Positionsbestimmung Sensorik für vernetzte Produktion

In vielen Produktionsabläufen spielt die Positionsbestimmung eine zentrale Rolle. Damit muss auch die Positionssensorik eine neue Leistungsstufe erreichen und mehr Informationen liefern als bisher üblich. Mit neuen Sensortechnologien und standardisierter kommunikativer Anbindung lassen sich solche Anforderungen bereits erfüllen. Oftmals dominieren bis heute einfache, binäre Schalter die Positionsbestimmung. Sie nutzen unter anderem optische, Ultraschall- oder induktive Verfahren. Unabhängig vom Messprinzip geben sie nur die Information weiter, dass das Zielobjekt zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Position erreicht hat. Für vernetzte Anwendungen und Anlagen mit Industrie-4.0-Architektur genügt dies häufig nicht. Dort wird, zu jeder Zeit, präzise Information darüber benötigt, wo sich das Objekt befindet. Erst mit dieser Information wird eine genaue Kontrolle und Regelung von Detailprozessen möglich. Beispiele für solche Echtzeitrückkopplung sind die Bewegung der Spindel eines CNC-Automaten, der Abstand zwischen zwei Förderrollen oder der Hubweg eines Stellventils.

Der vernetzte Betrieb erfordert aber noch mehr: die Bereitstellung von Analysedaten, die jederzeit den Anlagenzustand widerspiegeln, sowie die kommunikative Anbindung, durch die solche Daten möglichst umfassend zugänglich gemacht werden. Als Grundlage werden präzise wie robuste und möglichst universell verwendbare Sensoren benötigt. Gerade weil die Anwendungen immer komplexer werden, gilt es, die Komplexität der Gerätelandschaft zu begrenzen oder sogar zu reduzieren.

Universelles Messverfahren

Dafür bringt die induktive Positionsbestimmung alle Voraussetzungen mit. Das Messverfahren ist prinzipiell verschmutzungsresistent sowie verschleiß- und wartungsfrei. Es arbeitet störsicher und toleriert einen variablen Abstand zum Messobjekt. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften ist es für viele Anwendungen das optimale Messprinzip. Als erster Sensorhersteller hat Pepperl+Fuchs diese bauartbedingten Stärken bereits vor 60 Jahren erkannt und den ersten induktiven Näherungsschalter entwickelt. Seitdem haben die Entwicklungsingenieure das Verfahren für eine immer breitere Palette von Anwendungen erschlossen. Eine der neuesten Entwicklungen in diesem Bereich ist das patentierte Mehrspulensystem für den induktiven Sensor PMI F90. Er soll als Beispiel für ein messendes, universell einsetzbares Positionierungssystem mit einer für die Industrie 4.0 geeigneten Kommunikationsanbindung dienen, das die oben aufgeführten Anforderungen erfüllt.

Flexible Sensortechnik

Der PMI F90 erreicht eine Auflösung von 50 µm und kann Messaufgaben mit hohen Präzisionsanforderungen bewältigen. Die Messsignale der versetzt nebeneinander angeordneten Spulen können sowohl die absolute Position des Targets als auch den dynamisch wechselnden Abstand zwischen zwei Betätigern abbilden. So lassen sich mit dem Gerät auch dynamische Positionierungsaufgaben bei geringem messtechnischen Aufwand lösen. Ein frei skalierbarer Messbereich bietet zusätzliche Flexibilität. Auch Schaltpunkte können festgelegt werden, Mess- und Schaltbereich sind programmierbar. Der Sensor erfasst die Position des Targets bis drei Millimeter abstandsunabhängig.

Als Target kann ein Bauteil oder Gegenstand aus Stahl dienen. Das induktive System benötigt weder magnetische noch aktive Betätiger. So könnte etwa eine Nut an einer Frässpindel oder die Kupplungsschelle am Antrieb eines Stellventils als Target definiert werden. Das eröffnet zusätzliche Möglichkeiten für den Einsatz des Geräts: Es kann unterschiedliche Messaufgaben bewältigen und so bei vereinfachter Auslegung der Positionssensorik mithelfen, die Typenvielfalt auf diesem Feld zu reduzieren. Gleiches gilt für den Einsatz in rauen Umgebungen und explosionsgefährdeten Anlagen: Das PMI F90 ist gegen starke Verschmutzung gefeit; es verträgt Temperaturen von -25 bis 85 °C. Vollgekapselte Geräte und Versionen mit den Schutzarten IP67 und IP69K stehen für den Außenbereich, Sensorvarianten mit ATEX 3G/3D für die Zonen 2/22 zur Verfügung.

