Besturingssystemen Verbinden: Betrouwbare Communicatie-interfaces voor Positie- en Bewegingssensoren

Communicatie-interfaces voorzien de cruciale link tussen sensoren (de "zenuwen" van een besturingssysteem) en controllers (de "hersenen"). Een indrukwekkende verscheidenheid aan communicatietechnologieën is geïntroduceerd om deze link te voorzien, meestal met functies en mogelijkheden afgestemd op een bepaald type besturingssysteem. Laten we eens kijken naar enkele wijd gebruikte communicatietechnologieën voor beweegbesturing.

Speciale Oplossingen voor Speciale Gevallen

Voor sommige sensoren die terugkoppeling leveren voor beweegbesturing, zal de meettechnologie de communicatie-interface dicteren. Incrementale encoders leveren een continue stroom signaalpulsen — één voor elke keer dat de as van de encoder een bepaald bedrag roteert. Ze blinken in snelheidsregeling, aangezien de controller de rotatiesnelheid nauwkeurig kan bepalen uit het interval tussen pulsen.

Veel incrementale encoders transmitteren twee uitgangssignalen, A en B genoemd, met een 90° faseverschil, wat de controller in staat stelt de rotatierichting te bepalen. Sommige leveren ook een Z-signaal één keer per rotatie op een gedefinieerde rotatiehoek. Dit biedt een precies referentiepunt.

De verbinding tussen een incrementale encoder en zijn controller moet point-to-point zijn, met een toegewezen kabel die elke encoder met zijn controller verbindt. Communicatie is meestal gebaseerd op een differentieel signaal over twisted pair bedrading, met het aantal geleiderparen in de kabel afhankelijk van het aantal signalen (A, B, en Z).

De uitgangsdrivers in de encoders moeten compatibel zijn met de interface op de controller — Push-Pull (HTL) of RS-422 (TTL) uitgangsdrivers worden veel gebruikt. Deze standaarden specificeren signaalspanning.

Absoluut Positie Sensoren

De rest van dit artikel zal zich richten op absolute positie sensoren zoals encoders en inclinometers. Deze apparaten melden een gemeten positie op een specifiek moment in tijd, ofwel als een spanning/stroom niveau (analoge encoders) of door een digitaal woord of "telegram" te transmitteren (digitale encoders). Deze apparaten zijn ideaal voor positiecontrole toepassingen.

Analoge sensoren hebben een lange geschiedenis, met eerdere besturingssystemen die potentiometers (variabele weerstanden) gebruikten. Recenter zijn digitale sensoren met ingebouwde D/A converters geïntroduceerd. Deze zijn beschikbaar met ofwel spanning (bijv., 0-5 V) of stroom (bijv., 0-20 mA) uitgangen. Ze hebben programmeerbare D/A converters zodat een vooraf bepaald bereik van mechanische beweging (alles van een fractie van een draai tot meerdere omwentelingen) ingesteld kan worden om het volledige elektrische uitgangsbereik van het systeem te bespannen (bijv., 0-5 V, 0-20 mA). Dit verbetert nauwkeurigheid en resolutie over het meest significante bereik van beweging. Analoge sensoren vereisen point-to-point verbindingen, vaak met relatief dikke draad om elektrische weerstand te beperken.

Absoluut encoders met bit-parallele interfaces melden metingen als een digitaal woord, met een afzonderlijke geleider voor elk bit. Respons is virtueel direct. De verbinding is point-to-point, typisch via een lintkabel. Aangezien dit type kabel relatief bulky en onbuigzaam is, werken bit-parallele systemen het best over korte afstanden.

