Aansluitingen voor besturing:communicatie-interfaces voor positie- en bewegingssensoren

Communicatie-interfaces vormen de allerbelangrijkste schakel tussen sensoren (de 'zenuwen' van een besturingssysteem) en de controllers (het 'brein'). Er is een indrukwekkende verscheidenheid aan communicatietechnologieën geïntroduceerd om deze koppeling te bieden, meestal met functies en mogelijkheden die zijn afgestemd op een bepaald type besturingssysteem. Laten we eens kijken naar enkele veelgebruikte communicatietechnologieën voor motion control.

Speciale oplossingen voor speciale gevallen

Voor sommige sensoren die feedback geven voor bewegingsbesturing, bepaalt de meettechnologie de communicatie-interface. Incrementele encoders leveren een continue stroom signaalpulsen - één voor elke keer dat de as van de encoder een bepaalde hoeveelheid draait. Ze blinken uit in snelheidsregeling, omdat de controller de rotatiesnelheid nauwkeurig kan bepalen uit het interval tussen pulsen.

Veel incrementele encoders zenden twee uitgangssignalen uit, genaamd A en B, met een faseverschil van 90°, waardoor de controller de draairichting kan bepalen. Sommige geven ook eenmaal per rotatie een Z-signaal af bij een gedefinieerde rotatiehoek. Dit biedt een nauwkeurig referentiepunt.

De verbinding tussen een incrementele encoder en zijn controller moet point-to-point zijn, met een speciale kabel die elke encoder met zijn controller verbindt. Communicatie is meestal gebaseerd op een differentieel signaal dat wordt verzonden via twisted pair-bedrading, waarbij het aantal aderparen in de kabel afhankelijk is van het aantal signalen (A, B en Z).

De uitgangsstuurprogramma's in de encoders moeten compatibel zijn met de interface op de controller - Push-Pull (HTL) of RS-422 (TTL) uitgangsstuurprogramma's worden vaak gebruikt. Deze normen specificeren de signaalspanning.

Absolute positiesensoren

De rest van dit artikel zal zich richten op absolute positiesensoren zoals encoders en inclinometers. Deze apparaten rapporteren een gemeten positie op een bepaald moment in de tijd, hetzij als een spannings-/stroomniveau (analoge encoders) of door een digitaal woord of "telegram" te verzenden (digitale encoders). Deze apparaten zijn ideaal voor toepassingen voor positiecontrole.

Analoge sensoren hebben een lange geschiedenis, waarbij eerdere besturingssystemen gebruik maakten van potentiometers (variabele weerstanden). Meer recent zijn digitale sensoren met ingebouwde D/A-converters geïntroduceerd. Deze zijn verkrijgbaar met spannings- (bijv. 0-5 V) of stroomuitgangen (bijv. 0-20 mA). Ze zijn voorzien van programmeerbare D/A-converters zodat een vooraf bepaald bereik van mechanische beweging (van een fractie van een draai tot meerdere omwentelingen) kan worden ingesteld om het volledige elektrische uitgangsbereik van het systeem te overspannen (bijv. 0-5 V, 0-20 mA ). Dit verbetert de nauwkeurigheid en resolutie over het meest significante bewegingsbereik. Analoge sensoren vereisen point-to-point verbindingen, vaak met relatief dikke draad om de elektrische weerstand te beperken.

Absolute encoders met parallelle bit-interfaces rapporteren metingen als een digitaal woord, met een aparte geleider voor elke bit. Reactie is vrijwel onmiddellijk. De verbinding is point-to-point, meestal via een lintkabel. Omdat dit type kabel relatief omvangrijk en inflexibel is, werken bitparallelle systemen het beste over korte afstanden.

