Technische Information. Drahtfreie Näherungsschalter. Funktionsbeschreibung

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1 Technische Information Drahtfreie Näherungsschalter G3 Funktionsbeschreibung

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3 G 3 Funktionsbeschreibung Technische Information 1 Drahtfreie Näherungsschalter Induktive Näherungsschalter sind heute ein selbstverständlicher Bestandteil bei der Steuerung von Maschinen aller Art. Berührungsfrei und zuverlässig signalisieren sie beispielsweise der Steuerung die erfolgte Ausführung von Maschinenbewegungen. Da induktive Näherungsschalter ausschließlich Metall detektieren, sind sie recht unempfindlich gegen Verschmutzung und liefern kaum Fehlsignale. Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass induktive Näherungsschalter aufgrund des vielfältigen Angebots einfach in Maschinen zu integrieren wären und mit sehr hoher Zuverlässigkeit arbeiteten, wären da nicht die Kabel, über die sie elektrische Energie erhalten und ihre Signale an die Maschinensteuerung übertragen. Genau hier setzt das vollkommen neue Konzept drahtfreier Näherungsschalter an: Sowohl die Energieversorgung des Sensors als auch die Informationsübertragung zur Maschinensteuerung erfolgt ohne Kabel, also drahtfrei. 2 Energiequelle: Ein elektromagnetisches Feld Die Energieübertragung erfolgt nach dem Prinzip des kernlosen Transformators: Zwei Spulenpaare, sogenannte Primärschleifen, an je zwei gegenüberliegenden Seiten einer Fertigungszelle angebracht erzeugen ein unmoduliertes, rotierendes elektromagnetisches Feld von 120 khz. Die zugehörigen Signale kommen aus zwei Stromversorgungen, die in Resonanz arbeiten und über ein Synchronisationskabel miteinander verbunden sind. Die Primärschleifen werden durch eine Hochfrequenzlitze gebildet, die in ein oder zwei Windungen entlang des Gitters der Fertigungszelle aufgespannt oder in Installationsrohr verlegt wird. Dabei sind Größen von 1 x 1 m² bis 3 x 6 m² realisierbar. Proportional zur Größe der Primärschleifen kann der Abstand zweier gegenüberliegender Primärschleifen zwischen 1 m und 3 m betragen. Auf diese Weise entstehen Volumina zwischen 1 x 1 x 1 m³ und 3 x 6 x 3 m³. Zum Energieempfang sind die drahtfreien Näherungsschalter mit Ferritwürfeln ausgestattet, die in drei Richtungen mit je einer Spule umwickelt sind. Ergänzt um eine Gleichrichterschaltung und einen Spannungsregler entsteht auf diese Weise ein ungerichteter Energieempfänger, der unabhängig von der Orientierung des Sensors im elektromagnetischen Feld eine sichere Energieversorgung gewährleistet. 3 Kommunikation: Adaptierte Bluetooth-Technologie Grundlage für die Hardware der Kommunikation ist die Bluetooth-Technologie im 2,4 GHz ISM-Band. Allerdings stellt die Datenübertragung von Näherungsschaltern zur Maschinensteuerung ganz andere Anforderungen als die meisten Bluetooth-Anwendungen, in denen große Datenmengen weniger zeitkritisch übertragen werden: Der Datenumfang eines induktiven Näherungsschalters beträgt nur wenige Bit, die dafür äußerst schnell und zuverlässig zur Maschinensteuerung gesendet werden müssen. Deshalb wurde das Kommunikationsverfahren für die drahtfreien Näherungsschalter von Grund auf neu entwickelt. Das Herz eines Netzwerks drahtfreier Näherungsschalter bildet ein sogenanntes Eingabemodul, das eingangsseitig mit einer Sende- und einer Empfangsantenne verbunden wird und über einen ABB- Feldbusstecker mit der Maschinensteuerung kommuniziert. Am Eingabemodul kann einer von mehreren Frequenzsätzen im 2,4 GHz ISM-Band für die Kommunikation ausgewählt werden. Jede Frequenz ist in Zeitfenster unterteilt, so daß ein Eingabemodul mit bis zu 120 drahtfreien Näherungsschaltern kommunizieren kann. Um den hohen Anforderungen an Übtragungsgeschwindigkeit und -zuverlässigkeit selbst in der Nähe anderer Funkübertragungssysteme und weiterer möglicher Störquellen gerecht zu werden, ist das Eingabemodul für Vollduplex-Betrieb (paralleles Senden- und Empfangen) ausgelegt. Es kann gleichzeitig Signale mit sehr unterschiedlichen Feldstärken (im Verhältnis bis 1 zu ) verarbeiten und verfügt über eine besondere Interferenzunterdrückung. Um gegen Störungen durch andere Funkübertragungssysteme im gleichen Frequenzbereich geschützt zu sein, verfügen das Eingabemodul und die drahtfreien Näherungsschalter über ein besonderes Frequenzsprungverfahren, das einen periodischen Frequenzwechsel veranlasst. Mit der zyklischen Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsantenne des Eingabemoduls wird die Kommunikationssicherheit zusätzlich erhöht. Drahtfreie Näherungsschalter / Stand: Funktionsbeschreibung 3

