FlexiMod bietet ein einfaches Konzept zur Integration anwendungsorientierter Lösungen für die Elektrohydraulik, wobei die Vorteile der Verfügbarkeit von Standardlösungen und die Individualität von kundenspezifischen Lösungen gewahrt bleiben.

Unter dem Leitgedanken „Parametrieren statt Programmieren“ vereinfacht die W.E.St. Elektronik GmbH den Einstieg in die Umsetzung kundenspezifischer Funktionen auf Basis einer Standard-Geräteserie, für die das skriptbasierte Konzept „FlexiMod“ entwickelt wurde. Hiermit wird ein fester Kern der Regelungsanwendung und der hardwarenahen Funktionen mit einer flexiblen Hülle ergänzt, die extrem einfach in der Handhabung ist und kaum Programmierkenntnisse erfordert.

In der Basiskonfiguration werden alle Prozess- und Sollwertsignale eingelesen und je nach Ausführung auf die Treiberstufe oder Analogausgänge ausgegeben. Die eigentliche Funktion zur sinnvollen Verarbeitung der Signale kann im Skript frei definiert werden. Dazu sind keine Programmierkenntnisse oder Erfahrung mit gängigen SPS-Programmiersprachen notwendig. Der Skript-Editor ist übersichtlich in Zeilen und Spalten aufgeteilt, wobei jede Zeile im Grunde das Ergebnis einer Operation wiedergibt und die einzelnen Spalten die Eingangssignale der Operation definieren. Diese werden dann zeilenweise von oben nach unten zyklisch abgearbeitet.

Dem Skript stehen sämtliche Logikoperatoren, Zeitfunktionen und mathematischen Operatoren sowie einige Sonderfunktionen zur Verfügung. Damit lässt sich beispielsweise ein einfaches Sägezahnsignal generieren oder komplexere Aufgaben, wie oszillierende Antriebe für Zylinder, implementieren.

Wir bieten ebenfalls Varianten, die im Auslieferungszustand schon eine Grundfunktionalität, beispielsweise zur Positionierregelung, bereitstellen. Um die Entwicklungszeit zu verkürzen, kann hier innerhalb dieses Grundgerüstes direkt an den relevanten Punkten für individuelle Änderungen angesetzt werden, ohne erst die Grundfunktion implementieren zu müssen.

Die Skript-Umgebung „WestScript“ steht kostenlos als Download bereit und erlaubt eine Online- sowie Offline-Konfiguration. Komfortabel ist das integrierte Oszilloskop, in dem Signalverläufe der unterschiedlichen Operationen schon während der Implementierung simuliert werden können, um das gewünschte Verhalten schon vor der Inbetriebnahme zu validieren und ggf. anzupassen.

Die Hardwarearchitektur der neuen Serie bietet eine höhere Rechenleistung, sodass auch für skriptbasierte Anwendungen die Zykluszeit nicht größer als 1ms ist. Sie ist plattformbasiert und verwendet existierende Erweiterungsbaugruppen, sodass auch die Derivate mit FlexiMod ab Lager inverschiedenen Ausführungen verfügbar sind z.B. mit oder ohne Leistungsendstufe oder Netzwerkanbindungen. In der Basisbaugruppe stehen analoge wie digitale Ein-/Ausgänge bereit, die sich über die Konfiguration im Skript flexibel für Prozess- und Sollwertsignale nutzen lassen, wodurch in vielen Fällen zusätzliche Steuerungen oder E/A-Einheiten überflüssig werden.

Individuelle Lösungen werden oft bei Komponentenherstellern beauftragt oder müssen aufwändig in einer SPS programmiert werden. In beiden Fällen sind Kosten und Zeitaufwand sowie Anforderungen an die Expertise der Entwickler nicht unerheblich und dauern üblicherweise Monate. Im Gegensatz dazu reduziert sich der Aufwand der Skript-Entwicklung auf Tage bzw. wenige Wochen. Die W.E.St. Elektronik bietet sowohl den Service, Skripts nach kundenspezifischen Anwendungen zu entwickeln oder bei der Entwicklung zu unterstützen. Es ist auch möglich, die eigene OEM-Version zu erhalten, die schon im Auslieferungszustand die individuelle Konfiguration an Bord hat.

