Das Ethernet-Netzwerkprotokoll wurde vor fast 40 Jahren entwickelt. Die Technologie basiert auf der Kombination eines Datenpakets (Frame) in Verbindung mit einer Checksumme, die der Sender erstellt und der Empfänger überprüft. Stimmt die empfangene Prüfsumme nicht mit der berechneten überein, wird der Datenblock verworfen und neu angefordert. Die integrierte Kollisionserkennung ermöglicht einen reibungslosen Datenverkehr bei mehreren Teilnehmern. Worin liegen die Hauptgründe für den Erfolg dieser Technologie? Ethernet ist ein offenes Protokoll. Es erlaubt nahezu uneingeschränkten Kommunikationsfluss in den Netzwerken – unabhängig vom Betriebssystem des Endgeräts und der eingesetzten Hardware. Neben der klassischen kabelgebundenen Kommunikation, verbindet die Wi-Fi-Technologie kabellose Systeme. Datenübertragung per Ethernet ist sehr schnell: Datenraten bis zu 10GBit/s ist heutiger Stand der Technik. Das Datenprotokoll sichert die vollständige und fehlerfreie Datenübertragung. Die eingesetzten Standardkomponenten werden in der Massenproduktion hergestellt, was die Komponenten sehr preisgünstig macht. Die geringen Kosten tragen zur weiteren Verbreitung von Ethernet in der Automatisierung bei. Speziell für die Messtechnik vereinfacht eine offene Ethernet-Schnittstelle die Integration der Sensoren in die vorhandenen Systeme; der Verdrahtungsaufwand ist minimal. Der Bediener kann den Controller per IP von überall her ansprechen, die Messdaten ortsunabhängig auswerten und die Fernwartung weltweit durchführen. Die Bedienung und Systemkonfiguration erfolgen im Standard Web-Browser, keine zusätzliche Software-Installation ist notwendig. Vorteile ethernetfähiger Messtechnik auf einen Blick: – Datenrate bis 10 GBit/s, – sichere Datenübertragung, – preisgünstige Standardkomponenten, – einfache Integration ins vorhandene System, – geringer Verdrahtungsaufwand, – Messdatenauswertung ortsunabhägig, – Fernwartung weltweit, – keine zusätzliche Software-Installation. Alternativen Es werden auch andere Datenübertragungstechniken zur Automatisierung von Maschinen und Produktionsanlagen benutzt. Feldbussysteme wie Profinet und K-Bus stellen eine Alternative zu Ethernet in der Datenübertragung zwischen Sensor und Controller in Netzwerken dar. Nach wie vor sind sie in der Automatisierungstechnik weit verbreitet. Da aber Ethernet mittlerweile in der Industrie, Telekommunikation und in privaten Haushalten verwendet wird, hat es im Vergleich dazu entscheidende Vorteile: sehr günstige Hardware durch Massenproduktion und schnelle und weltweite Verfügbarkeit der Komponenten. Im Laborbereich hat sich eine andere Variante des Datenübertragungssystems über Jahre verbreitet – der Universal Serial Bus (USB). Die Datenerfassungssysteme mit USB-Anschluss haben ein kompaktes Design. USB arbeitet mit einer sehr hohen Datenrate und garantierter Übertragungsbandbreite. Doch für industrielle Applikationen sind USB-Anwendungen oft kritisch. Außerdem erlaubt Ethernet längere Kabel und ermöglicht eine höhere Bandbreite. Darüber hinaus ist zum Erkennen der externen Geräte (Sensoren) keine Treiber-Installation notwendig. Anwendungsbeispiele Die industrielle Produktion fasziniert durch ihre Größe: Millionen teuere Anlagen, Fußballfeldgroße Produktionshallen und verflochtene Workflows, Kabel-Jungle sind die Folge. Neue Sensoren unter diesen Bedingungen zu integrieren ist aufwändig. Dagegen spart ein Messsystem mit einem Mehrkanal-Controller viel Arbeit, Zeit und Geld. So bietet der Universal-Controller CSP2008 eine flexible Lösung für die Automatisierung von Maschinen und Anlagen im dynamischen Industrieumfeld. CSP2008 verrechnet bis zu sechs Sensorsignale: zwei Sensoren werden per Schnittstelle direkt an den Controller angeschlossen. Vier weitere werden modular über separate Module mit dem Controller verbunden. Bei Anwendungen mit mehreren Sensoren, z.B. Höhenmessung; Koplanaritätsmessung, Ebenheits- und Rundheitsmessungen, werden Signale direkt im Controller verrechnet. Der CSP2008 ist echtzeitfähig bis 100kHz. Die Messwerte können vor Ort am Controller abgelesen werden oder per Ethernet zum Leitstand übertragen werden. Die (Fern-) Bedienung erfolgt vom Arbeitsplatz aus im Webbrowser. Der Controller ist per Weboberfläche konfigurierbar. Die Bedienoberfläche – Web Browser – bedarf keiner zusätzlichen Software-Installation. Im Unterschied zur Produktion, ist die Herausforderung eines Labors oder einer Qualitätssicherung die geforderte Flexibilität, da die Arbeitsplätze und eingesetzte Sensoren häufig gewechselt werden. Für