Pünktlich zum Hydraulix Congress – „DIGITALISIERUNG IN DER HYDRAULIK – Wissen was wirklich wichtig ist!“ erschien W.E.St.’s Beitrag in der in O+P über die Anwendung der IO-Link Technology in Leistungsverstärkern. Hier finden Sie nochmal den ganzen Artikel zum Nachlesen!

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:

• Digitale und störunempfindliche Schnittstelle
• Einfache Verkabelung
• Parametrierung direkt über die SPS (es ist keine Sondersoftware des Geräteherstellers notwendig)
• Automatische Parametrierung beim Gerätetausch
• Diagnose- und Istwert-Rückmeldungen
• Galvanisch getrennte Versorgung zwischen IO-Link Schnittstelle und Leistungselektronik

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 – PAM-190-P-IO

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. Durch die Erfahrungen mit unserem PAM-190-P mit analoger Schnittstelle wissen wir, wie das grundsätzliche Design ausfallen muss. 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.
Was haben wir also gemacht? Wir haben zwei 32 Bit Hochleistungsprozessoren spendiert, 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 unseren Standard -Leistungsverstärkern. 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 zughörende Entwicklungsumgebung integriert. Dies unterscheidet sich erheblich von unserer bisherigen Vorgehensweise (Parametrierung über das Programm WPC-300), denn 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 unseren Steckerverstärker verwendet werden. Was man nicht mehr hat, sind die analogen Signale, die mit einem Multimeter gemessen werden können. Es sind natürlich die typischen Störungen auf den analogen Signalen auch nicht mehr relevant. Mit Blick auf I4.0, die Digitalisierung und eine deutlich erweiterte Diagnostik ist dies aber auch 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 unser modulares 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.

Von:

Ulrich Walter, W.E.St. Elektronik GmbH