Daten und Kommunikation

Auch mit seiner Datenanbindung eröffnet der PMI F90 den Weg zu Standardisierung: Die hochpräzisen Messdaten und tiefgreifende Analyseinformationen werden per IO-Link zur Verfügung gestellt. Diese Schnittstelle bietet zudem über die reine Sensorik hinaus weitere Optionen für den Informationsfluss. Der IO-Link-Master kann Ereignis-Logs festhalten, Fehlermeldungen weitergeben und Daten über den Gerätestatus bereithalten. Damit lassen sich auch Prozessabläufe im Detail nachvollziehen. Konkrete Beispiele für solchen Zusatznutzen sind die Erfassung der Betriebsstunden oder eine Funktionsüberwachung: Wenn das Target häufig über den definierten Messbereich hinausfährt, lässt sich diese Abweichung im Detail beschreiben und analysieren.

Diese Daten können auch in die Serviceplanung einfließen; die Einsätze werden dann an den tatsächlichen Bedarf angepasst. Mit der Definition von Grenzwerten lassen sich zudem punktuelle Maßnahmen auslösen. Zugleich wird die Handhabung für die Anlagentechniker leichter, da die Parametrierung des Sensors im Data Storage hinterlegt ist und bei einem Gerätetausch aus dem IO-Link-Master auf das neue Gerät übertragen wird. Auch kann die Signalqualität jederzeit überprüft werden. Das Nachjustieren, etwa nach einem Maschinentransport oder -aufbau, wird damit zu einem einfachen Routinevorgang.

Anwendungsbeispiel Werkzeugspindel

Beim Werkzeugwechsel bewegt sich die Spindel einer CNC-Maschine aus der Arbeitsposition und kehrt dann dorthin zurück. Der PMI F90 überwacht diesen Vorgang minutiös, indem er ein definiertes Bauteil wie etwa die Spindelnabe als Betätiger nutzt. Die IO-Link-Anbindung erlaubt es, neben dem Positionswert für die Maschinensteuerung weitere Daten zu erfassen und sie per IO-Link-Master zur Verfügung stellen. Daten zum Sensorstatus und der Signalqualität ermöglichen eine detaillierte Online-Analyse. Die Option der Betriebsstundenerfassung kann zur vorausschauenden Wartung beitragen.

Anwendungsbeispiel Tänzer- und Förderrollen

Der PMI F90 erfasst sowohl die absolute Position einer Tänzerrolle als auch den dynamisch wechselnden Abstand zwischen zwei Förderrollen. Für diese Art der Abstandsmessung wurden bisher zwei Sensoren benötigt; der Abstand wurde dann indirekt aus den Messwerten berechnet. Ein PMI F90 erledigt diese Aufgabe allein. Die relative Position von zwei Förderrollen wird als prozessrelevanter Messwert an die Steuerung übermittelt.

Anwendungsbeispiel Stellventile

Ähnlich wie bei den Tänzerrollen werden an Stellventilen oft zwei Sensoren verwendet, um die Positionen Auf und Zu zu erfassen. Der PMI F90 übernimmt beide Aufgaben und gibt zudem einen kontinuierlichen Positionswert an. Damit kann er die Messfunktion eines Stellungsreglers ausüben und eine präzise Regelung der Ventilstellung ermöglichen. Durch IO-Link stehen weitere Informationen zur Verfügung, etwa über die Anzahl der Hubbewegungen oder über Abweichungen von definierten Positionen. Diese Daten sind für die Zustandsanalyse und die vorausschauende Wartung relevant. Sie können dazu beitragen, Stillstandszeiten zu minimieren. Nach ATEX 3G/3D zertifizierte Geräte sind für die Zone 2/22 zugelassen, sodass der PMI F90 in den meisten Anlagenbereichen eingesetzt werden kann.