Da sich die Geräte mit dem FlexiMod Engine problemlos an alle denkbaren Aufgaben anpassen lassen, werden sie in verschiedensten Situationen zum Schweizer Taschenmesser. Beispielsweise können sie als funktionalen Ersatz für Steuereinheiten bei der Erneuerung oder Instandsetzung von Maschinen eingesetzt werden, um die vorherige Funktionalität getreu abzubilden.

Ein Vorteil, der typischerweise Systemintegratoren und/oder Maschinenbauern zu Gute kommt, ist dass mit nur wenigen Katalognummern verschiedene Konfiguration abgebildet werden können, die in unterschiedliche Varianten Ihrer Systeme/Maschinen integriert werden. Gleichzeitig wird die Logistik rund um die Beschaffung und Lagerhaltung einfacher, da nur eine Hardwarebasis anstelle von unterschiedlichen Derivaten bereitgehalten werden muss.

Die ersten Geräte mit dem FlexiMod Engine sind die beiden vollständig frei konfigurierbaren Module DSG-112-U (mit Analogausgängen) und DSG-112-P (mit Leistungsendstufe) zur direkten Ansteuerung von Ventilmagneten.

Pünktlich zum Hydraulix Congress – „DIGITALISIERUNG IN DER HYDRAULIK – Wissen was wirklich wichtig ist!“ erschien W.E.St.’s Beitrag in der in O+P über die Anwendung der IO-Link Technology in Leistungsverstärkern. Hier finden Sie nochmal den ganzen Artikel zum Nachlesen!

Steckerverstärker für Proportionalventile sind eine einfache und preiswerte Lösung zur Steuerung von einmagnetigen Ventilen. Typisch wird der Sollwert über ein analoges Signal 0… 10 V oder 4… 20 mA vorgegeben. Die Parametrierung erfolgt direkt am Stecker oder über diverse Schnittstellen (z. B. USB). Diese Leistungsverstärker sind seit mehr als 30 Jahren weit verbreitet. Nun sind auch Produkte mit IO-Link-Schnittstelle verfügbar.

IO-Link ist eine weltweit standardisierte Punkt-zu-Punkt-Kopplung (IEC 61131-9), um mit Sensoren und auch Aktoren zu kommunizieren. Die IO-Link Firmengemeinschaft hat zum Ziel, IO-Link als Technologie zu entwickeln und zu vermarkten. IO-Link ist herstellerübergreifend akzeptiert. Eine Vielzahl von Sensoren der verschiedensten Hersteller steht mittlerweile zur Verfügung. Im Bereich der Aktoren schreitet die Entwicklung deutlich langsamer voran. Dabei ist diese Schnittstelle ideal zur Ansteuerung von Proportionalventilen geeignet. Neben der sehr preiswerten Möglichkeit, sie zu implementieren, stehen folgende Vorteile für den Anwender im Vordergrund:

• Digitale und störunempfindliche Schnittstelle
• Einfache Verkabelung
• Parametrierung direkt über die SPS (es ist keine Sondersoftware des Geräteherstellers notwendig)
• Automatische Parametrierung beim Gerätetausch
• Diagnose- und Istwert-Rückmeldungen
• Galvanisch getrennte Versorgung zwischen IO-Link Schnittstelle und Leistungselektronik

Im Zeitalter der Digitalisierung und von Industrie 4.0 ist der Übergang zur digitalen Schnittstelle nicht mehr aufzuhalten. IO-Link ist gegenüber den klassischen Feldbussen eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung und kann daher analoge Schnittstellen ohne größeren Aufwand ersetzen.

