IO-Link Sensoren: Ihr Schlüssel zur Digitalisierung industrieller Prozesse

Das neue integrierte Verstärkermodul weist zahlreiche Merkmale auf, die die Qualität Ihrer Kraftmessungen signifikant erhöhen: 
 

• Linearisierungsfunktionen
• Zwei Grenzwertschalter
• Frei einstellbare Tiefpassfilter (Bessel und Butterworth)
• Ein fester Digitalausgang (DO): optional ein weiterer Digitalausgang im Standard-E/A-Modus (SIO)
• Sensor-Health-Monitoring: Warnung bei kritischen Betriebszuständen (statische und dynamische Überlasten, Temperaturen außerhalb der technischen Daten)
• Statistikfunktionen (Min-/Max-Speicher, Durchschnittswerte, Anzahl der Messstellen usw.)

Linearisierungsfunktionen

Die Linearisierung können Sie anhand von Interpolationspunkten oder kubischen Linearisierungsfunktionen vornehmen. Die Programmierung erfolgt so, dass die Ergebnisse von standardisierten Kalibrierzertifikaten (ISO 376, DKDR3-3) problemlos eingegeben werden können. Selbstverständlich können Sie die Linearisierung auch anhand Ihrer eigenen Referenzmessungen durchführen. Dazu können Sie Referenzpunkte heranziehen. 

Frei einstellbare Tiefpassfilter (Bessel und Butterworth)

Die Grenzfrequenz der Filter kann problemlos als Zahlenwert in die Software eingegeben werden. Dabei handelt es sich um digitale Filter der 6. Ordnung.

Zwei Grenzwertschalter

Die Grenzwertschalter sind anhand der technischen Daten des intelligenten IO-Link-Sensorprofils programmiert. Zusätzlich zum Grenzwert können Sie eine Hysterese definieren, wenn Ihr Prozess dies erfordert. Der sogenannte „Window-Modus“ ist ebenfalls verfügbar. Dabei wird ein Grenzwertschalter aktiviert, wenn der gemessene Wert innerhalb eines von Ihnen definierten Bereichs liegt, zum Beispiel zwischen 1 kN und 1,8 kN.

Beide Schalter können invertiert werden.

Ein fester digitaler Schaltausgang, ein umschaltbarer Schaltausgang

Ein IO-Link-Digitalausgang ist immer verfügbar, damit Ergebnisse am digitalen Schaltausgang schnell abgerufen werden können. Die Ausgangsschalter mit maximal 0,35 ms gehen nach Überschreiten eines Schwellenwerts nach oben oder nach Unterschreiten nach unten. Sie können die Übertragung der IO-Link-Kommunikation deaktivieren und die Leitung nutzen, die als zweiter Digitalausgang (SIO-Modus) verfügbar wird. Der Kraftaufnehmer wird dann ein Kraftschalter mit zwei digitalen Schaltausgängen.

Überwachung des Sensorzustands: Warnung bei kritischen Betriebszuständen (statische und dynamische Überlasten, Temperaturen außerhalb der Toleranz)

Während der Fertigung werden alle wichtigen Sensoreigenschaften im Verstärker gespeichert:

• Höchste/niedrigste Betriebstemperatur
• Grenztemperatur der Elektronik
• Grenztemperatur des Mikroprozessors
• Höchste/niedrigste Nennkraft
• Maximale/minimale Gebrauchskraft
• Höchste/niedrigste Nenntemperatur
• Maximaler Peak-Peak-Wert (Amplitude)

Die Elektronik vergleicht die Kraft- und Temperaturwerte kontinuierlich mit den Grenzwerten und meldet alle Überschreitungen, damit entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können.

Statistikfunktionen (Min-/Max-Speicher, Durchschnittswerte, Anzahl der Messstellen usw.)

Alle statistischen Funktionen werden mit einer Messrate von 40 kS/s ermittelt. Für die Min/Max-Werte ist das besonders hilfreich. 

Unsere IO-Link-Sensoren arbeiten mit einer hohen Messrate und unterstützen den schnellen IO-Link-COM3-Standard. 

HBK nutzt die COM3-Übertragungsrate und somit die schnellstmögliche Datentransferrate für IO-Link überhaupt. Intern arbeitet das Verstärkermodul mit 40 kS/s, sodass sogar hochdynamische Signale im Peak-Wert-Speichern korrekt gespeichert werden.

Diese Frage hat zwei Aspekte.

