Mehr und mehr Firmen setzen auf die Digitalisierung der industriellen Produktion. Das Ziel: Mit Hilfe von Sensoren, dezentraler Steuerung und IT selbst komplexe Produktionsprozesse künftig nahezu in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. Das schafft eine höhere Transparenz in den Abläufen und senkt Lagerkosten da ‚Just-in-sequence‘-Material bestellt und verarbeitet werden kann. Gleichzeitig werden die Prozesse flexibler: Die Fertigung von kleinsten Losgrößen bis hin zu Einzelteilen (Losgröße 1) wird damit wirtschaftlich. Hersteller von individualisierten Produkten können ihre Fertigung nach dem Motto ‚Plug & Produce‘ schneller und einfacher umrüsten und anpassen. 

Dabei sind Sensordaten der Rohstoff für Produktionsanlagen der Generation Industrie 4.0. Die Erfassung der Messdaten und deren Weiterverarbeitung und Übertragung an übergeordnete Steuerungen läuft immer schneller ab. Messverstärker sorgen dafür, dass die Sensoren in Echtzeit über eine industrielle Kommunikation mit Hilfe der Feldbus-Protokolle mit den dezentralen Steuerungen kommunizieren können. Messtechnik-Software, in Form von neuartigen integrierten Web-Servern, schafft den innovativen Spagat zwischen möglichst einfacher Bedienung und der Realisierung immer komplexerer Funktionen. 

Um den erhöhten Ansprüchen an Messtechnik in Zeiten von Industrie 4.0 gerecht zu werden, haben die Hersteller ihre Produkte weiter optimiert: HBM beispielsweise stellt die ganze Messkette für die Digitalisierung der Fertigung zur Verfügung. Als neueste Innovation hat der Messtechnik-Hersteller den dynamischen Messverstärker ClipX entwickelt, der die Sensorsignale nicht nur störsicher verstärkt und zur Steuerung transportiert, sondern die Messwerte auch gleich vorverrechnet und zusammenfasst – und damit die übergeordneten Steuerungen entlastet.

Genauigkeitsklasse von 0,01

Dass die gesamte Messkette nur so präzise wie sein schwächstes Glied ist, sollte allen Maschinenbetreibern klar sein. Oftmals werden jedoch hochpräzise Sensoren mit weniger präzisen Messverstärkern eingesetzt, was zu einer geringen Gesamtgenauigkeit der Messkette führt. 

Das responsive Design des  Web-Interface erlaubt die Parametrierung des Mess­verstärkers sowie die Visuali­sierung von Messwerten.

© HBM

ClipX verfügt über eine Genauigkeitsklasse von 0,01 und einen integrierten Kalibrierschein. Anwender des Industriemessverstärkers profitieren also von erhöhter Genauigkeit, denn Linearitätsfehler, Hysterese und Temperatureinflüsse sind kleiner als 0,01 % relativ zum Endwert. Dieser Entwicklungssprung bei der Messgenauigkeit ermöglicht Anwendern von Maschinen oder Prüfständen, Produkte schneller und günstiger herzustellen. Präzisere Messungen erlauben weitere Messtoleranzen, was zu deutlich geringeren Ausschussraten führt.

Industriemessverstärker sind zudem zahlreichen externen Fehlerquellen ausgesetzt. Sie arbeiten oft neben großen Motoren, Generatoren und Umrichtern, die starke elektromagnetische und elektrostatische Felder und Störungen erzeugen. Diese Störungen wirken direkt auf die Messverstärker ein. Auch von den Messleitungen zwischen den Sensoren und den Messverstärkern gehen Fehler aus. Diese können im Falle von fehlender Schirmung wie Antennen wirken und Störungen in den Messverstärker leiten. Daher sind Messverstärker mit entsprechenden Entstör-Elementen so aufzurüsten, dass auch im Falle von Störungen die Messgenauigkeit erhalten bleibt. Diese Eigenschaften sollten unbedingt in den technischen Daten der Industriemessverstärker dokumentiert sein, wie es HBM für all seine Geräte tut.

Intuitives Web-Interface

Ein besonderes Feature des neuen Messverstärkers ist das im Gerät integrierte und intuitive Web-Interface, mit welchem eine schnelle und einfache Inbetriebnahme möglich ist. Mit dem Web-Interface ist der Messverstärker ohne Software-Installation oder Schulungsaufwand sofort betriebsbereit. Das spart nicht nur Zeit, sondern reduziert auch die Kosten und vereinfacht die Bedienung, da lediglich eine Browserverbindung benötigt wird. Lästige Software-Updates entfallen, da sich der Server immer automatisch an die Hardware anpasst. 

Mit ClipX können einzelne Messketten und auch Messsysteme mit bis zu sechs quasi-synchronisierten Geräten im Millisekundentakt realisiert werden – optional mit Feldbus-Anbindung. So können mehrere Feldbusse in der Applikation betrieben werden.

