Analogsignale in das IO-Link Wireless-Protokoll umwandeln

Die Industrie entwickelt sich stetig weiter und macht erhebliche technologische Fortschritte. Dazu gehören Bereiche wie das industrielle IoT, intelligente Fabriken und mehr. Dennoch kann eine große Veränderung nicht auf einmal umgesetzt werden. Ein reibungsloser Übergang hängt von der Fähigkeit eines Systems ab, sich schrittweise an solche Veränderungen anzupassen.

Im Falle von Produktionslinien, logistischen Automatiklagern und mehr machen Altgeräte einen Großteil der Ausstattung einer Anlage aus. Der Versuch, einen großen Teil davon in kurzer Zeit zu ersetzen, würde zu Ausfallzeiten, Komplikationen und hohen Kosten führen.

Da IO-Link Wireless mit dem Ziel entwickelt wurde, Probleme zu lösen und nicht zu verursachen, wurden auch die Mittel für einen reibungslosen Übergang sowohl für neue Geräte als auch für die Nachrüstung bestehender Geräte geschaffen.

Obwohl eine wichtige Umstellung für diese Maschinen der Übergang von IO-Link zu IO-Link Wireless ist, sind zusätzliche Umstellungen erforderlich, um die Möglichkeit zu gewährleisten, ganze Produktionslinien und Anlagen schnell und einfach aufzurüsten. Solche Umstellungen umfassen die Konvertierung von Digital zu IO-Link Wireless und von Analog zu IO-Link Wireless.

Während die Umwandlung von IO-Link in IO-Link Wireless direkt mit Geräten wie dem TigoBridge A1/B1 und dem TigoHub erfolgen kann und die Umwandlung von Digitalsignalen in IO-Link Wireless mit dem TigoBridge A2/B2 oder dem TigoHub, erfordern analoge Signale einen zusätzlichen Schritt.

Die Umwandlung von analogen Signalen in IO-Link Wireless erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird das analoge Signal mit dem TigoConverter in IO-Link umgewandelt, und dann von IO-Link in IO-Link Wireless mit einem der oben genannten IO-Link Wireless-Geräte.

Smart Factory Operations und Fertigung erfordern hochwertige Daten

Der Übergang von einer einseitigen Kommunikationsmethode wie Digital oder Analog zu der bidirektionalen Kommunikation von IO-Link ermöglicht eine hochwertige Datenübertragung. Die ungebundene Fähigkeit von IO-Link Wireless, über die Luft zu übertragen, ohne durch Kabel eingeschränkt zu sein, macht diese Übertragung reibungslos und nahezu grenzenlos. Auch eine Sichtverbindung ist nicht erforderlich, um die industrielle drahtlose Kommunikation zu ermöglichen.

Analogsignal-zu-Digital-Konvertierung: Wie funktioniert das?

Bevor wir tiefer in die Umwandlung von Analog zu IO-Link Wireless eintauchen, lassen Sie uns kurz die traditionellere Analog-zu-Digital-Konvertierung betrachten und besprechen, warum diese Konvertierung in der heutigen Industrie nicht mehr ausreicht.

In der nicht allzu fernen Vergangenheit nutzten Hersteller Analog-Digital-Wandler, um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln, aus mehreren Gründen:

• Im Gegensatz zu digitalen Signalen sind analoge Signale anfälliger für Störungen und Signalverschlechterung, was die Präzision und Integrität der Daten beeinträchtigen kann.
• Da IT- und OT-Systeme digital kommunizieren, ist die Integration der Daten in digitaler Form viel einfacher und genauer. Analoge Daten erfordern möglicherweise manuelle Bearbeitung, was ineffizient ist und zu menschlichen Fehlern führen kann.
• Analoge Systeme sind oft weniger flexibel und skalierbar als digitale Systeme, was ihre Benutzer auf eine gebundene Konfiguration einschränkt.
• Während analoge Systeme oft vor Ort betrieben und überwacht werden müssen, ermöglichen digitale Systeme den Fernzugriff, was zu besseren Workflows und Effizienz führt.

Die Liste der Gründe, von Analog zu Digital zu wechseln, geht weiter, ist jedoch im Vergleich zu den Vorteilen der Umwandlung von Analog zu IO-Link Wireless eher gering.