Digitale punt-naar-punt-bedrading

Bij point-to-point-bedrading loopt een speciale kabel van de controller naar elke individuele sensor. SSI (Serial Synchronous Interface) en BiSS (Bidirectionele Serial Synchronous) interfaces voor absolute encoders gebruiken point-to-point bedradingssystemen. Dit zijn digitale interfaces die direct kunnen worden aangesloten op PLC's of andere controllers. SSI-verbindingen bieden een goede snelheid (kloksnelheden tot 2 MHz), hoge resolutie, flexibele bekabeling en betrouwbare communicatie tot een paar honderd meter (hoewel de baudsnelheden worden verlaagd voor langere afstanden). SSI-protocollen bieden basisfoutdetectie (draadbreuk, kortsluiting, gegevensconsistentie).

BiSS is een geavanceerde versie van SSI die realtime communicatie ondersteunt tussen regelapparatuur en sensoren/actuatoren in servomotoren, robots en andere automatiseringssystemen. De interface stelt de controller ook in staat om operationele parameters in slave-apparaten in te stellen. Er zijn verschillende BiSS-varianten, waaronder BiSS C (continue communicatie) en BiSS Line (ontworpen voor configuraties die stroomtoevoer en datatransmissie in één kabel combineren). Open-source SSI- en BiSS-interfacestandaarden zijn niet-eigendom, met gratis licenties.

SSI- en BiSS-communicatie gebruiken point-to-point-verbindingen - meestal RS-422. Verschillende apparaten kunnen in serie worden geschakeld voor efficiëntere kabellay-outs.

Veldbus:bekabelingssystemen met gedeelde toegang

Point-to-point-bedrading werkt goed voor systemen met korte afstanden en een beperkt aantal apparaten, maar naarmate het aantal sensoren toeneemt, kunnen bedradingslay-outs onpraktisch worden. Naarmate geautomatiseerde systemen geavanceerder werden en het aantal aangesloten apparaten groeide, introduceerden verschillende fabrikanten veldbussystemen. Deze functienetwerken zijn gebaseerd op een bustopologie, waarbij meerdere apparaten een gemeenschappelijke bedradingsbackbone delen. Veldbussystemen zijn betrouwbaar, snel en relatief kosteneffectief. Toepassingen variëren van transportbanden en productiefaciliteiten tot mobiele apparatuur, medische apparatuur, windturbines en zonnepanelen.

Het hebben van meerdere apparaten die een gemeenschappelijk communicatiekanaal delen, kan problemen veroorzaken met reactietijden - wanneer het verkeer op de bus zwaar is, kunnen individuele sensoren hun berichten met een onvoorspelbare hoeveelheid tijd vertragen. Om dit te omzeilen, stellen de meeste veldbusontwerpen de operator in staat om apparaten in volgorde van belangrijkheid te rangschikken. Dit helpt ervoor te zorgen dat kritieke berichten voorrang krijgen. De fysieke laag van veldbussystemen is meestal gebaseerd op twisted pair-kabels (bijv. EIA-485).

Populaire veldbusstandaarden zijn onder meer Controller Area Network (CAN) van Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) van Siemens en DeviceNet van Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, dat veel wordt gebruikt in Noord-Amerika, combineert de fysieke CAN-laag met CIP-protocollen (Common Industrial Protocol) op een hoger niveau. SAE J1939, dat gebruik maakt van de CAN-datatransportstandaarden, is geoptimaliseerd voor zware voertuigen.

Netwerken bestaan ​​uit fysieke elementen (draden, connectoren en de elektronische componenten die de signaalstroom regelen) en logische elementen (die betrekking hebben op schema's, communicatieprotocollen, apparaatprofielen, enz. die in software zijn geïmplementeerd). In de wereld van de veldbus gebruiken veel systemen CAN-standaarden om de fysieke aspecten van de netwerken te definiëren, terwijl protocollen op een hoger niveau — zoals CANopen, DeviceNet, J1939, enz. — end-to-end functionaliteit bieden.

Industrieel Ethernet

Industrieel Ethernet gebruikt dezelfde technische onderbouwing als kantoor-Ethernet, maar met verbeteringen die het beter geschikt maken voor zware fabrieksomstandigheden. Schakeleenheden van industriële kwaliteit kunnen robuuste water- en stofdichte behuizingen hebben, terwijl veel apparaten robuuste M12-connectoren gebruiken in plaats van kwetsbaardere RJ45-connectoren.