© HBM

Aufgrund strengerer Sicherheitsregeln dürfen oftmals gar keine Software-Installa-tionen mehr ohne Freigabe der IT-Abteilung vorgenommen werden. ClipX umgeht diese Hürde: Durch eine einfache Ethernet-Verbindung – dem Schnittstellenstandard in Büro und Fabrik – wird das Gerät mit dem Internet verbunden. Es werden keine zusätzlichen Adapter benötigt. Über das Internet ist zudem ein weltweiter Fernzugriff auf das Gerät möglich, um dieses zum Beispiel per ‚Remote Control‘ parametrieren zu können. 

Das Web-Interface, das auf Grundlage des weltweit verwendeten ‚Google Material-Designs‘ entwickelt wurde, ist zudem responsive, das heißt, es erkennt die Auflösung von PC, Smartphone oder Tablet und ermöglicht somit eine optimale Darstellung auf allen browserbasierten Endgeräten.

Über das Web-Interface sind jedoch nicht nur eine vollständige Parametrierung des Messverstärkers möglich, sondern auch eine direkte Visualisierung von Messwerten und Prozessen sowie eine Diagnose-Anzeige. Dieses sogenannte ‚Health Monitoring‘ erkennt Fehler und meldet diese dem Bediener über Alarmfunktionen. Somit können Fehler schnell behoben werden, was zu weniger Maschinenstillständen und effizienteren Prozessen führt. Eine Datenverwaltung ist durch die Backup- und Restore-Funktion ebenfalls kein Problem. Die Dateien können auf einem Rechner gespeichert und bei Bedarf auf andere Geräte gespielt werden (Geräte klonen).

Die Messtechnik in industriellen Anwendungen muss sich nahtlos in die Automatisierungssysteme einfügen. ClipX ist daher mit Funktionen und Features ausgestattet, die eine Integration der Messtechnik in den Produktionsprozess vereinfachen. So verfügt der Messverstärker über alle gängigen Automatisierungs-Schnittstellen wie Profinet, Ethercat, Profibus, Ethernet/IP, Analog (V/mA,) Digital-I/O und Ethernet (TCP/IP). 

Da die Datenmengen und die Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit drastisch gestiegen sind, setzen sich in der Automatisierungstechnik die schnellen Ethernet-basierten Feldbusse immer mehr als Kommunikationsprotokolle durch. In der Vergangenheit waren dies einfache Feldbusse wie CAN oder Profibus. Heute und zukünftig müssen Datenerfassungssysteme die Echtzeit-Ethernet-Protokolle Ethercat, Profinet oder Ethernet/IP unterstützen, die auch große Datenmengen sehr schnell übertragen können.

Smart Functions schaffen Entlastung

Anders als bei gängigen Messverstärkern benötigt ClipX kein separates Kopfmodul, um Daten direkt zu verarbeiten. Ob Einkanal- oder Mehrkanal-Anwendungen in Maschinen zur Fertigung oder zur Produktionsüberwachung – mit den neuen HBM-Messverstärkern lassen sich verschiedene Messaufgaben umsetzen. So können zum Beispiel bis zu sechs Geräte per ‚Plug & Play‘ modular zusammengesteckt und Messdaten vorverrechnet werden. Zudem können über die Feldbus-Schnittstellen ein oder mehrere unterschiedliche Anlagensteuerungen auf das System zugreifen. Gerade bei Anwendungen mit einem sehr hohen Automatisierungsgrad ist die dezentrale Intelligenz der Messtechnik entscheidend, um die Ausfallhäufigkeit und die Systemlast der Steuerung zu senken. Um schnellere Produktionsprozesse zu schaffen, kann der Messverstärker über die eigentliche Messfunktion hinausgehende Berechnungen oder Regelfunktionen übernehmen, was die übergeordnete Steuerung (SPS) entlastet. Dank sogenannter ‚Smart Functions‘ lassen sich die gemessenen Signale bereits intern verarbeiten und in Echtzeit auswerten. Damit kann der Messverstärker einen Teil der Aufgaben, die sonst von der SPS ausgeführt werden müssten, direkt selbst erledigen – beispielsweise Mittelwertbildung, Spitzenwerterfassung und weitere mathematische Berechnungen sowie PID-Regler. 

Parametrieren statt Programmieren

Da die Berechnungskanäle in Echtzeit laufen, können Toleranzaufgaben mit Gut-/Schlecht-Erkennung übernommen werden. Die Berechnungskanäle müssen dabei vom Bediener lediglich parametriert und nicht selbst programmiert werden. Anstatt aufwendigen Software-Code zu schreiben, lassen sich in die vorgefertigten Funktionen einfach Parameter und Eingangssignale einsetzen. Dies erspart dem Anwender einen enormen Arbeitsaufwand. 

Mit modernen Messverstärker-Systemen können nicht nur die Herstellungskosten von Produkten gesenkt, sondern auch die Qualität und Geschwindigkeit der Fertigung gesteigert werden.

Autor:
Michael Guckes ist Produktmanager für Industriemessverstärker und Software bei HBM.