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Foto: Pepperl+Fuchs
Für den zuverlässigen Einsatz in IIoT- und Industrie-4.0-Umgebungen sind vor allem neue Entwicklungen in den Bereichen Schnittstellen, Software und robuste Kommunikation wichtig.

Sensorik

Robuste und zuverlässige Kommunikation für das IIoT

Welche Anforderungen werden an Sensoren für IIoT-Anwendungen gestellt und welche robusten, zuverlässigen Kommunikationslösungen eignen sich hier besonders?

Industrielle Automation braucht seit jeher robuste und zuverlässige Sensoren, für das IIoT und die Industrie 4.0 kommen noch Anforderungen an Kommunikationsfähigkeit und integrierte Intelligenz hinzu. Softwaregestützte Technologie verleiht den Geräten außerdem zusätzliche Flexibilität im Einsatz und erlaubt vereinfachte Handhabung. Die neuen Ultraschallsensoren der Serie UC18GS von Pepperl+Fuchs ermöglichen mit der IO-Link-Schnittstelle die Anbindung an IIoT-Umgebungen. Für umfassenden Datenaustausch und flexible Konfiguration stehen standardisierte Kommunikationsprotokolle zur Verfügung. Die bewährte Ultraschalltechnologie gewährleistet zuverlässige Leistung in unterschiedlichsten Anwendungen.

Äußerst robustes und vielfach bewährtes Messprinzip

Das Messprinzip der Ultraschallsensorik ist ausgesprochen robust und unempfindlich gegen Störeinflüsse. Die Geräte senden kurze Schallimpulse und ermitteln per Laufzeitmessung aus dem Echo die Entfernung zum Zielobjekt. Die sogenannte Schallkeule trifft nicht auf einen einzelnen Punkt, sondern auf einen flächigen Messbereich. Damit lassen sich auch unregelmäßige und bewegte Oberflächen zuverlässig abbilden. Optische Eigenschaften wie Form, Farbe, transparente oder spiegelnde Oberflächen spielen keine Rolle. Das gilt ebenso für Staub, Nebel oder Dämpfe.

Auch andere äußere Einflüsse können die Messung nicht beeinträchtigen. Die Geräte sind bauartbedingt unempfindlich gegen Feuchtigkeit, Spritzwasser und Schmutz. Ihre schallemittierende Oberfläche vibriert ständig. Sie „schüttelt“ damit trockene und flüssige Anhaftungen einfach ab. Filmbildende Anhaftungen, die dem widerstehen können, stören die Funktion der Sensoren nicht. Diese Eigenschaften verleihen den Geräten eine fast universelle Einsatzfähigkeit für ganz unterschiedliche Aufgaben, von der Objekterkennung bis zur millimetergenauen Füllstandmessung.

Erweiterte Kommunikation durch spezifische Anpassung

Bei der neuen Produktserie UC18GS werden die bauartbedingten Stärken durch eine Reihe zusätzlicher Features ergänzt, die bei Konfiguration und Kommunikation neue Möglichkeiten schaffen. Die Schallkeule des Sensors lässt sich sehr einfach an spezifische Erfordernisse der jeweiligen Anwendung anpassen. Dabei wird, anders als bei herkömmlichen Ultraschallgeräten, die Länge des Messbereichs nicht beeinträchtigt. Die UC18GS-Sensoren weisen zudem eine besonders kurze Blindzone auf. Sie beträgt 30 mm bei Geräten mit einer Reichweite von 500 mm und 70 mm bei 1.000 mm Reichweite.

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Schnittstellen und Software für IIoT und Industrie4.0

Für den Einsatz in IIoT- und Industrie-4.0-Umgebungen spielen vor allem die Neuerungen in den Bereichen Schnittstellen, Software und Kommunikation eine wichtige Rolle. Über die IO-Link- oder die Infrarot-Schnittstelle (IrDA) können die Sensoren auch ohne physischen Kontakt mittels DTM/PACTware umfassend konfiguriert, parametriert und programmiert werden. Daneben stehen auch die gewohnten Drucktasten am Gerät zur Verfügung. Die beiden Kommunikationskanäle lassen sich zudem für Analyse und Wartung sowie für den Zugriff auf die Daten im laufenden Prozess nutzen.