den Einsatz in der Qualitätssicherung, Prüflabor und Entwicklung eignet sich das Wirbelstrom-Wegmesssystem eddyNCDT 3100. Zum Beispiel bei der Qualitätskontrolle in der Spindelfertigung. Da hier Spindel in unterschiedlichen Längen und Durchmesser gefertigt werden, werden für das optimale Messergebnis Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen benötigt. Je kleiner der Messbereich, desto genauer können die thermische Ausdehnung, Durchbiegung usw. bestimmt werden. Da die Kenndaten und die Abstimmung auf ferromagnetische und nicht-ferromagnetische Werkstoffe der Wirbelstrom-Wegsensoren der Serie eddyNCDT 3100 im Sensor hinterlegt sind, können die Sensoren einfach und ohne erneute Kalibrierung an einen und den gleichen Controller abwechselnd angeschlossen werden; das Messsystem wird direkt über die Ethernetschnittstelle vom PC bedient. In manchen Fällen ermöglicht die ethernetfähige Sensorik gar den Übergang von den manuellen Vorgängen zu den automatischen, z.B. im Medizinlabor. Dort werden Wirkstoffe für Testserien in Mikrotiter-Gefäße manuell gefüllt. Die exakte Menge des jeweiligen Wirkstoffes ist wichtig, die Befüllung muss sehr exakt erfolgen. Üblicherweise werden dafür Stichproben gewogen. Doch für die 100%-Qualitätsprüfung reicht das nicht aus. Für derartige Anwendungen stellt die konfokale Messtechnik eine geeignete Lösung dar. Beim konfokal-chromatischen Messverfahren wird weißes Licht über Linsen in verschiedene Spektren aufgespaltet und senkrecht auf ein Objekt fokussiert. Das reflektierte Licht wird über ein Spektrometer auf die CCD-Zeile geleitet: jede Position auf der CCD-Zeile entspricht nun genau einer Wellenlänge und somit der Entfernung des Messobjektes vom Sensor. Diese Technologie ermöglicht Messungen mit der Auflösung im Nanometerbereich. Lange Zeit gab es keinen ethernetfähigen Controller für derartige Sensoren. Sie mussten über einen A/D-Wandler an den PC angeschlossen werden. Der erste Controller mit Ethernet-Schnittstelle confocalDT 2451 kam 2011 auf den Markt und eröffnete neue Einsatzgebiete für diese sehr präzise Messtechnik. In unserem Beispiel, \“tastet\“ das berührungslose Messsystem die Mikrotiter in der Palette nacheinander ab und bestimmt das Füllniveau über die Abstandsmessungen vom Sensor zur Flüssigkeit. Die Sensormodelle und -Anzahl können variiert werden. In der laufenden Produktion werden oft einzelnen Sensoren mit integrierten Controllern eingesetzt. Mit EtherCAT (echtzeitfähiges Ethernet-basiertes Feldbussystem) können die Messwerte synchronisiert werden, z.B. in der Mineralwollproduktion. Mineralwolle wird häufig zum Dämmen von Häusern eingesetzt. Für die Einhaltung der Dämmeigenschaften ist die Dicke von tragender Bedeutung. Um diese zu kontrollieren werden Laser-Triangulations-Sensoren eingesetzt. Der hochdynamische Sensor optoNCDT 2300 führt eine berührungslose Abstandsmessung durch Auswertung des reflektierten Laserstrahls aus. In der Produktion wird Mineralwolle deutlich breiter und dicker als die vorgebene Größe gefertigt. Am Ende der Produktion werden die Bahnen besäumt und auf Normdicke abgefräst. Bei diesem Schritt entsteht unnötiger Abfall und Belastung der Fräswerkzeuge. Um den Produktionsaufwand zu optimieren und Abfall zu reduzieren, wird vor dem Fräsen die Dicke der Bahn gemessen. Eingesetzt werden dazu zwei Laser-Triangulations-Sensoren optoNCDT 2300. Sie arbeiten mit einer Geschwindigkeit bis zu 49 kHz und sind daher für die Qualitätskontrolle in der Linie bestens geeignet. Die Dicke errechnet sich aus dem Abstand der Mineralwolle zum Sensor und der Auflage. Die Sensoren messen die Bahn jeweils von unten und von oben. Sie sind über EtherCat mit dem PC verbunden. Die Dicke der Mineralwolle ergibt sich aus der Differenz der beiden Messwerte. Hohe Bandbreite, hohe Geschwindigkeit und eine synchrone Datenübertragung über EtherCAT gewährleisten eine stabile und genaue Messwerterfassung. Ausblick Ethernet-Netzwerk-Technik überzeugt durch Zuverlässigkeit, hohe Datenübertragungsraten, einfache Integrationsmöglichkeit in bestehende Netze und geringe Hardware Kosten. Kein anderes Bussystem hat sich so dynamisch entwickelt und bietet gleichzeitig so viel Zukunftspotential. Micro-Epsilon setzt auf diese Vorteile und wird in der Zukunft weitere Ethernet und etherCAT-fähige Messsysteme auf den Markt bringen. Außer den genanten Sensor-Modellen, bietet der Sensor-Technologiespezialist kapazitive Messsyteme, Laser-Profil-Scanner und Inline Farbmesssysteme mit Ethernet-Anschluss.
Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