Digtale Point-to-Point Bedrading

Bij point-to-point bedrading loopt een toegewezen kabel van de controller naar elke individuele sensor. SSI (Serial Synchronous Interface) en BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) interfaces voor absolute encoders gebruiken point-to-point bedradingssystemen. Dit zijn digitale interfaces die direct met PLC's of andere controllers kunnen verbinden. SSI verbindingen bieden goede snelheid (kloksnelheden tot 2 MHz), hoge resolutie, flexibele bekabeling, en betrouwbare communicatie tot een paar honderd meter (hoewel baud rates gereduceerd worden voor langere afstanden). SSI protocollen bieden basis foutdetectie (gebroken draad, kortsluiting, data consistentie).

BiSS is een geavanceerde versie van SSI die real-time communicatie ondersteunt tussen besturingapparaten 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 inclusief BiSS C (continue communicatie) en BiSS Line (ontworpen voor configuraties die stroomlevering en data transmissie in een enkele kabel combineren). Open-source SSI en BiSS interface standaarden zijn non-propriëtair, met gratis licenties.

SSI en BiSS communicatie gebruiken point-to-point verbindingen — typisch RS-422. Verschillende apparaten kunnen in een daisy-chain samen geschakeld worden voor efficiëntere kabelindelingen.

Fieldbus: Gedeelde Toegang Bedradingssystemen

Point-to-point bedrading werkt goed voor systemen met korte afstanden en een beperkt aantal apparaten maar naarmate het aantal sensoren toeneemt, kunnen bedradingsindelingen onhandelbaar worden. Naarmate geautomatiseerde systemen geavanceerder werden en het aantal aangesloten apparaten groeide, introduceerden verschillende fabrikanten fieldbus systemen. Deze systemen hebben netwerken gebaseerd op een bus-topologie, met meerdere apparaten die een gemeenschappelijke bedradingsbackbone delen. Fieldbus systemen zijn betrouwbaar, snel, en relatief kosteneffectief. Toepassingen variëren van transporteurs en productiefaciliteiten tot mobiele apparatuur, medische apparatuur, windturbines, en zonnepanelen.

Het hebben van meerdere apparaten die een gemeenschappelijke communicatiekanaal delen kan problemen veroorzaken met responstijden — wanneer verkeer op de bus zwaar is, kunnen individuele sensoren hun berichten vertraagd zien door een onvoorspelbaar bedrag. Om dit te omzeilen, laten de meeste fieldbus ontwerpen de operator toe om apparaten in volgorde van belangrijkheid te rangschikken. Dit helpt ervoor te zorgen dat kritieke berichten prioriteitsbehandeling krijgen. De fysieke laag van fieldbus systemen is meestal gebaseerd op twisted pair kabels (bijv., EIA-485).

Populaire fieldbus standaarden omvatten Controller Area Network (CAN) van Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) van Siemens, en DeviceNet van Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, wijd gebruikt in Noord-Amerika, combineert de CAN fysieke laag met CIP (Common Industrial Protocol) hogere-niveau protocollen. SAE J1939, wat gebruikmaakt van de CAN data transport standaarden, is geoptimaliseerd voor zware voertuigen.

Netwerken bestaan uit fysieke elementen (draden, connectors, en de elektronische componenten die signaalstroom controleren) en logische elementen (die adreschema's, communicatieprotocollen, apparaatprofielen, etc. die in software geïmplementeerd zijn). In de wereld van fieldbus, gebruiken veel systemen CAN standaarden om de fysieke aspecten van de netwerken te definiëren, terwijl hogere-niveau protocollen — zoals CANopen, DeviceNet, J1939, etc. — end-to-end functionaliteit bieden.

Industriële Ethernet

Industriële Ethernet gebruikt dezelfde technische onderbouwing als kantoor Ethernet maar met verbeteringen die het beter geschikt maken voor harde fabrieksomstandigheden. Industriële switch units kunnen voorzien zijn van robuuste water- en stofdichte behuizingen, terwijl veel apparaten robuuste M12 connectors gebruiken in plaats van kwetsbaardere RJ45 connectors.

