Direkt in PC-based Control integrierbar: Highend-Messtechnik von Beckhoff

Präzise Highend-Messtechnik

| Autor / Redakteur: Martin Podrouschek, Beckhoff / Silvano Böni

Mit den EtherCAT-Messtechnikmodulen erweitert Beckhoff sein Messtechnik-Sortiment um die Präzisions- und Hochgeschwindigkeits-Messtechnik.
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Mit den EtherCAT-Messtechnikmodulen erweitert Beckhoff sein Messtechnik-Sortiment um die Präzisions- und Hochgeschwindigkeits-Messtechnik. (Bild: Beckhoff)

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Die EtherCAT-Messtechnikmodule von Beckhoff eröffnen neue Möglichkeiten in der Messtechnik. Bezogen auf Genauigkeit, Wertepräzision, Synchronisierung und die Langzeit-Messgenauigkeit waren diese in der systemintegrierten Automatisierung bis anhin nur mit teuren Spezial-Geräten möglich.

Die Kundenanforderungen an den Maschinen- und Anlagenbau bezüglich Taktzeiten, Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung wachsen zunehmend. Eine hochpräzise Messtechnik ist hier eine wichtige Voraussetzung, um wettbewerbsfähig bleiben zu können. So sind End-of-line-Prüfstände mittlerweile in Fertigungs- und Verpackungsanlagen Standard: In kurzen Taktzyklen muss hier jedes End­produkt einzeln geprüft beziehungsweise vermessen werden und die Daten sind für die spätere Nachverfolgung zu archivieren. Dieses Tracing stellt auch hohe Ansprüche an die verwendete Mess­technik, wie zum Beispiel die Vorlage von Werks­kalibrierzertifikaten und die kontinuierlich nachzuweisende Mess-Sicherheit. Bisher mussten dafür oft – mit entsprechend hohem Aufwand – systemfremde Messgeräte über Bussysteme angebunden werden.

Eine effiziente und systemintegrierte Lösung bietet Beckhoff nun mit der Einführung einer speziell auf diese Bedürfnisse ausgerichteten Serie an messtechnischen EtherCAT-Modulen – jedes Modul beispielsweise mit eindeutiger Identifikations­nummer (ID), auf die auch ein Werkskalibrierzertifikat ausgestellt werden kann. Mit diesen EtherCAT-Messtechnikmodulen wird die vorhandene Beckhoff-Messtechnik, bestehend aus analoger Standard-Messtechnik (12/16 Bit), Energiemessung und Condition Monitoring, um eine vierte Serie erweitert: die Präzisions- und Hochgeschwindigkeits-Messtechnik.

Meilenstein in der Automatisierungswelt

Die neue Geräteklasse bietet hochleistungsfähige Messtechnik in robuster und anwendungsfreundlicher Ausprägung und speziell designt für den Industrieeinsatz mit kurzen Konfektionierungszeiten in industrieüblicher Schaltschrankumgebung. Hinzu kommt eine umfassende Selbstdiagnose, die auch in typischen unbegleiteten wartungsarmen Anlagen für einen langfristig zuverlässigen Betrieb sorgt. So erkennen die EtherCAT-Messtechnik­module etwaige Fehlmessungen automatisch und sofort, die ansonsten oft irrtümlich längere Zeit für valide gehalten werden. Realisiert ist dies – kontinuierlich über EtherCAT als Diagnosebericht abrufbar – durch:

  • die umfassende Anschlussdiagnose zur weitgehenden Erkennung von Kurzschluss, Drahtbruch und Nebenschluss,
  • einen umfassenden Selbsttest und interne wiederholte Prüfungen,
  • die andauernde Überwachung von Temperatur und Eingang zur Erkennung von Überlastung.

Eigenschaften wie hohe Auflösung, hohe Messgenauigkeit und hohe Sampling-Rate sind in der Labormesstechnik zwar seit Langem bekannt und verfügbar, werden nun aber von Beckhoff mit seiner langjährigen Serienerfahrung in die klassische Automatisierungsindustrie eingebracht. Diese Verbindung von Präzisionsmesstechnik und Industrie­umfeld eröffnet den Herstellern klassischer Fertigungs-, Prüf- und Testanlagen ganz neue Möglichkeiten, um ihre Anwendungen technologisch weiter voranzutreiben.

