Ultraschall fürs IIoT

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Robuste Sensorik mit hoher Kommunikationsintelligenz

Ultraschall fürs IIoT
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Abfüllanlage
Archiv | 01.04.2021 | Die Welt des IIoT und der Industrie 4.0 kann nur mit kommunikationsfreudigen Sensoren funktionieren. Dank integrierter Intelligenz können solche Geräte – bei vereinfachter Handhabung – prinzipiell sehr flexibel verwendet werden. Pepperl+Fuchs hat seine neuen Ultraschallsensoren der Serie UC18GS unter anderem mit IrDA- und IO-Link-Schnittstellen ausgestattet.

Auf Basis der bewährten Ultraschalltechnologie können die Geräte viele unterschiedliche Aufgaben erledigen, sowohl in der Verfahrenstechnik als auch in der Fabrikautomation.        

Ultraschallsensoren geben kurze Schallimpulse ab und fangen deren Echo auf, per Laufzeitmessung ermitteln sie die Entfernung zu Objekt. Der Schall breitet sich keulenförmig aus, trifft also nicht auf einen einzelnen Punkt, sondern einen flächigen Messbereich. So detektieren die Geräte zuverlässig auch unregelmässige oder bewegte Oberflächen. Form, Farbe oder Material des Zielobjekts spielen keine Rolle, ebenso wenig wie spiegelnde Oberflächen, Staub, Nebel oder Dämpfe.

Ultraschallsensoren sind zudem grundsätzlich unempfindlich gegen Feuchtigkeit, Spritzwasser, Schmutz und Anhaftungen. Da die schallemittierende Oberfläche des Sensors ständig vibriert, können sich weder trockene noch flüssige Stoffe auf ihr absetzen. Filmbildende Anhaftungen, die sich nicht „abschütteln“ lassen, stören wiederum die Funktion der Sensoren nicht. Dank diesen Eigenschaften können die Geräte viele unterschiedliche Aufgaben übernehmen, sowohl im Bereich Objekterkennung als auch in der millimetergenauen Füllstandmessung.

Neue Flexibilität im Einsatz

Die Produktserie UC18GS fügt diesen bauartbedingten Eigenschaften zusätzliche Optionen hinzu, die bei der Konfiguration und Kommunikation neue Möglichkeiten eröffnen. So lässt sich die Schallkeule des Sensors sehr einfach an die Erfordernisse der jeweiligen Anwendung anpassen. Anders als bei den herkömmlichen Ultraschallsensoren geht das nicht auf Kosten der Länge des Messbereichs. Zugleich weisen die Geräte eine besonders kleine Blindzone auf: 30 mm bei Geräten mit einer Reichweite von 500 mm und 70 mm bei 1000 mm Reichweite.

Diese Innovation in der Ultraschalltechnik wird durch eine Reihe von Neuerungen in den Bereichen Schnittstellen, Software und Kommunikation ergänzt. Neben den gewohnten Drucktasten direkt am Gerät lassen sich die Sensoren auch ohne physischen Kontakt mittels DTM/PACTware umfassend konfigurieren, parametrieren und programmieren. Dafür stehen eine IO-Link sowie einer Infrarot-Schnittstelle (IrDA) zur Verfügung. Durch letztere ist für Zwecke der Analyse und Wartung auch ein Zugriff auf die Daten im laufenden Prozess möglich.

IO-Link folgt dem offenen Standard IEC 61131-9 und ist inzwischen weltweit verbreitet. Es kann mit allen üblichen Feldbussen kommunizieren und hat sich als Grundlage für eine reibungslose Integration von Feldgeräten in IIoT-Umgebungen sowie Industrie-4.0-Anwendungen bewährt. Durch die IO-Link-Schnittstelle entsteht eine Datenverbindung für die bidirektionale Kommunikation mit dem Sensor, die die Anlagensteuerung unberührt lässt. Zugleich können IO-Link-Geräte über die Steuerung konfiguriert werden. Das erlaubt die schnelle Anpassung laufender Prozesse, etwa bei Rezepturänderungen oder bei abweichenden Abläufen für unterschiedliche Produktvarianten. Selbst die Losgrösse 1 rückt in den Bereich des Möglichen, da diese Technik eine individualisierte Produktion erlaubt. Die per IO-Link bereitgestellten Daten können zudem für die Analyse der Prozessqualität und für vorausschauende Wartung genutzt werden.