Die Analogsignal-zu-Digital-Konvertierung oder Analog-zu-Digital-Konvertierung (auch bekannt als ADC) besteht aus Abtastung, Quantisierung und Kodierung:

Abtastung

Abtastung ist der Prozess, bei dem das kontinuierliche analoge Signal in regelmäßigen Abständen gemessen wird, um diskrete Werte zu erzeugen. Die Abtastrate, gemessen in Hertz (Hz), muss mindestens doppelt so hoch wie die höchste Frequenz des analogen Signals sein, um Aliasing gemäß dem Nyquist-Shannon-Theorem zu vermeiden.

Ein Sample-and-Hold-Schaltkreis stabilisiert das Signal während der Umwandlung, um Genauigkeit sicherzustellen. Höhere Abtastraten erfassen mehr Details des ursprünglichen Signals, was für die Datenerfassung und digitale Kommunikation sowie für Anwendungen in Audio- und Videoverarbeitung von wesentlicher Bedeutung ist. Die Umwandlung dieser abgetasteten Werte in digitale Form ermöglicht präzise, vielseitige und skalierbare Signalverarbeitung in fortschrittlichen digitalen Systemen.

Quantisierung

Quantisierung ist der Schritt im Analog-zu-Digital-Konvertierungsprozess, bei dem der kontinuierliche Bereich der abgetasteten analogen Signalwerte auf eine endliche Menge diskreter Ebenen abgebildet wird. Dieser Schritt beinhaltet das Runden der abgetasteten Werte auf die nächstgelegenen vordefinierten Ebenen, die durch die Auflösung des ADC, typischerweise in Bits gemessen, bestimmt werden. Zum Beispiel hat ein 8-Bit-ADC 256 Ebenen, sodass jeder abgetastete Wert durch eine dieser diskreten Ebenen dargestellt werden kann.

Die Präzision der Quantisierung beeinflusst die Genauigkeit der digitalen Darstellung, wobei eine höhere Auflösung eine feinere Granularität und eine genauere Annäherung an das ursprüngliche Signal bietet. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Quantisierung von Natur aus eine kleine Fehlerrange, bekannt als Quantisierungsrauschen, einführt, die minimiert, aber nie vollständig beseitigt werden kann. Diese Umwandlung ermöglicht die präzise Manipulation und Analyse von Signalen in Bereichen wie Telekommunikation, Audioprocessing und Instrumentierung.

Kodierung

Kodierung ist der letzte Schritt im ADC-Prozess, bei dem quantisierte Werte in ein Binärformat für die digitale Verarbeitung und Speicherung umgewandelt werden. Jeder quantisierte Wert erhält einen einzigartigen Binärcode, der das kontinuierliche analoge Signal als eine Reihe diskreter digitaler Werte darstellt. Die Anzahl der beim Kodieren verwendeten Bits bestimmt die Auflösung und Genauigkeit des digitalen Signals, wobei mehr Bits eine genauere Darstellung bieten, ähnlich wie in der Quantisierungsphase.

Diese binäre Darstellung ermöglicht digitalen Systemen die effiziente Verarbeitung, Analyse und Übertragung des Signals. Dies ermöglicht Anwendungen in digitaler Kommunikation, Datenspeicherung und Computing, während Signale robust und genau verarbeitet werden.

ADC war jahrelang die bevorzugte Methode in der Industrie. Hersteller und Logistikexperten haben jedoch kürzlich erkannt, dass die Umwandlung von Analog zu IO-Link (und damit von Analog zu IO-Link Wireless) viele zusätzliche Vorteile bietet.

Merkmale von Analog/IO-Link Wireless-Konvertern

Wie bereits erwähnt, ermöglichte die Umwandlung der analogen Kommunikation in IO-Link Wireless den Industrieexperten, neue und fortschrittliche Fähigkeiten zu erreichen, ohne die bestehenden Maschinen in ihren Linien ersetzen zu müssen.

Die Umwandlung erfolgt mit Hardware, die an die bestehenden Analog-Sensoren angeschlossen wird. Dies ist im Grunde ein Analog-Digital-Wandler, der speziell für IO-Link konzipiert ist.

