Das „Wireless Inductive System”œ dient der Anschaltung von bis zu acht binären Sensoren. Es besteht aus einem primären Übertragerund Auswertemodul für die DINHutschiene, dem Feldanschaltmodul sowie zwei Übertragerköpfen in Zylinderbauform M30.

In diesem Bereich ist das Prinzip der induktiven Kopplung über ein elektromagnetisches Wechselfeld eine Alternative zu WLAN. Diesen physikalischen Effekt nutzt jeder herkömmliche Transformator, wobei dabei entweder das Umformen von Spannungen in der Energieübertragung oder aber die mess- und nachrichtentechnische Spannungs- und Impedanz-Anpassung im Vordergrund stehen. Unter Verzicht auf den Eisenkern, die räumliche Trennung der Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators und ihre Unterbringung in separate Gehäuse-Einheiten lässt sich ein induktives Übertragungssystem für Energie und Informationen aufbauen, wie es Pepperl+Fuchs mit dem „Wireless Inductive System“ (WIS) umgesetzt hat. Jedes Mal, wenn die Wicklung der Sekundärseite in ein aktives Wechselfeld der Primärseite eintaucht, wird durch Gegenkopplung Spannung induziert und Energie übertragen. Ein Pulsverfahren stellt die Signale der Sensoren bitweise zur Verfügung. Als Bauform für die Übertragerköpfe bietet sich die Zylinderbauform an, die bei binären Sensoren zum Beispiel in der Größe M30 weit verbreitet ist.

Das Maß der Leistungsübertragung wird vom Kopplungsfaktor bestimmt, der wiederum von der Geometrie der Spulen zueinander beziehungsweise vom Abstand der beiden Übertragerköpfe abhängt. Je näher die beiden Spulen sich sind, desto stärker ist die Kopplung und damit die übertragbare Energie. Bei einem induktiven Wechselfeld mit einer Frequenz von 200 kHz auf der Primärseite, M30-Übertragerköpfen und einem Abstand von 5 mm lässt sich eine Leistung von 1,5 W auf die Sekundärseite übertragen. Dieser Wert ist ausreichend, um mehrere induktive, kapazitive oder optische Sensoren direkt auf einem bewegten Maschinenteil zu betreiben.

Zum Betrieb des Systems bedarf es primär- und sekundärseitiger Übertragersysteme und Auswerte-Elektroniken. Die Elemente der Primärseite werden in einem schaltschrankgerechten Interfacemodul untergebracht. Dort befinden sich die Komponenten zur Anregung der Primärspule sowie eine Reihe von Ausgangskanälen, die die zur Weiterverarbeitung aufbereiteten Sensorsignale verfügbar machen.

Die induktive Übertragung

Das „Wireless Inductive System”œ dient der Anschaltung von bis zu acht binären Sensoren. Es besteht aus einem primären Übertragerund Auswertemodul für die DIN-Hutschiene, dem Feldanschaltmodul sowie zwei Übertragerköpfen in Zylinderbauform M30.

Das sekundärseitige Auswertemodul beherbergt einerseits die Elektronik zur Wandlung der empfangenen Energie in definierte Versorgungsspannungen für die angeschlossene Sensorik und andererseits die zur Konditionierung der Sensorsignale notwendige Schaltung. Nach der Digitalisierung lassen sich die Signalzustände der Sensoren zum Beispiel bitweise mit einzelnen Sende-Impulsen zur Primärseite übertragen. Darüber hinaus bestehen auf der Sekundärseite, die sich im Feld nahe am Verarbeitungsprozess befindet, erhöhte Anforderungen an die mechanische Widerstandsfähigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen wie Staub und Feuchtigkeit. Bei der Ausführung ist daher auf eine hohe Schutzart und auf die Industrietauglichkeit aller Steckverbindungen zum Anschluss der Sensoren und des Übertragerkopfes zu achten. Sinnvoll ist eine Ausführung, wie sie von typischen Feldanschaltmodulen bekannt ist.

Die Grenzen des Systems liegen in der begrenzten Signalübertragungsrate von etwa 140 Bit/s und in der eingeschränkten Reichweite der induktiven Kopplung. Entscheidend sind dabei die geometrischen Abmessungen der Übertragungsspulen: Je größer die Spulen, umso größer ist der erzielbare Arbeitsabstand. Ein System mit Spulen im 30-GM-Gehäuse erreicht bis zu 5 mm Übertragungsabstand. Fährt der sekundäre Übertragerkopf aus diesem Bereich hinaus, ist keine kontinuierliche Übertragung mehr gegeben. WIS ermöglicht die Anschaltung von bis zu acht Sensoren, die an 12-V-Versorgungsspannung betrieben werden.

Typische Anwendungsgebiete sind Drehtische, Presswerke, Drehwerkzeuge in Bearbeitungsstationen, Druckwalzen oder Wechselwerkzeuge in der Verpackungstechnik.

Autor

Jörg Wenzel ist Produktmanager im Bereich Sensoren bei der Firma Pepperl+Fuchs, Mannheim.