GEFRAN 4.0 – Sensoren und Aktoren voll vernetzt

Die Massedrucksensoren der Baureihe IL I mit IO-Link und Überdruckabschaltung nach PL d gestatten die Selbstdiagnostik zur vorbeugenden Wartung. (Bilder: Gefran)

Das Internet of Things (IoT) lebt von intelligenten Produktionsprozessen und einer schnellen Kommunikation. Dazu müssen steigende Datenmengen mithilfe von hochgenauen Sensoren erfasst, mit Aktoren geregelt und mit Feldbussen übertragen werden. Allerdings sind Feldbussysteme wie Ethercat, Profinet, Profibus, Canopen und Co. herstellerabhängig und nicht frei verfügbar. Zudem unterscheiden sie sich hinsichtlich integrierbarer Teilnehmerzahl, übertragener Datenmenge und -geschwindigkeit sowie ihrem Aufbau, der erforderlichen Infrastruktur und überbrückbaren Entfernungen. Damit Sensoren und Aktoren Feldbusübergreifend eingesetzt und intelligent vernetzt werden können, benötigen sie entsprechende Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle, die als Übersetzer zwischen ihnen und den Feldbussen fungieren.

Die kontaktlosen magnetostriktiven Positionsaufnehmer der Serie Hyperwave WPL mit IO-Link 1.1 garantieren eine optimale Integration und Kommunikation mit Industrie 4.0-Architekturen

Produkte mit Mehrwert

Gefran steht mit seinen Sensoren und Aktoren an der Basis der Datengenerierung. Das Unternehmen integrierte als erster Hersteller IO-Link in Sensoren für die unterschiedlichsten industriellen Branchen und Anwendungen. Die Geräte mit digitaler IO-Link 1.1-Schnittstelle erfassen, regeln und übertragen nicht nur die eigentlichen Messgrößen, sondern filtern diese auch und setzen sie in Relation zueinander. Sie sind damit in der Lage, den nachfolgenden Systemen neben den reinen Daten auch deren Auswertung und eine Fülle zusätzlicher Informationen zur Verfügung zu stellen. Dazu zählen typischerweise die Betriebsstundenanzahl, Maximalwerte von Druck und Temperatur sowie das Auslösen von Alarmevents. Abhängig vom jeweiligen Sensor oder Aktor werden auch Größen wie Energieverbrauch, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Neigung ausgelesen. Diese Fähigkeit ist eine Gefran-Spezialität und geht weit über den Standard herkömmlicher IO-Link-Sensoren hinaus.

IO-Link ermöglicht mit bis zu 230,4 kBaud eine besonders schnelle Kommunikation zwischen Sensor bzw. Aktor und den nachfolgenden Systemen – in beide Richtungen. Über einen IO-Link Master können dabei bis zu acht Aktoren/Sensoren individuell konfiguriert und verwaltet werden. Standardisierte, ungeschirmte Verbindungskabel garantieren zudem eine vereinfachte Installation. Damit ist das Kommunikationsprotokoll vor allem für mittelgroße Anlagen mit vielen Sensoren die effizienteste Lösung.

Zu den Mess- und Regelprodukten mit IO-Link-Mehrwert, die Gefran im Portfolio hat, gehören neben Schmelzedrucksensoren für hohe Temperaturen und linearen Positionsaufnehmern auch Druck- und magnetostriktive Wegsensoren sowie Leistungssteller und Halbleiterrelais. Bei all diesen Sensoren und Aktoren gestattet das IO-Link Protokoll aufgrund der Vielzahl an erfassten Messgrößen und Daten die Selbstdiagnostik und lässt Rückschlüsse auf den Betriebszustand der Anlage zu. Damit leisten die IO-Link Geräte einen entscheidenden Beitrag zur vorausschauenden Instandhaltung, tragen ganz wesentlich zur Effizienzsteigerung des gesamten Prozesses bei und erleichtern die Identifikation von Fehlerursachen im Reparaturfall. „Unsere IO-Link-Produkte digitalisieren die auf der Feldebene gesammelten Daten. Das erleichtert unseren Kunden den Übergang zu einem datengesteuerten Unternehmen“, erklärt Torsten Fuchs, Geschäftsführer von Gefran Deutschland.

Fit für Industrie 4.0: Gefrans Baureihe der ultraschnellen Druckmessumformer KS-I verfügen über einen digitalen IO-Link 1.1-Ausgang und fortschrittliche Diagnosefunktionen.