Er zijn ook belangrijke upgrades van de communicatieprotocollen. Industriële toepassingen — met name motion control — vereisen vaak dat de besturing in realtime werkt, zonder de onvoorspelbare transmissievertragingen (latentie of jitter) die kunnen optreden in gewone Ethernet-netwerken. Industriële Ethernet-systemen zoals Profinet IRT, EtherNet/IP en Ethernet Powerlink pakken dit aan door middel van aangepaste protocolstacks en speciale hardware die kritieke berichten prioriteitstoegang tot netwerkbandbreedte geven. De speciale componenten die nodig zijn om dit te bereiken, kunnen de systeemcomplexiteit en de kosten verhogen.

Opgemerkt moet worden dat hoewel Ethernet een visie biedt op een onbeperkt aantal apparaten en flexibele topologie-opties, problemen met de systeemprestaties — vooral voor realtime motion control-toepassingen — ontwerpcompromissen kunnen vereisen die lokaal verkeer verminderen en directe communicatiepaden bieden voor kritieke componenten.

IO-Link is een goedkoop, eenvoudig te implementeren communicatiesysteem dat is ontworpen om verbindingen tussen veldbus- of industriële Ethernet-netwerken en eenvoudige sensoren of actuatoren op de fabrieksvloer te vereenvoudigen. Aan de ene kant van een IO-Link-mastergatewayapparaat bevindt zich een interface naar het fabrieksbrede netwerk, terwijl de andere kant meerdere point-to-point-verbindingen heeft met individuele sensorapparaten.

De IO-Link-interface voor eindapparaten is relatief eenvoudig, waardoor de ondersteuning van complexe communicatieprotocollen op sensor-/actorniveau niet meer nodig is. IO-Link ondersteunt een verscheidenheid aan gegevenstypen, waaronder meetgegevens, instructies voor apparaatconfiguratie en informatie over bedrijfsconditieparameters zoals temperatuur.

Draadloze communicatie

Draadloze technologieën maken communicatie mogelijk met mobiele machines (bijvoorbeeld autonoom geleide voertuigen) of apparatuur die vaak moet worden verplaatst. Wi-Fi (IEEE 802.11) en Bluetooth zijn veelgebruikte standaarden voor draadloze communicatie over korte afstanden. Er zijn andere standaarden beschikbaar voor communicatie over een groter bereik, hoewel deze mogelijk lagere bitsnelheden hebben. Opkomende 5G-netwerken beloven hoge datasnelheden en lage latentie.

Draadloze communicatie kan minder betrouwbaar zijn dan bekabelde verbindingen in omgevingen met elektrische ruis en is mogelijk niet geschikt voor zeer tijdafhankelijke feedbacksignalen. In het geval van een magazijnrobot kan bijvoorbeeld een draadloos signaal worden gebruikt om de machine te instrueren om materiaal van een bepaalde locatie op te halen. Sensoren voor sturen, snelheidsregeling en het vermijden van aanrijdingen zijn echter meestal vast verbonden met het besturingssysteem om een ​​betrouwbare, onmiddellijke reactie te garanderen.

Open standaarden voor compatibiliteit

Geen enkele leverancier kan de beste apparatuur leveren voor elk onderdeel van een complex automatiseringssysteem en leveranciers van industriële netwerktechnologieën zijn overgestapt van bedrijfseigen netwerksystemen naar het ondersteunen van open (leveranciersneutrale) interface- en netwerkstandaarden. Met deze standaarden kunnen kopers van motion control-apparatuur mixen en matchen met standaard gecertificeerde componenten van verschillende leveranciers in de verwachting dat alles zal samenwerken.

Belangrijke organisaties voor industriestandaarden zijn de Open Device Vendors Association , sponsors van DeviceNet- en Ethernet/IP-standaarden; de CAN in Automation Association , sponsors van de CANopen-protocollen; en Profibus Nutzerorganisatie , sponsors van Profibus- en Profinet-interfaces.

Dit artikel is geschreven door Christian Fell, General Manager bij FRABA Inc., Hamilton, NJ. Ga voor meer informatie naar hier .