Vielseitige EtherCAT-Messtechnikmodule für Industrie und Prüffeld

Die neuen Geräte sind für den vielseitigen Einsatz sowohl in der Industrie als auch im Prüffeld ausgelegt. Es stehen zum einen Multifunktionskanäle mit zahlreichen integrierten Messbereichen (30 V bis 20 mV, ±20 mA, Voll-/Halb-/Viertelbrücke DMS,
IEPE, Thermoelement, RTD) und zum anderen preis­optimierte Auskopplungen davon zur Verfügung – in unterschiedlichen Kanalzahlen.

Hauptkennzeichen der EtherCAT-Messtechnikmodule ist die sehr hohe Qualität der erfassten Datenwerte, erreicht durch unterschiedlichste Massnahmen:

  • Es besteht eine hohe Übersprechdämpfung zwischen den Kanälen.
  • Hochwertige Bauteile der neuesten Generation sorgen für eine besonders rauscharme und dynamische Messung. So kann die hohe 24-Bit-Auflösung, also die theoretisch 256-mal feinere Messwertauflösung als bei den üblichen 16 Bit, voll ausgenutzt werden. Zumal EtherCAT mit seiner 100-MBit-Datenrate über genug Raum verfügt,
    um auch hunderte solcher 24-Bit-Kanäle bei 10 kSamples/s zu transportieren.
  • Durch die besondere Vorbehandlung in der Beckhoff-Produktion kann die Messtechnik-Hardware direkt und langzeitstabil eingesetzt werden.
  • Umgesetzt wurde ein langzeitsicheres Schirmungskonzept für analoge Leitungen, das robust gegen Störungen und auch unter Schwingungs­belastung wirksam ist.
  • Geringe Messunsicherheit ergibt sich durch einen hochwertigen Abgleich in Serie und genau erfasste Abhängigkeiten der Einflüsse: Beckhoff weist die einzelnen Fehleranteile wie Wiederholfehler, Nichtlinearität, Offset-/Gain-Fehler und Rauschen einzeln in der Spezifikation aus.

Einige Messbereiche erreichen eine Grundmessgenauigkeit von 100 ppm (0,01 Prozent) bei 23 °C, und dies bei hoher Temperaturstabilität. Dies ist zwar üblich in der klassischen Messtechnik, aber sicherlich revolutionär für die Automatisierungswelt. In der neu vorgestellten Basisklasse stehen nun je nach Ausprägung verschiedene Sampling-­Raten zur Verfügung, die von jedem üblichen EtherCAT-Master bei 100 bis 500 μs Zykluszeit mit Oversampling inkl. Zeitstempel abgeholt werden können und eine feine Zeitauflösung der Messung ermöglichen:

  • 10 kSamples/s in den Multifunktionsklemmen
  • 20 kSamples/s in den 2-kanaligen Auskopplungen U, I, Messbrücke (DMS)
  • 50 kSamples/s in der 2-kanaligen IEPE-Auskopplung

Die ExtendedRange-Funktion ermöglicht mit der sogenannten 107-Prozent-Erweiterung das echte Messen bis an die nominelle Grenze und darüber hinaus. Auf diese Weise lässt sich der jeweilige Sensorbereich voll ausnutzen. Flexibel zeigen sich die EtherCAT-Messtechnikmodule auch hinsichtlich der Justierung: Die Beckhoff-Abgleichwerte können deaktiviert und anwenderseitig durch eigene Werte ersetzt werden. Dies gilt ebenfalls für den Polynom­abgleich zur Kompensation von Nichtlinearitäten. Weiteres Feature ist die synchrone Abtastung aller Kanäle und Klemmen auf < 1 μs bis hin zu einer externen Synchronisierung auf eine absolute Weltzeit über IEEE 1588 oder andere EtherCAT-Netzwerke.

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