4 Funktionsbeschreibung Technische Information G 3 Die Summe dieser Kommunikationsverfahren sorgt dafür, dass die Signale eines drahtfreien Näherungsschalters selbst unter ungünstigen Empfangsbedingungen typischerweise in weniger als 10 ms vom Eingabemodul empfangen werden. Ein Novum gegenüber konventionellen Näherungsschaltern, deren Defekt üblicherweise erst wahrgenommen wird, wenn die Maschinensteuerung ihr Signal erwartet, ist die Präsenzmeldung der drahtfreien Näherungsschalter zweimal pro Sekunde, solange keine Signaländerung vorliegt. So lässt sich der Defekt eines Näherungsschalters in kürzester Zeit detektieren. 4 Sensor: Low-Power-Technologie Die Versorgung des drahtfreien Näherungsschalters über ein elektromagnetisches Feld lässt sich nur dann praxisgerecht realisieren, wenn im Sensor die empfangene Energie so sparsam wie möglich eingesetzt wird: Im Mittel haben die drahtfreien Näherungsschalter eine Leistungsaufnahme von wenigen Milliwatt. Gut drei Viertel der Betriebsenergie ist für die sichere Datenübertragung erforderlich. Folgerichtig befindet sich der Sender/empfänger, solange er keine Signaländerung oder Präsenzmeldung absetzen muss, in einem äußerst verbrauchsarmen Bereitschaftsbetrieb. Zur Signalübertragung wird es stufenweise aktiviert. Dieser Vorgang einschließlich der Signalübertragung benötigt gerade einmal 2 ms. Drahtfreie Näherungsschalter sind mit ihrem Energiehaushalt für die Übertragung von bis zu fünf Signaländerungen pro Sekunde ausgelegt, was einer Schaltfrequenz von 2,5 Hz entspricht. Diese Schaltfrequenzb kombiniert mit der raschen Übertragung an das Eingabemodul prädestiniert sie für den Einsatz in Montagemaschinen und Fertigungsstraßen. 5 Sortiment: M8x1 bis M30x1,5 Drahtfreie Näherungsschalter sind zweiteilig aufgebaut: Für die Metalldetektion stehen Sensorköpfe von M8x1 bis M30x1,5 in bündiger und nicht bündiger Ausführung zur Verfügung. Damit lassen sich Nennschaltabstände zwischen 1,5 mm und 15 mm realisieren. Für die Energieversorgung, Signalübertragung und Mensch-Maschine-Kommunikation gibt es ein für alle Sensorköpfe gleiches Kommunikationsmodul. Das Kommunikationsmodul wird mit einem M12x1-Stecker und Überwurfmutter wie gewohnt an einen der Sensorköpfe angeschlossen. 6 Bedienung: Einfach und übersichtlich Drahtfreie Näherungsschalter sind, sobald sie sich im elektromagnetischen Feld befinden, unabhängig von einem Eingabemodul in der Lage, Metallobjekte zu detektieren und zeigen dies mit der gelben LED auf der Bedienseite des Kommunikationsmoduls an. Um diese Information an eine Maschinensteuerung zu übertragen, muss der fabrikneue Näherungsschalter einem Eingabemodul zugeordnet werden. Das geschieht in drei einfachen Schritten:! Der Anwender schaltet das Eingabemodul in den Konfigurationsmodus.! Er wählt einen freien Eingang.! Er betätigt den Folientaster des entsprechenden drahtfreien Näherungsschalters. Daraufhin nimmt der drahtfreie Näherungsschalter über eine Konfigurationsfrequenz, auf die alle Geräte im Auslieferungszustand eingestellt sind, Verbindung mit dem Eingabemodul auf und empfängt seine individuelle Frequenz-/Zeitfenster-Kombination für den Betrieb. Die Übernahme dieser Daten wird dem Bediener durch das Aufleuchten der grünen LED am Kommunikationsmodul signalisiert. Damit ist die Konfiguration des drahtfreien Näherungsschalters abgeschlossen. Im Betrieb informiert die grüne LED den Anwender auf Tastendruck über den Zustand des Näherungsschalters. Eine sogenannte Wink-Funktion sowohl vom drahtfreien Näherungsschalter zum Eingabemodul als auch umgekehrt garantiert, dass sich die einzelnen Näherungsschalter (via LED-Signal) und die sechzig Eingänge des Eingabemoduls (via Anzeige im LCD-Display) auf Tastendruck eindeutig einander zuordnen lassen. Am Eingabemodul erscheint eine Sammelanzeige, sobald von mindestens einem konfigurierten Näherungsschalter keine Präsenzmeldungen mehr empfangen werden. Auf diese Weise ist der Anwender weitaus zuverlässiger über die einwandfreie Funktion der drahtfreien Näherungsschalter informiert, als das bei konventionellen Sensoren der Fall ist. Diese Informationen lassen sich in der Maschinensteuerung verarbeiten und stehen an deren Bedienpanels zur Diagnose zur Verfügung. 4 Funktionsbeschreibung Drahtfreie Näherungsschalter / Stand:

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