Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung sind Standardkomponenten in der Fabrikautomation. Innerhalb definierter, einstellbarer Tastweiten können sie unabhängig von der Beschaffenheit des Hintergrunds nahezu beliebige Objekte detektieren. Dabei setzen fast ausnahmslos alle Taster mit Hintergrundausblendung auf das Triangulationsverfahren: Bei diesem Erfassungsprinzip bildet die Sensor-Optik den vom Objekt zurückgestrahlten Lichtfleck in unterschiedlichen Positionen auf der Empfängerebene – einer Differential-Diode – ab.

Abhängig davon, ob das Empfangslicht von einem näher liegenden Objekt oder dem Hinter­grund zurückgeworfen wird, fällt es auf das Nah- beziehungsweise Fernelement der Differential-Diode. Aus diesem Differenzsignal wird anschließend das Schaltsignal generiert.

Ohne bewegliche Teile bieten die elektronisch einstellbaren Taster mit Hintergrundausblendung eine bislang nicht verfügbare Flexibilität hinsichtlich Justage und automatischem Formatformat.

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Die Einstellung der Tastweite – der Bereich in dem der Sensor Gegenstände erfasst – erfolgte bislang durch Verschieben der Differential-Diode mit einem Schraubendreher über eine Mehrgang-Spindel. Gerade diese manuelle Einstellung der Tastweite widerspricht der Forderung aus dem Maschinenbau nach höherer Flexibilität der Anlagen: Formatwechsel und Maschinenanpassungen können gar nicht oder nur sehr aufwendig komplett automatisiert über die Steuerung durchgeführt werden. Das Hauptproblem: Es gibt bislang kaum intelligente Taster mit rein elektronischer Einstellung.

Das war der Ausgangspunkt für die Firma Leuze electronic, einen Opto-Asic zu entwickeln, der eine elek­tronische Tastweiteneinstellung ermöglicht. Der patentierte Elektronik-Baustein kombiniert dazu auf einem CMOS-Chip photosensitive Empfängerstrukturen mit logischen Auswertefunktionen. Eingesetzt in der Sensor-Baureihe 46B kann deren Tastweite ohne mechanisches Verschieben der Detektions-Einheit präzise und mit hoher Genauigkeit eingestellt werden.

Konfiguration via IO-Link

Erst die Kombination der elektronischen Tastweiteneinstellung mit der im Sensor implementierten IO-Link-Schnittstelle macht die Taster zu intelligenten Sensoren. Darüber können direkt aus der Anlagensteuerung die zwei unterschiedlichen Tastweiten der Sensoren millimetergenau eingestellt werden. Das ermöglicht beispielsweise schnelle Formatwechsel oder eine vereinfachte Inbetriebnahme, da niemand mehr in der Anlage an „entlegenen“ Stellen die Schaltpunkte von Hand einstellen muss. In Verbindung mit den Konfigurationstools funktioniert das bequem über den Laptop vor dem Steuerungsschrank – in Verbindung mit TCI (Tool Calling Interface) auch direkt aus der Programmierumgebung der Steuerung. Zudem geben die Taster über IO-Link eine Rückmeldung zur optischen Signalqualität und erlauben so eine aussagekräftige Diagnose.

Damit können grenzwertige Applikationen schon in der Inbetriebnahmephase identifiziert werden. Integriert in Instandhaltungskonzepte kann eine schleichende Verschmutzung rechtzeitig vor einer Fehlfunktion erkannt und bei einem Schichtwechsel oder bei einer Umrüstung beseitigt werden. Falls dennoch ein Sensorwechsel notwendig sein sollte, kann die Steuerung vorgenommene Einstellungen über IO-Link automatisch in dem neuen Sensor reproduzieren. Der Vorteil: Solche einfachen Wartungsarbeiten dürfen auch Maschinenbediener ohne elektrotechnische Kenntnisse erledigen.

Per IO-Link können die Tastweiten individuell eingestellt werden – offline per Konfigurationstool und Tool Calling Interface oder online über IO-Link-Call-Funktionsbausteine im SPS-Programm.

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Interessante Anwendungsszenarien ergeben die Sensoren mit einer zweiten Tastweite. Solche Sensoren kann man sich funktional wie zwei Taster in einem Gehäuse vorstellen. Je nach Gerätevariante lassen sich zwei individuelle Tastweiten einstellen, deren Schaltzustände über zwei Ausgänge oder IO-Link ausgegeben werden. Damit lassen sich eine Reihe interessanter, durchaus anspruchsvoller Lösungen mit geringem Aufwand realisieren: Typische Anwendungsfälle sind Zwei-Punkt-Regelungen oder die Steuerung von Bewegungsabläufen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (Schnellgang/Schleichfahrt/Halt).

Ebenso denkbar sind die Durchhangskontrolle bei Ab- und Aufrollprozessen von Rollenmaterialien (Draht, Bänder, Folien) oder die Überwachung von Lagerfächern in einem Regal. Großes Potenzial besteht darüber hinaus an Maschinen mit einem hohen Anteil an Formatverstellungen bei einem Auftragswechsel.

Autor: Dr. Albrecht von Pfeil ist Produkt-Manager Opto-Sensorik bei der Leuze electronic in Owen/Teck.

Die Optionen

IO-Link ist eine herstellerübergreifende serielle Schnittstelle, die eine durchgängige Kommunikation von der Steuerung bis in den Sensor ermöglicht. Zu einem IO-Link-System gehören immer ein Master, der die Anbindung an den Feldbus oder die Steuerung bereit stellt, und ein Device (Sensor oder Aktuator). Wesentliche Eigenschaft der IO-Link-Schnittstelle ist die Rückwärtskompatibilität von Master und Device zu vorhandenen, binär schaltenden Komponenten. Der Schaltausgang der Sensoren kann durch einen Aufruf (wake-up) des Masters als Punk-zu-Punkt-Kommunikationsschnittstelle initialisiert werden. Die Datenübertragung erfolgt dabei über die 3-polige, ungeschirmte Standard-Sensorleitung bis zu 20 m weit (24-V-Modulation per UART-Pro­tokoll.

Parametrierung von IO-Link Devices

Offline-Betrieb: Über ein Parametrierprogramm und einen USB-IO-Link-Master können die Sensoren per PC parametriert werden. Engineering Tool: Aus den gängigen Engineering-Tools heraus kann über TCI (Tool Calling Interface) oder FDT (Field Device Tool) ein Parametrierprogramm aufgerufen und die Parameter eingesetzt werden.

Parametrierung aus dem Steuerungs­programm: Dies ist sicher die am häufigsten verwendete Parametrierung. Über einen vom Steuerungs­hersteller bereitgestellten IO-Link-Call-Funktionsbaustein können die Devices die Geräte direkt ansprechen und alle IO-Link-Funktionen ak­tivieren beziehungs­weise Parametrierungen durchführen. Die Prozessdaten, etwa der Schaltzustand des Sensors, werden parallel zur Parametrierung zyklisch an die Steuerung übertragen.