Massedrucksensoren mit IO-Link

Eines der ersten Produkte, die Gefran speziell für die Anforderungen einer vernetzten Fertigung entwickelte, waren die Massedrucksensoren der Baureihe IL. Diese Sensoren, die sämtlich PLd- und SIL2-zertifiziert sind, bietet Gefran sowohl mit den Füllmedien NaK (ILK), Öl (ILW) und Quecksilber (ILM) als auch in der füllmedienfreien IMPACT-Version (ILI) für Drücke bis zu 2000 bar und Temperaturen bis 538 °C an.

Ausgestattet mit IO-Link werden die Massedrucksensoren kalibrier- und skalierbar und stellen ein Temperatursignal in der Messspitze als zweiten Prozessparameter bereit. Gleichzeitig zählt der Sensor mit IO-Link seine Betriebsstunden und erfasst und speichert die Maximalwerte von Druck- und Temperatur.

Multivariabel und intelligent – der Multifunktionssensor TWIIST erfasst neben der Position auch Neigung, Drehung, Beschleunigung und Vibrationen sowie Temperatur und Anzahl der Betriebsstunden in Echtzeit.

Magnetostriktive Wegsensoren mit IO-Link

Mit seiner Serie Hyperwave WPL (HyperWave Profil IO-Link) hat Gefran kontaktlose magnetostriktive Positionsaufnehmer mit IO-Link für Messlängen bis 4.000 im Programm. Diese Wegaufnehmer sind extrem messgenau und resistent gegen EMV-Störungen und Vibrationen.

Die Sensoren können deutlich mehr, als einfache analoge Messsignale zu senden. Azyklisch werden zusätzlich Informationen wie beispielsweise die gesamte gemessene Länge, Bewegungszeit, Höchstgeschwindigkeit und -beschleunigung erfasst. Diese Daten geben Aufschluss über den Betriebszustand von Sensor und Maschine. Zusätzlich speichern die Sensoren die Maximalwerte von Temperatur, Beschleunigung und Geschwindigkeit und können zudem als einzige Wegaufnehmer auf dem Markt jederzeit Daten über Cursor-Position und Bewegungsgeschwindigkeit liefern. In der Version mit zwei SSC-Ausgängen (Switching Signal Channel) lassen sich außerdem Steuer- und Alarmgrenzwerte einstellen.

Das GRP-H von Gefran ist das erste einphasige Halbleiterrelais mit digitalem IO-Link-Protokoll.

Ultraschnelle Druckmessumformer mit IO-Link-Schnittstelle

Nach den Massedruck- und Wegsensoren stattet Gefran auch seine kompakten, äußerst robusten und kalibrierbaren Druckmessumformer der Baureihe KS-I für Hydraulik- und Pneumatikanwendungen mit einem digitalen IO-Link 1.1-Ausgang und fortschrittlichen Diagnosefunktionen aus. Die Sensoren erfassen Druck und Temperatur mit einer hohen Abtastfrequenz von 1.000 S/s. So schnell ist kein anderer vergleichbarer Drucksensor. Die Speicherung der Höchstwerte von Druck und Temperatur sowie der erreichten Druckspitzenwerte und der Anzahl der Arbeitsstunden sind dabei für die vorausschauende Wartung im Rahmen von Industrie 4.0 unerlässlich.

Im Hinblick auf die zyklischen Daten sind die beiden detailliert parametrierbaren Schaltlogik-Signalkanäle SSC und zwei physikalische SIO-Ausgänge von besonderer Bedeutung. Die Sensoren sind für Messbereiche von 4 bar bis 1.000 bar in einem Prozesstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C verfügbar, mit einer Genauigkeit von unter +/- 0,5 % FS.

Der konfigurierbare Miniaturleistungssteller GRM-H mit IO-Link ist ein vollständig ausgestatteter einphasiger Leistungssteller für die Regelung Ohm’scher Widerstände.

TWIIST – Mehr als ein Sensor

Das jüngste „IO-Link-Produkt“ von Gefran im Bereich Sensorik ist die Baureihe der multifunktionalen TWIIST-Sensoren zur kontaktlosen und verschleißfreien Positionserfassung. Sie revolutioniert die Rolle der Messtechnik in der Automatisierung und definiert die Funktion von Sensoren neu: Die intelligenten Wegaufnehmer erfassen neben der Position auch andere Prozessgrößen wie Neigung, Drehung, Beschleunigung und Vibrationen in Echtzeit. Zudem messen sie die Temperatur, zählen die Betriebsstunden und lösen bei vorgegebenen Werten Alarmevents aus. Sie erkennen Unregelmäßigkeiten im Bewegungsablauf und tragen damit maßgeblich zu einer zuverlässigen Überwachung der Produktionsprozesse bei.