Erfahrung zahlt sich aus – PAM-190-P-IO

Die IO-Link Schnittstelle ist eine digitale Schnittstelle, die so einfach zu handhaben ist wie eine analoge. Somit ist die Implementierung in einen Steckerverstärker für Proportionalventile eigentlich nur eine logische Schlussfolgerung, wenn es da nicht ein paar kleinere technische Hürden gäbe.
Der Platz in einem solchen Steckergehäuse ist sehr beschränkt, so dass es eine große Herausforderung ist, eine Elektronik hierfür zu entwickeln. Weiterhin sollte die Eigenerwärmung sehr gering sein und die beiden Spannungsversorgungen (Leistungsteil und IO-Link) sind galvanisch zu trennen. Da es sich bei einem solchen Verstärker um kein hochpreisiges Produkt handelt, sind gute Ideen gefragt. Durch die Erfahrungen mit unserem PAM-190-P mit analoger Schnittstelle wissen wir, wie das grundsätzliche Design ausfallen muss. Bei der galvanischen Trennung sind die Ansteuerung des Leistungstransistors und die Messung des Magnetstroms zu berücksichtigen. Die galvanisch getrennte analoge Signalübertragung des Magnetstroms ist dabei aufwändig und teuer.
Was haben wir also gemacht? Wir haben zwei 32 Bit Hochleistungsprozessoren spendiert, wodurch eine galvanische Trennung nur für digitale Signale notwendig wurde. Der erste Prozessor ist für die Kommunikation über die IO-Link Schnittstelle zuständig, der zweite Prozessor wird für die Magnetstromregelung und die Signalkonditionierung (Rampen, MIN-MAX, …) verwendet.
Bei ausschließlicher Betrachtung der Rechenleistung der beiden Mikrocontroller erscheint dies vielleicht übertrieben. Vergleicht man aber die Schaltungskonzepte, so ist der Vorteil schnell zu erkennen. Weniger Komponenten bedeuteten weniger Bauteile, die ausfallen können (erkennbar durch einen sehr hohen MTTFd Wert). Weiterhin ist der Einsatz von zwei Mikrocontrollern mit Abstand das preiswertere Schaltungskonzept.

Implementierung und Parametrierung

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den modularen Ansatz und damit die Möglichkeit, die Kommunikationselektronik einfach und preiswert – als eigenständige Funktion – in verschiedene weitere Elektronikbaugruppen (sowohl eigene als auch fremde) zu implementieren. Der Einsatz ist genaugenommen vergleichbar mit dem des Standardsteckers (PAM-190-P), nur dass die analogen Signale durch digitale Signale ersetzt werden. Die Verkabelung muss nicht mehr abgeschirmt werden, wodurch sich ein weiterer Kostenvorteil ergibt. Die Arbeit mit vorkonfektionierten Kabeln und M12-Steckverbindern führt außerdem zu einer erheblichen Zeiteinsparung. Angesteuert werden mit diesem Stecker Druckventile, Drosselventile und auch Wegventile (dann mit zwei Steckern).

Der Funktionsumfang ist auf hydraulische Anwendungen abgestimmt und bietet neben der Magnetstromregelung eine Rampenfunktion und die klassische MIN-MAX Einstellung. Die Endstufentechnik unterscheidet sich nicht von unseren Standard -Leistungsverstärkern. Im Konzept von IO-Link Geräten wird die Parametrierung mittels eines einheitlichen Tools realisiert, das die SPS-Hersteller zur Verfügung stellen. Dies ist häufig in die zughörende Entwicklungsumgebung integriert. Dies unterscheidet sich erheblich von unserer bisherigen Vorgehensweise (Parametrierung über das Programm WPC-300), denn man hat sich nur noch mit der Technologie der PAM-190-P-IO zu beschäftigen und nicht mehr mit dem Thema Softwarebedienung, was ansonsten zusätzliche Einarbeitungszeit bedeuten würde.

Mit dem IO-Link Konzept kann jetzt ein Tool sowohl für die verschiedenen Sensoren als auch für unseren Steckerverstärker verwendet werden. Was man nicht mehr hat, sind die analogen Signale, die mit einem Multimeter gemessen werden können. Es sind natürlich die typischen Störungen auf den analogen Signalen auch nicht mehr relevant. Mit Blick auf I4.0, die Digitalisierung und eine deutlich erweiterte Diagnostik ist dies aber auch der Weg in die Zukunft.

Auswirkungen auf die Hydraulik

Neben der Vielzahl von Sensoren mit IO-Link Schnittstelle können jetzt auch Proportionalventile über diese Schnittstelle angesteuert werden. Für ein hydraulisches Aggregat bedeutet dies eine einheitliche Schnittstelle, über die auch der Druck eingestellt werden kann.
Durch unser modulares Konzept sind weitere Entwicklungen, angefangen von einer Druckregelung bis hin zur Positioniersteuerung möglich. Auf jeden Fall ist diese Schnittstelle ein wichtiger Baustein mit Blick auf die Weiterentwicklung und die Digitalisierung moderner Systeme.

Von:

Ulrich Walter, W.E.St. Elektronik GmbH