Folgeschaltungen konvertieren die Veränderung in proportionale Neigungswinkel. In zwei voneinander unabhängigen Kanälen werden die Messwerte aufbereitet und an zwei Controller zur Einbindung in das CANopen-Netz weitergegeben. Das Protokoll ist nach CiA-Draft-Standard 410, Version 1.2 „Device profile for inclinometers“ ausgelegt. Drei Messachsen für Winkel bis ±90°, auch unsymmetrisch, stehen zur Verfügung. Die Genauigkeit beträgt ± 0,1° bei ± 10° und 0,3° bei ± 90° Messwinkel.
Elektro-optische und elektromagnetische Winkelcodierer
Zur Winkel- und Positionsmessung sind die elektro-optischen Winkelcodierer der Modellreihen CRN/KBN ausgelegt. Ihre Auflösung beträgt bis zu 16 Bit/360°, ihr Messbereich bis zu 4096 Umdrehungen. Angeschlossen werden sie über eine rückseitige Haube, die einen Dipschalter zur Einstellung der Datenrate von 20kBaud bis 1MBaud und zur Wahl der Knotenadresse enthält. In Kombination mit Seilzügen, Zahnriemen oder Zahnstangen können translatorische Bewegungen bis zu 100m erfasst werden. Kompakte Bauform bei gleichzeitiger hoher Widerstandsfähigkeit gegen Schock, Vibration, Feuchte und aggressive Medien waren die Leitlinien bei der Entwicklung der elektromagnetischen Winkelcodierer. Sie sind mit Hall-Elementen und einem oder mehreren kleinen Permanentmagneten aufgebaut. Dabei sind der rotierende Teil in der Vorkammer und die Elektronik in der Hauptkammer durch eine Metallwand getrennt. Durch Verguss der Hauptkammer und Dichtungen der Vorkammer wird eine hohe Sicherheit gegen Schock, Erschütterungen und Feuchte erreicht. Schutzarten bis IP 69K und Ausführungen in Edelstahl ermöglichen auch den Einsatz unter Wasser. Die Konstruktionsmerkmale dieser Serie erlauben die Anpassung an anwenderspezifische Einbauverhältnisse. Mit einer neuen, erweiterten Bootloader-Funktion können Software-Änderungen auf der bestehenden Hardware-Plattform der Winkelcodierer und Neigungssensoren vorgenommen werden, sei es zur Fehlerbehebung oder um den Funktionsumfang zu erweitern. Dazu wird über einen PC mit CANopen-Interface ein neuer Programmcode übertragen. Der PC ist dabei parallel zum bestehenden CAN-Bus-System geschaltet. Der Bootloader im Controller des Winkelcodierers programmiert den Flash-Speicher mit dem neuen Programm-Code. Das Bootloader-Programm ist passwortgeschützt, sodass nur autorisierten Anwendern der Zugang ermöglicht wird. Der neue Programm-Code ist sowohl für den Standard-Bus als auch für die CANopen-Safety-Version verfügbar.
Wenn es auf Sicherheit ankommt: SIL2 zertifiziert
Mehrere Modelle der T-Serie und 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. Sie werden dort eingesetzt, wo durch fehlerhaftes Verhalten von Maschinen und Anlagen Gefahren für Mensch und Umwelt auftreten könnten. Voraussetzung für die Zertifizierung ist ein zuverlässiges Sensorsystem mit redundantem Aufbau und die Kommunikation auf Basis sicherer Steuerungen, wobei Sensor und Kommunikation eine Einheit bilden und nicht losgelöst voneinander betrachtet werden dürfen. Die Zielfunktionen bestehen darin, alle möglichen Fehler zu erkennen und auf einem vorhersagbaren, sicheren Weg zu reagieren. Die Überwachung des Safe-Zustandes muss permanent und die Reaktion innerhalb einer bestimmten Zeit erfolgen. Um diese Bedingungen zu realisieren, sind in den Winkelcodierern und Neigungssensoren zwei getrennte Sensorsysteme implementiert. Beide verfügen über eine eigene Versorgung und Signalaufbereitung. Diese wird zu je einem Bus-Knoten geführt.Um den Anwendern die Handhabung des redundanten Aufbaus zu erleichtern, verhalten sich die zwei Knoten zu einander wie logisch ein Knoten. Das heißt, wenn der Anwender Parametrierungen vornimmt, braucht er nur den Master-Knoten zu parametrieren. Über die implementierte UART unterhalten sich die zwei physikalisch vorhandenen Knoten. Somit wird dann der Slave-Knoten automatisch mit parametriert. Es werden die Positions-Ist-Werte der Winkelcodierer sowie ein Geschwindigkeitssignal zur Bewegungsdetektion übertragen. Das gleiche gilt für die Positionswerte der Neigungssensoren. Das Geschwindigkeitssignal wird auf Basis Schritte/Torzeit berechnet. Die Torzeit kann bei der Werksprogrammierung variabel gestaltet werden. Praktische Erfahrungen in Zusammenarbeit mit Anwendern haben dazu geführt, weitere Optionen basierend auf dem Standard DS 304 bereitzustellen, dazu gehören zum Beispiel das Abschalten der UART nach erfolgter Werksprogrammierung, das Hinzufügen zusätzlicher CRC-Berechnungen beziehungsweise Zeitstempel (Counter), Toggle-Bits und die Überprüfung des Gleichlaufverhaltens zwischen Sensor 1 und 2, wobei zwischen statischen und dynamischen Forderungswerten unterschieden wird.☐
• more@click-Code: AD6964730