Die IO-Link-Schnittstelle folgt dem Standard IEC 61131-9. Als offene, herstellerunabhängige Technologie ist sie inzwischen weltweit verbreitet und kann mit jedem verfügbaren Feldbus kommunizieren. Sie hat sich als Grundlage für eine reibungslose Integration von Feldgeräten in IIoT-Umgebungen sowie Industrie-4.0-Anwendungen bewährt. Die IO-Link-Schnittstelle schafft eine Datenverbindung für die bidirektionale Kommunikation mit dem Sensor, welche die Anlagensteuerung unberührt lässt. Mit IO-Link ausgestattete Geräte können so von der Steuerung aus konfiguriert werden. So lassen sich Änderungen an Abläufen sehr schnell und mit minimierten Stillstandzeiten ausführen. Individualisierte Produktion bis zur Losgröße 1 rückt in den Bereich des Möglichen.

Praxisbeispiel: zuverlässige Objekterkennung in Abfüllanlagen

Abfüllanlagen für Flüssigkeiten, etwa in der Getränkeindustrie, arbeiten in der Regel mit großem Durchsatz und hochgradig automatisiert: Leere Gebinde fahren in sogenannten Flaschengassen zur Füllstation. Ob sie an der gewünschten Endposition ankommen, wird für jede Gasse gesondert überwacht. Nur wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, darf mit der Zuführung zur Abfüllstation der nächste Schritt aktiviert werden. Meistens sind mehrere Gassen unmittelbar nebeneinander angeordnet, daher arbeiten in den Maschinen entsprechend viele Sensoren gleichzeitig auf engem Raum.

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Foto: Pepperl+Fuchs Beispiel für eine Abfüllanlage

Optische Sensoren würden hier an ihre Grenzen stoßen

Unterschiedliche Farben der Gebinde, spiegelnde Oberflächen, transparentes Material oder unregelmäßige Konturen können Lichtsensoren große Schwierigkeiten bereiten, während sie für Ultraschallsensoren ohne Belang sind. Diese detektieren die Anwesenheit der Behälter an den Endpositionen auch bei hoher Maschinengeschwindigkeit und ständiger Vibration zuverlässig. Variierende Konturen und prozesstypische Positionsabweichungen werden toleriert, weil die Schallkeule flächig auftrifft und einen größeren Bereich erfasst.

Die integrierte automatische Synchronisierung verhindert, dass sich mehreren Geräten auf engem Raum in die Quere kommen. Die Schallsignale von bis zu zehn Sensoren werden getaktet und aufeinander abgestimmt, sodass jedes Gerät ungestört messen kann. Eine gesonderte Parametrierung ist nicht nötig.

Praxisbeispiel: Differenzierte Füllstandmessung

Die Fähigkeiten der UC18GS-Sensoren bieten auch für die automatische Überwachung von Füllständen große Vorteile. Bei Flüssigkeiten kann der Pegel durch Vibration sowie beim Auffüllen oder Anzapfen des Behälters in unregelmäßige Bewegung geraten; Granulate bilden Schüttkegel und Trichter. In beiden Fällen ermöglicht das flächige Auftreffen der Schallkeule die Ermittlung valider Mittelwerte. Zudem können ins Messfeld hineinragende Objekte wie Streben oder Leitern per Software (PACTware) ausgeblendet werden. Die Messung bleibt auch im Bereich der ausgeblendeten Störgrößen zuverlässig.

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Foto: Pepperl+Fuchs Störzielausblendung

Der Durchmesser der Schallkeulen ist variabel und lässt sich sowohl an den gewünschten Zielbereich sowie an unterschiedliche Behälterformen anpassen. Wegen der kompakten Bauweise der UC18GS-Sensoren genügt für den Einbau eine kleine Öffnung im Tankdeckel. Mit der Schutzart IP67 bieten die Geräte die Gewähr, dass die Messung auch unter sehr rauen industriellen Bedingungen nicht beeinträchtigt wird.

Foto: Baumer

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Foto: L.B. Bohle Maschinen + Verfahren

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