Anwendungsbeispiel: Schnelle Objekterkennung

In Abfüllanlagen der Getränkeindustrie geht es um hohe Stückzahlen, entsprechend gross ist auch der Durchsatz der Maschinen. Leere Gebinde werden in hoher Frequenz zur Füllstation befördert. Die Roboter-Zuführung zur Abfüllung wird erst aktiviert, wenn sich die Flaschen in der gewünschten Endposition befinden. Deshalb wird jede Flaschengasse sensorisch überwacht. In der Regel befinden sich mehrere solcher Gassen unmittelbar nebeneinander, dieselbe Anzahl von Sensoren ist dort auf engem Raum montiert.

Anders als Sensoren, die mit Licht arbeiten, lassen sich die Ultraschallsensoren von den Farben der Gebinde, von spiegelnden Oberflächen, transparentem Material oder unregelmässigen Konturen nicht beeinträchtigen. Sie erkennen die Anwesenheit der Flaschen an den Endpositionen zuverlässig und genau, trotz hoher Maschinengeschwindigkeit und ständiger Vibration. Die Erfassung ist auch bei variierenden Konturen und prozesstypischen Positionsabweichungen gewährleistet, da die Schallkeule flächig auf die Oberfläche des Gebindes trifft.

Bei mehreren Geräten auf engem Raum sorgt eine automatische Synchronisierung dafür, dass diese ihre Schallsignale aufeinander abstimmen und sich nicht gegenseitig stören. Über den integrierten Synchronisationseingang können dafür bis zu zehn Sensoren miteinander verbunden werden. Eine gesonderte Parametrierung ist nicht nötig. Die Konfiguration der einzelnen Geräte kann per IO-Link repliziert werden.

Anwendungsbeispiel: Füllstand ohne Störgrössen

Der Pegel von Flüssigkeiten kann beim Auffüllen oder Anzapfen des Behälters in unregelmässige Bewegung geraten; bei Granulaten entstehen Schüttkegel und Trichter. Die flächige Messung mit der Schallkeule erlaubt in beiden Fällen die Ermittlung valider Mittelwerte. Die Geräteserie UC18GS bietet zudem die Möglichkeit, Störgrössen wie Stützstreben, Trittleitern oder andere ins Messfeld hineinragende Objekte im Inneren der Behälter per Software (PACTware) auszublenden. Der Schallkeulendurchmesser lässt sich an den gewünschten Zielbereich sowie an unterschiedliche Behälterformen anpassen. Die Messung liefert auch im Bereich der ausgeblendeten Störgrössen zuverlässige Ergebnisse.

Der Tankpegel wird zudem unabhängig vom Material und seinen optischen Eigenschaften erfasst. Mit der Schutzart IP67 bieten die Geräte die Gewähr, dass auch sehr raue Bedingungen des industriellen Umfelds die Messung nicht beeinträchtigen. Aufgrund der kompakten Bauweise der UC18GS-Sensoren genügt für den Einbau eine kleine Öffnung im Tankdeckel.

Pepperl+Fuchs hat in mehr als 30 Jahren das weltweit grösste Portfolio im Bereich Ultraschallsensorik aufgebaut. Die Aktivitäten in diesem Bereich sind in einem spezialisierten Technologiezentrum mit Entwicklung und Produktion in Deutschland gebündelt. Aus der langjährigen Zusammenarbeit mit zahllosen Anwendern auf der ganzen Welt ist dort ein umfassendes Know-how zu Ultraschallapplikationen in praktisch allen Branchen entstanden, von dem die Kunden profitieren können. Eine breite Palette von Zubehör-Produkten liefert die Module für die reibungslose Integration der Geräte in praktisch alle Anwendungen. Auch kundenspezifische Entwicklung und Produktion ist im Ultraschall-Technologiezentrum möglich.

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