Kompakte Stromversorgung für Sensoren Verlustleistung minimieren

Mehr IQ im Intelligenten Sensor wird erreicht, wenn statt eines LDO ein DC/DC-Wandler eingesetzt wird.
Der Platz, den die Kühlung eines Linearreglers (LDO) in der Stromversorgung eines Sensors erfordert, lässt sich auch für Funktionen zur Signalverarbeitung nutzen, wenn die Stromversorgung mit einem DC/DC-Wandler realisiert wird.

Entwickler haben meist wenig Zeit für die Stromversorgung von integrierten Sensoren und wenig Spielraum bei der Wärmeabfuhr. Wird statt eines LDOs ein DC/DC-Wandler genutzt, reduziert sich die Verlustleistung deutlich – und es können neue Sensorfunktionen integiert werden.

Die vierte industrielle Revolution, allgemein als Industrie 4.0 bezeichnet, beeinflusst den aktuellen Trend der Automatisierung und des Datenaustauschs in der Fertigung, wo cyberphysikalische Systeme, das IIoT, Cloud Computing und Cognitive Computing zusammenwirken, um eine »intelligente Fabrik« aufzubauen. Innerhalb der intelligenten Fabrik überwachen cyberphysikalische Systeme physikalische Prozesse. Sie kommunizieren und kooperieren in Echtzeit miteinander und mit Menschen und treffen dabei dezentral Entscheidungen. Um physikalische Prozesse mit einem höheren Maß an Intelligenz zu überwachen, werden intelligente Sensoren eingesetzt.
2018 wurden etwa 70 Mio. Sensoren in der Fabrikautomatisierung eingesetzt. Davon sind 11 % (8 Mio.) intelligente Sensoren mit IO-Link-Technik. Der Markt für intelligente Sensoren mit IO-Link soll bis 2022 auf rund 20 Mio. wachsen (Bild 1).

Stand der Technik

Ursprünglich enthielt ein Sensor ein Sensorelement und eine Möglichkeit, die Sensordaten an die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) zu übertragen. Die Daten wurden oft im analogen Format und in einer Richtung übertragen – nur Sensor zu Master. Die analoge Datenkommunikation ist rauschanfällig, und es gibt keine Möglichkeit für die Steuerung, den Sensor direkt zu diagnostizieren, neu zu konfigurieren oder zu rekalibrieren.

Diese analogen Sensoren funktionierten gut, aber mit fortschreitender Technik integrierten die Sensorhersteller mehr Funktionen in die Sensoren und reduzierten die Störanfälligkeit durch die Einführung von binären Sensoren (Bild 2).

 

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Verlustleistung im Sensor minimieren, Bilder 1-3

Verlustleistung im Sensor minimieren, Bilder 1-3

 

Die binären Sensoren sind in der Norm IEC 60947-5-2 definiert. Aber die Daten beschränken sich immer noch auf die unidirektionale Kommunikation vom Sensor zum Master, die Sensoren haben keine Fehlerdiagnose und erfordern immer noch einen Techniker in der Fabrik für Aufgaben wie die manuelle Kalibrierung.

Um den Anforderungen von Industrie 4.0, intelligenten Sensoren und rekonfigurierbaren Fabriken gerecht zu werden, wurde eine bessere Lösung benötigt. Diese Lösung ist IO-Link. IO-Link ermöglicht Intelligenz am äußersten Ende der Fertigungslinie und ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation zwischen den Sensoren und der Steuerung (Bild 3). Das System kann Sensoren in Echtzeit anpassen, konfigurieren und diagnostizieren.

Eine traditionelle Fabrik wird typischerweise für ein einzelnes Produkt gebaut und optimiert. Sobald das Produktkontingent erreicht ist oder die Marktnachfrage sinkt, steht die Fabrik still. Die Umrüstung dieser traditionellen Fabrik auf ein anderes Produkt erfordert Zeit und Geld. Eine intelligente Fabrik hingegen ermöglicht eine effiziente Umrüstung im laufenden Betrieb, um sich schnell an Schwankungen der Marktnachfrage anzupassen. Mit Echtzeitdiagnose ist eine vorausschauende Wartung möglich und die Betriebszeit der Fabrik wird maximiert. All diese Vorteile sind mit IO-Link, intelligenten Sensoren und der allgemeinen technischen Weiterentwicklung mittlerweile möglich.

Merkmale intelligenter Sensoren

Einige Hauptmerkmale eines intelligenten Sensors sind: IO-Link-Konformität, vollständige Konfigurierbarkeit im Einsatz, Echtzeitdiagnose und geringe Größe – um universell einsetzbar zu sein. Intelligente Sensoren sollten über eine intuitive Programmierung verfügen, um ihre Erstkonfiguration zu vereinfachen und Logikfehler zu vermeiden. Sie sollten vollständig konfigurierbar sein, um den Gerätebestand zu reduzieren und mehrere Profile zu unterstützen, um so eine flexible Fertigung zu ermöglichen.

Was sind also die Nachteile? Diese intelligenten Funktionen erhöhen die Verlustleistung der Sensoren. Gleichzeitig gibt es bei den verschiedenen Herstellern einen zunehmenden Trend zur Miniaturisierung. Um diese innovativen Sensoren zu betreiben, stehen die Entwickler also vor zwei großen Herausforderungen: Wärme und Größe.