Ablösung oder Synergie?

In Zeiten fortschreitender Digitalisierung ließe sich annehmen, dass die Analogtechnik nachgerade überflüssig wird. Die Praxis zeigt jedoch, dass sie sich erfolgreich gegen ihre Konkurrenz behaupten kann.

In Zeiten fortschreitender Digitalisierung ließe sich annehmen, dass die Analogtechnik nachgerade überflüssig wird. Die Praxis zeigt jedoch, dass sie sich erfolgreich gegen ihre Konkurrenz behaupten kann.

Die normierten analogen Signale 0(4) bis 20 mA, 0 bis 10 V(DC) oder ±10 V(DC) bilden die Grundlage der analogen Technik, deren Erfolg in industriellen Anwendungen der Bereiche Automatisierung, Prozessüberwachung, Qualitätsprüfung, Forschung und Entwicklung unter anderem auf der Möglichkeit der galvanischen Trennung der Signale basiert.

In der Prozesstechnik ist die 4- bis 20-mA-Schnittstelle betriebsbewährt und zukunftssicher – nicht zuletzt deshalb, weil die Diagnose der robusten Schnittstelle mit einfachsten Mitteln möglich ist: Ein simples Amperemeter genügt, um die Funktion der Stromschnittstelle zu überprüfen.

Hingegen stellt sich die Diagnose der physikalischen Schicht eines Feldbus-Systems ganz anders dar: Hier entsteht eine große Menge an elektrischen Messwerten und Übertragungsdaten, die aufwendig analysiert werden wollen. Das Resultat ist, dass die Systemkomplexität mit digitalen Technologien deutlich zunimmt.

Hieraus ergibt sich die Frage, ob Feldgeräte, die in autonomen dezentralen Regelkreisen eingebunden werden und komplexe Wartungs- und Diagnosedaten austauschen, ohne digitale Kommunikation überhaupt auf Dauer denkbar sind. Denn schon heute sind die Bauelementekosten bei analoger Messwertverarbeitung sowie die Kalibrierung der Systeme höher als die Kosten leistungsstarker Mikrocontroller – die wiederum nicht nur digital übertragen, sondern zudem auch eine Plattform für die Implementierung interessanter neuer Ideen bietet.

Ein möglicher Weg für die Zukunft zeichnet sich in der Wegmesstechnik ab, wo seit vielen Jahren induktive Wegaufnehmer eingesetzt werden. Hier ist abzusehen, dass die künftigen Sensoren die Vorteile der digitalen Signalverarbeitung mit der robusten analogen Signalübertragung verbinden werden – was letztlich dazu führt, dass bei den induktiven Wegaufnehmern der Weg analog erfasst, das proportionale Signal analog-digital gewandelt, digital verarbeitet und anschließend wieder als analoges Normsignal ausgegeben wird.

Die Technik dieser Sensoren basiert auf dem Prinzip der Differenzialdrossel: Innerhalb eines Spulenkörpers wird ein NiFe-Kern axial bewegt. Die jeweilige Position des Kerns bewirkt eine entsprechende Induktivitätsverteilung in den beiden Spulenhälften, die durch eine externe oder integrierte Elektronik in ein wegproportionales, analoges Signal umgewandelt wird. Diese einfache Art der absoluten Weg-Erfassung ermöglicht einen robusten, zuverlässigen Aufbau des Sensorelementes.

Ein Beispiel aus der Praxis: Der Einsatz induktiver Wegaufnehmer in Kraftwerken zur Positionsrückmeldung an Ventilen führte zur Entwicklung programmierbarer Wegaufnehmer mit 4- bis 20-mANormsignal-Ausgang. Vorteilhaft ist, dass somit die vorhandene Infrastruktur der analogen 4- bis 20-mA-Signalübertragungswege im Kraftwerk ausgenutzt werden kann. Die Montage der Wegaufnehmer der Serien SM41/43 von a.b.jödden erfolgt parallel am Zylinder des Ventils; der Stößel des Wegaufnehmers wird mit einem Kugelgelenk an der Kolbenstange befestigt. Die Justage auf den aktuellen Weg des Ventils erfolgt elektronisch. Hierzu wird das Ventil hydraulisch in die „Zu“-Position gefahren. Am Wegaufnehmer sind neben den Anschlüssen für die Betriebsspannung und dem Ausgangssignal zwei zusätzliche Anschlüsse „Anfang“ und „Ende“ vorhanden. Um das Ausgangssignal des Wegaufnehmers auf 4 mA zu justieren, wird der Kontakt „Anfang“ für etwa drei Sekunden mit der Betriebsspannung verbunden. Analog dazu wird der Endwert mit dem Kontakt „Ende“ (20 mA) bei geöffnetem Ventil justiert. Diese elektronische Justierung bietet einen erheblichen Zeitvorteil gegenüber der rein analogen Justierung mit Justier-Potentiometern. Die Inbetriebnahmephase der Ventile im Kraftwerk wurde damit erheblich verkürzt.

Der analoge Messwert des induktiven Wegaufnehmers wird mit dem 16-Bit-A/D-Wandler digitalisiert und in einem Mikrocontroller verarbeitet. Die Korrektur der Messwerte – erreichbar sind Genauigkeiten bis 0,1 % vom Messbereich – erfolgt mit den in einem EEPROM abgelegten Genauigkeitsabweichungen. Die digitale Information wird mit einem 16-Bit-D/A-Wandler in normierte Ausgangssignale 0(4) bis 20 mA oder 0 bis 5(10) V umgeformt. Mittels Teach-In-Verfahren erfolgt die Programmierung des Messbereiches durch den Anwender.

Durch diese Technik sind unterschiedliche Messwege mit nur einem Wegaufnehmer darzustellen: Die programmierbaren Wegaufnehmer der Serie SM41 beispielsweise haben Standardmesswege von 20, 40, 70, 100, 150 und 200 mm; die Wegaufnehmer der Serie SM43 bieten Messwege von 80, 170, 240 und 360 mm. Eine Besonderheit der Serie SM43 ist der aus mehreren Spulen gewickelte Wegaufnehmer, wodurch wesentlich mehr Informationen über die Position des Kerns als bei LVDTs oder Differenzialdrosseln erzeugt werden. Dieses Verfahren bedeutet ein – für verschleißfrei arbeitende induktive Wegaufnehmer – wesentlich besseres Verhältnis zwischen Gehäuselänge und Nutzweg. So ist zum Beispiel bei einer Gehäuselänge von 500 mm ein Messweg von 360 mm möglich, während bei induktiven Halbbrücken mit gleicher Gehäuselänge maximal 200 mm erreichbar sind.

Autor

Bernd Jödden ist geschäftsführender Gesellschafter von a.b.jödden in Krefeld.

Inka Meyerholz, Computer&AUTOMATION