Zum Ersten beträgt die Signallaufzeit in der HBK-Elektronik maximal 350 µs. Das bedeutet, dass ein physikalisches Ereignis (eine Signaländerung) am Eingang des Verstärkers nach 0,35 ms am Ausgang des Verstärkermoduls zur Verfügung steht.

Die vom Master vorgegebene Zykluszeit ist ein wichtiger Parameter zur Bestimmung der maximalen Signallaufzeit. Wenn wir davon ausgehen, dass der Master mit einer Zykluszeit von 2 ms arbeitet, ergäbe das eine maximale Latenzzeit von 2,35 ms bis das Signal zur weiteren Verarbeitung im IO-Link-Master zur Verfügung steht.

Die Ausgabe an den digitalen Schaltausgängen wird nur durch die Latenz des Verstärkermodul bestimmt: hier beträgt die Laufzeit 0,35 ms. Hinweis: Filter verlängern die Signallaufzeit.

Zum Zweiten hängt die Bandbreite der Messkette von der Steifigkeit des Sensors, den Installationsbedingungen (gekoppelte Massen, Steifheit der Krafteinleitung) und der Anzahl der Messwerte pro Zeiteinheit ab. Das Verstärkermodul kann Zykluszeiten von unter 1 ms erfassen. Das bedeutet, dass 1 kS/s übermittelt werden können. Eine Faustregel besagt, dass die Bandbreite der Messung ca. 1/10 der Messrate entspricht, daher ist eine Bandbreite von 100 Hz erreichbar. Die Zykluszeit wird vom IO-Link-Master festgelegt.

Die Bandbreite, die für den Speicher für Maximal-/Minimalwert ausschlaggebend ist, ist erheblich größer. Die interne Messrate des Moduls beträgt 40 kHz. Das entspricht einer internen Bandbreite von 4 kHz.

Die IO-Link-Schnittstelle kann in alle gängigen Feldbus-Architekturen integriert werden und ihre Inbetriebnahme ist kinderleicht!

Ein IO-Link-Master dient als Hub, an den die einzelnen IO-Link-Sensoren über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung angeschlossen sind. IO-Link-Master dienen als Gateway-Module, die in die Automatisierungsebene integriert werden können. IO-Link-Master sind für alle gängigen Feldbus- und Industrial-Ethernet-Protokolle verfügbar. Mit anderen Worten können Kraftaufnehmer, Wägezellen und Drehmomentaufnehmer sowie viele andere Sensoren oder Aktoren jetzt schnell und effizient zusammen mit der IO-Link-Schnittstelle an die Steuersystemarchitekturen von Kunden angebunden werden.

IO-Link Sensoren verwenden preiswerte, ungeschrimte Kabel für eine sichere und störungsfreie Datenübertragung (bei 24 V Signalpegel) und Spannungsversorgung. Das sehr flexible Kabel hat keinen mechanischen Einfluss auf die Messung, auch bei sehr geringen Lasten.  Aufgrund der fehlenden Schirmung sind die Gehäuse der HBK IO-Link-Sensoren und des IO-Link-Master galvanisch voneinander getrennt.

Ja. Für die digitalen IO-Link-Kraft- und Drehmoment-Sensoren sind im akkreditierten HBK-Labor dieselben Dienstleistungen verfügbar, wie für die analogen Sensoren. Die von ISO 9001 geforderte, messtechnische Rückführbarkeit der Messgeräte ist daher gewährleistet.

HBK verfügt über ein nach ISO 17025 akkreditiertes Kalibrierlabor. Die Kalibrierung bei HBK erfüllt die Anforderungen der relevanten Qualitätsnormen, einschließlich ISO 9001. Digitale Sensoren werden auf demselben Gerät kalibriert, das auch für analoge Sensoren verwendet wird. Das heißt, dass Kunden, die sich für IO-Link als Schnittstelle entschieden haben, von der außergewöhnlich hohen Messgenauigkeit der Kraft- und Drehmoment-Kalibrieranlagen von HBK profitieren.

Beim Kalibrierverfahren gibt es leichte Unterschiede.

Zuerst werden die gespeicherten Linearisierungsdaten ausgelesen und gespeichert. Das gilt sowohl für die gespeicherten Koeffizienten einer Kompensationsfunktion als auch für beliebige Interpolationspunkte, die u. U. eingegeben wurden.

Danach werden alle Linearisierungskoeffizienten oder Interpolationspunkte gelöscht und die Linearisierungsfunktion deaktiviert. Der Verstärker arbeitet linear.

Zum Schluss durchläuft der Sensor eine Kraft- oder Drehmomentserie und die Linearisierungskoeffizienten werden bestimmt und in den Sensor eingespeist.