Er zijn ook belangrijke upgrades aan de communicatieprotocollen. Industriële toepassingen — met name beweegbesturing — vereisen vaak dat besturingen in real-time opereren, zonder de onvoorspelbare transmissievertragingen (latentie of jitter) die in gewone Ethernet netwerken kunnen optreden. Industriële Ethernet systemen zoals Profinet IRT, EtherNet/IP, en Ethernet Powerloss adresseren dit door gewijzigde protocol stacks en speciale hardware die kritieke berichten prioritaire toegang tot netwerkbandbreedte geven. De speciale componenten die nodig zijn om dit te bereiken, kunnen de systeemcomplexiteit en kosten verhogen.

Het moet opgemerkt worden dat hoewel Ethernet een visie biedt van een onbeperkt aantal apparaten en flexibele topologie opties, kwesties van systeemprestaties — met name voor real-time beweegbesturing toepassingen — ontwerpscomposities kunnen vereisen die lokale verkeer verminderen en directe communicatiepaden voor kritieke componenten voorzien.

IO-Link is een laagkost, makkelijk te implementeren communicatiesysteem ontworpen om verbindingen tussen fieldbus of industriële Ethernet netwerken en eenvoudige sensoren of actuatoren op de vloer van de fabriek te vereenvoudigen. Aan één kant van een IO-Link master gateway apparaat is een interface naar het plant-wijde netwerk, terwijl de andere kant meerdere point-to-point verbindingen heeft naar individuele sensorapparaten.

De IO-Link interface voor eindapparaten is relatief eenvoudig, wat de behoefte elimineert om complexe communicatieprotocollen op het sensor/actuator niveau te ondersteunen. IO-Link ondersteunt een verscheidenheid aan datatypes inclusief meetdata, apparaatconfiguratie-instructies, en informatie over operationele conditie parameters zoals temperatuur.

Draadloze Communicatie

Draadloze technologieën stellen communicatie in met mobiele machines (bijv., autonome geleide voertuigen) of apparatuur die vaak verplaatst moet worden. Wi-Fi (IEEE 802.11) en Bluetooth zijn wijd gebruikte standaarden voor korte-afstand draadloze communicatie. Andere standaarden zijn beschikbaar voor langere-afstand communicatie, hoewel deze lagere bitrates kunnen hebben. Opkomende 5G netwerken beloven hoge data rates en lage latentie.

Draadloze communicatie kan minder betrouwbaar zijn dan bedrade verbindingen in elektrisch ruisvolle omgevingen en mogelijk niet geschikt voor hoog tijds-afhankelijke terugkoppelingssignalen. In het geval van een magazijn robot, kan een draadloos signaal bijvoorbeeld gebruikt worden om de machine te instrueren om materiaal op te halen van een bepaalde locatie. Echter, sensoren voor sturing, snelheidsregeling, en botsvermijding zouden typisch bedraad zijn aan het besturingssysteem om betrouwbare, direct respons te garanderen.

Open Standaarden voor Compatibiliteit

Geen enkele leverancier kan best-in-class apparatuur leveren voor elk deel van een complex automatiseringssysteem en leveranciers van industriële netwerktechnologieën zijn overgegaan van proprietaire netwerksystemen naar het ondersteunen van open (leverancier-neutrale) interface en netwerkstandaarden. Met deze standaarden kunnen kopers van beweegbesturing apparatuur standaard-gecertificeerde componenten van verschillende leveranciers mengen en matchen met de verwachting dat alles samen zal werken.

Belangrijke industrie standaard organisaties omvatten de Open Device Vendors Association hier, sponsors van DeviceNet en Ethernet/IP standaarden; de CAN in Automation Association hier, sponsors van de CANopen protocollen; en Profibus Nutzerorganisation hier, sponsors van Profibus en Profinet interfaces.

Dit artikel is geschreven door Christian Fell, General Manager bij FRABA Inc., Hamilton, NJ. Voor meer informatie, bezoek hier.