Alle multivariablen Versionen des intelligenten TWIIST-Sensors verwenden ein patentiertes dreidimensionales auf dem Hall-Effekt basierendes Messsystem und sind kundenspezifisch anpassbar. Die langlebigen Positionsaufnehmer basieren auf dem magnetischen Messprinzip und verfügen neben dem IO-Link-1.1-Ausgang auch über CANopen-Digitalausgänge. In der Ausführung in IP67 eignen sie sich für besonders anspruchsvolle Umgebungen.

GRP-H – Halbleiterrelais mit IO-Link

Die innovativen, einphasigen Halbleiterrelais der Serie GRP-H sind die ersten Solid State Relais (SSR) mit einer auf IO-Link-Standards basierenden Architektur. Sie zeichnen sich durch ein robustes, ultrakompaktes Design, eine hohe Modularität und einen weiten Strombereich von 15 bis 120 A aus. Die Ausstattung umfasst alle Betriebsarten inkl. Phasenanschnitt, Sanftanlauf und Teillastbrucherkennung für bis zu acht parallel angeordnete Heizelemente. Dank IO-Link erfassen und übertragen die SSR auch Betriebsstunden, Energieverbrauch und Strom- bzw. Temperaturspitzen. Für die schnelle, unkomplizierte Konfiguration der GRP-H-Relais – selbst im Feld – entwickelte Gefran die NFC App (Android + iOS). Die App vereinfacht mögliche Wartungseinsätze, da sie „per Knopfdruck“ die Konfiguration der Relais auslesen oder eine neue Konfiguration aufspielen kann – kabellos und ohne PC. Ein und dieselbe Konfiguration lässt sich auf diese Weise fehlerfrei auf viele verschiedene GRP-H-Relais übertragen.

Intelligente Miniatur-Leistungssteller der Serie GRM-H

Der jüngstes Aktor mit IO-Link ist der konfigurierbare Power Controller GRM-H. Der vollständig ausgestattete, einphasige Leistungssteller im Miniaturformat ist für einen Strombereich von 15 bis 120 A und Lastspannungen bis 600 Vac ausgelegt. Er regelt lineare und nicht lineare elektrische Heizwiderstände inklusive NIR-Lampen (NIR=Nah-Infrarot) und Transformatoren – ist also für alle Ohm’schen Widerstände geeignet. Dazu verfügt der kleine Leistungssteller neben der nulldurchgangsschaltenden Impulspaketsteuerung in Voll- oder Halbwelle auch über die Möglichkeit, den Laststrom über den Phasenanschnittwinkel einzustellen. Zusätzlich bietet er verschiedene Feedbackfunktionen für Strom, Spannung und Leistung sowie einen einstellbaren Sanftanlauf, eine Strombegrenzung und einen Relais-Ausgang.

Die Steuerung des Miniaturleistungstellers erfolgt wahlweise analog, digital oder über eine IO-Link-Schnittstelle. Diese gestattet die Einbindung in übergeordnete Feldbussysteme und punktet mit schneller, bi-direktionaler Kommunikation. Zudem erlaubt IO-Link auch hier die Erfassung und Übertragung einer Vielzahl von Informationen, die für die Zustandsüberwachung genutzt werden können. Im Verbund mit einem oder zwei weiteren GRM-H Leistungsstellern oder Halbleiterschützen aus der GRS- oder GRP-Familie können in einer sogenannten „Master-Slave“-Anordnung auch dreiphasige Lasten, die im Dreieck oder im Stern verdrahtet sind, geregelt werden.

Fazit: sicher, sauber und bereit für Industrie 4.0

Ausgestattet mit IO-Link ermöglichen Sensoren und Aktoren den Datenaustausch zwischen verschiedenen Automatisierungssystemen. Dank ihrer Fähigkeit zur Diagnose der maßgeblichen Prozessparameter liefern sie eine entscheidende Grundlage für das Condition Monitoring und die vorausschauende Wartung und Instandhaltung. Damit beugen sie ungeplanten Maschinenausfällen vor. Darüber hinaus tragen die Geräte, die sämtliche gesetzlichen Sicherheitsanforderungen erfüllen, per se zur Optimierung der Produktqualität bei und steigern die Prozesssicherheit.