Die Kalibrierung erfolgt standardisiert, gemäß Kundenanforderungen und in Übereinstimmung mit ISO 376 oder DKDR3-3 für Kraft oder DIN 51309 und VDI/VDE 2646 für Drehmoment. Auch Werkskalibrierzertifikate sind erhältlich.

Der Sensor wird als linearisierte Messkette ausgeliefert. Das Kalibrierzertifikat gibt die Messunsicherheit des Gesamtsystems an. Die Original-Kennlinie wird aus den gespeicherten Koeffizienten berechnet, sodass Ihnen die gesamten Verlaufsdaten des Sensors zur Verfügung stehen.

Kosteneinsparungen, einfache Einrichtung und Kommunikation bis auf die Feldebene. Höhere Messsicherheit im Betrieb – die Vorteile von IO-Link sprechen für sich! 

Der Kostenvorteil ist einer der größten Nutzen. Die IO Link-Technologie macht den Verstärker im Schaltschrank überflüssig und spart dadurch Kosten. Auch der finanzielle Aufwand für die Verkabelung ist durch Verwendung von Standardkabeln für IO-Link erheblich geringer. Des Weiteren entfällt die zeitaufwändige Parametrisierung der konventionellen Messkette. IO-Link-Sensoren geben Messwerte direkt in den entsprechenden physikalischen Einheiten (N, kg, Nm usw.) aus. Eine zeitaufwändige Parametrisierung ist nicht erforderlich.

Die digitale Signalübertragung ist weniger störanfällig als eine analoge Signalübertragung auf nidriegem Signalniveau, wobei der Sensor Belastungen und Temperaturen kontinuierlich überwacht und Alarm schlägt, bevor es zu Schäden kommt.

Die Möglichkeit, von der Steuerungsebene direkt mit der Schnittstelle im Prozess und dem Sensor zu kommunizieren ist selbstverständlich hilfreich.

IO-Link-Sensoren von HBK mit einer IO-Link-Schnittstelle erreichen eine sehr hohe Präzision für den industriellen Einsatz.

Mit der integrierten Linearisierungsfunktion können die Sensoren Kennlinienfehler reduzieren. Bei IO-Link-Kraftsensoren kann beispielsweise die Abweichung der Kennwerte für Zug/Druck korrigiert werden, was die Messgenauigkeit erhöht.

Das IO-Link-Verstärkermodul hat ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis und die digitale Signalübertragung verhindert Kabeleinflüsse. Insgesamt verhelfen diese smarten Sensoren industriellen Standardanwendungen zu mehr Messgenauigkeit.

Nein. Durch den Einsatz der IO-Link-Schnittstelle kann HBK intelligente Prozessalgorithmen in Sensoren für mechanische Messgrößen, wie Kraft-, Gewichts- und Drehmomentsensoren integrieren. Das ermöglicht eine standardisierte Inbetriebnahme für Kunden - für mehr Komfort und Effizienz.

Ursprünglich im Bereich der schaltenden Sensoren angesiedelt, hat sich die IO-Link-Technologie in den letzten Jahren als Branchenstandard für digitale Sensoren etabliert. In jüngerer Vergangenheit wurden auch Messaufnehmer und Bedienelemente wie Aktoren zunehmend mit IO-Link-Technologie ausgestattet. Auf Basis leistungsstarker Mikroelektronik ist es jetzt möglich, die domänenspezifischen Algorithmen von HBK direkt in die Sensorelektronik zu integrieren:

• Filter (Bessel, Butterworth, mehrstufige Filterkaskaden)
• Linearisierungsfunktionen (Tabelle/Polynom)
• Kompensationsalgorithmen
• Sensor-Health-Monitoring (Verfolgung der mechanischen Einflussgrößen im Sensor)
• Prozessalgorithmen (Filler, Checkweigher, Min/Max, Grenzwertschalter, Leistungsberechnungen für Drehmomentsensoren und mehr)

Dadurch kann der Sensor umfangreiche Messdaten aufbereiten und Prozesse steuern. Die IO-Link-Schnittstelle dient jetzt als Kommunikations-Schnittstelle, um diese vorab berechneten Ergebnisse, die wertvollen Zusatzinformationen (Alarme, Ereignisse) und die Messwertdaten mittels einer kostengünstigen und universell einsetzbaren Technologie zu übertragen. IO-Link ist die perfekte Kommunikations-Schnittstelle für intelligente Sensoren im Bereich physikalischer und mechanischer Größen, wie Kraft, Gewicht und Drehmoment.

Das neue Verstärkermodul weist eine Vielzahl an Merkmalen und Funktionen auf, die die Effizienz und Leistung Ihrer Wägeanwendungen signifikant erhöhen:

• Zweipunktskalierung oder prozessbegleitende Justierung (Kalibrierung/Teach-In)
• Zwei Grenzwertschalter
• Bis zu fünf Filterstufen kaskadierbar: FIR, IIR und Kammfilter sowie gleitender Mittelwert
• Integrierte Filler- und Checkweigher-Algorithmus                                         
• Ein fester digitaler Schaltausgang, ein optionaler Schaltausgang
• Überwachung des Sensorzustands: Warnung bei kritischen Betriebszuständen (statische und dynamische Überlasten, Temperaturen außerhalb der Toleranz)
• Statistikfunktionen (Maximum, Minimum, Peak-Peak)

Zweipunktskalierung und Kalibrierassistent

Eine Zweipunktskalierung kann manuell eingegeben und gespeichert werden. Außerdem gibt es einen Kalibrier-/Teach-In-Assistenten, mit dessen Hilfe die Kalibrierung mit Referenzgewichten möglich ist.

Filter für Wägeanwendungen

Bis zu fünf Filter können in einer Filterkaskade verwendet werden. In der Anfangsphase können FIR- und IIR-Filter definiert werden, um die Übergangsfunktion und ein stabiles Messsignal zu erhalten. Zum Herausfiltern unerwünschter periodischer Störfrequenzen können darüber hinaus bis zu vier Stufen von Kammfiltern und/oder Gleitende-Mittelwert-Filtern hinzugefügt werden.

Zwei Grenzwertschalter

Die Grenzwertschalter sind anhand der technischen Daten des intelligenten IO-Link-Sensorprofils programmiert. Zusätzlich zum Grenzwert können Sie eine Hysterese definieren, wenn Ihr Prozess dies erfordert. Der sogenannte „Window-Modus“ ist ebenfalls verfügbar. Dabei wird ein Grenzwertschalter aktiviert, wenn der gemessene Wert innerhalb eines von Ihnen definierten Bereichs liegt, zum Beispiel zwischen 1 kg und 1,8 kg.

Beide Schalter können invertiert werden.

Anwendungsspezifische Prozessalgorithmen

IO-Link-Wägezellen von HBK bieten integrierte Filler- und Checkweigher Algorithmen.

Mit dem Filler Algorithmus können einfache und komplexe Abfüllprozesse gesteuert werden. Der Algorithmus optimiert und regelt die Zeitsteuerung von Grob- und Feinstrom sowie die Feinstromabschaltzeit und die Nachstromzeit. Mit diesem Algorithmus fungiert die IO-Link-Wägezelle als dezentrale Prozesssteuerung zur Umsetzung effizienter und stark optimierter Abfüllanwendungen.

Der Checkweigher Algorithmus erlaubt eine optimierte und schnelle Messung aller gängigen industriellen Checkweighing Anwendungen. Pre- und Post-Triggerung können definiert und von außen über IO-Link an die Wägezelle übermittelt werden. In Kombination mit einer optimierten Filtereinstellung sind so schnelle und äußerst genaue Messungen möglich.

Ein fester digitaler Schaltausgang, ein konfigurierbarer Schaltausgang

Ein Digitalausgang ist immer verfügbar, damit Ergebnisse am digitalen Schaltausgang schnell abgerufen werden können.

Sie können die Übertragung der IO-Link-Kommunikation deaktivieren und den SIO-Modus aktivieren. Die jetzt freigewordene Leitung dient als zweiter Digitalausgang. Beide dezentralen Ein-/Ausgabesysteme (DIOs) können zur Prozesssteuerung der integrierten Filler- und Checkweigher Algorithmen sowie der Grenzwertschalter genutzt werden.

Überwachung des Sensorzustands: Warnung bei kritischen Betriebszuständen (statische und dynamische Überlasten, Temperaturen außerhalb der Toleranz)

Während der Fertigung werden alle wichtigen Sensoreigenschaften im Verstärkermodul gespeichert:

• Höchste/niedrigste Betriebstemperatur
• Grenztemperatur der Elektronik
• Grenztemperaturen des Prozessors
• Höchste/niedrigste Nennbelastung
• Maximale/minimale Betriebslast
• Höchste/niedrigste Nenntemperatur
• Maximaler Peak-Peak-Wert (Amplitude)

Die Elektronik vergleicht die Lastwerte kontinuierlich mit den Grenzwerten und meldet alle Überschreitungen, damit entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können.