• Die Umwandlung von Analog in IO-Link erfolgt mit dem TigoConverter – einem kompakten Gerät, das an eine Stromquelle (4 mA bis 20 mA) oder eine Spannungsquelle (0-10 VDC) angeschlossen wird und den Wert in IO-Link umwandelt. Dies ist ein speziell für IO-Link entwickelter Analog-Digital-Wandler.
• Der zweite Schritt ist die Umwandlung von IO-Link in IO-Link Wireless. Hierzu verbindet sich ein IO-Link Wireless Bridge (TigoBridge) oder IO-Link Wireless Hub (TigoHub) direkt mit dem Analogwandler und wandelt das IO-Link-Signal in IO-Link Wireless um. Dies ermöglicht letztendlich die Kommunikation der Messungen von den analogen Sensoren zum IO-Link Wireless Master (TigoMaster oder TigoGateway) über die Luft.
• Sowohl die Analog-zu-IO-Link- als auch die IO-Link-zu-IO-Link-Wireless-Geräte beziehen ihre Energie vom M12-Anschluss des Analoggeräts, ohne dass eine zusätzliche Stromversorgung erforderlich ist. Auf diese Weise fungieren die beiden separaten Geräte als ein Analog-zu-Drahtlos-Konverter und ermöglichen die Funktionen von IO-Link Wireless für analoge Geräte.

Dies vereinfacht die Bereitstellung und Nachrüstung von Maschinen, indem es eine industrielle drahtlose Verbindung für analoge Geräte wie Vibrationserkennungssensoren und Wägezellen schafft. Während die Verwendung von zwei separaten Geräten zur Umwandlung von Analog in IO-Link und dann von IO-Link in IO-Link Wireless übermäßig erscheinen mag, ist dies in der Praxis eine sehr einfache Einrichtung. Es ermöglicht den Nutzern, den Analog-zu-IO-Link-Wandler zu anderen Zeiten zu entfernen, wenn sie ihn für die Konvertierung von Digital- oder IO-Link-Sensoren und Aktuatoren verwenden möchten.

Vorteile der Umwandlung von Analogsensoren in IO-Link Wireless

Analogsensoren wurden in Fabriken für verschiedene Überwachungs- und Steueranwendungen weit verbreitet eingesetzt, zeigen jedoch mehrere Nachteile, insbesondere wenn sie nicht in digitale Signale wie IO-Link umgewandelt werden. Hier sind einige von ihnen:

• Signalverschlechterung über Distanz: Analoge Signale können sich über lange Entfernungen verschlechtern, bedingt durch elektromagnetische Störungen (EMI), Rauschen und Widerstand in den Kabeln. Diese Verschlechterung kann zu ungenauen Messungen führen, die die Qualität des Prozesses oder des Produkts beeinträchtigen können. Dies tritt bei digitalen Signalen wie IO-Link oder IO-Link Wireless nicht auf.
• Komplexe Verkabelung: Analoge Sensoren erfordern in der Regel komplexe Verkabelungen für die Signalübertragung, oft mit mehreren Kabeln für Stromversorgung, Signal und Erdung. Diese Komplexität kann die Installationskosten und die Wahrscheinlichkeit von Verkabelungsfehlern erhöhen. IO-Link Wireless bietet eine Alternative, da der analoge Sensor direkt an ein IO-Link Wireless-Gerät angeschlossen wird, was die Notwendigkeit komplexer Verkabelungen vermeidet.
• Rauschsignale: Analoge Signale sind anfälliger für Rauschen, das durch verschiedene Quellen wie den Sensor selbst, die Umgebung oder die Übertragungsleitung eingeführt werden kann. Rauschsignale können zu unzuverlässigen Daten führen, die zusätzliche Filterung und Verarbeitung erfordern, um genaue Informationen zu erhalten. Die Umwandlung des Signals in IO-Link Wireless behält die hohe Qualität und Integrität der Daten bei.
• Begrenzte Flexibilität und Integration: Analoge Sensoren sind weniger flexibel, wenn es um die Integration mit fortschrittlichen digitalen Systemen wie SPS oder IoT-Plattformen geht. Diese Einschränkung kann die Einführung fortschrittlicher Automatisierungs- und Datenanalysetechnologien in der Fabrik behindern. Die Umwandlung von analogen Signalen in IO-Link Wireless ermöglicht eine schnelle und nahtlose Integration mit diesen Plattformen.

Während analoge Sensoren viele Jahre lang ein fester Bestandteil industrieller Anwendungen waren, führen sie in ihrer ursprünglichen Form zu zahlreichen Nachteilen. Dies macht sie weniger geeignet für moderne Fabriken, insbesondere solche, die fortschrittliche Automatisierung, Datenanalyse und IIoT-Systeme implementieren möchten. IO-Link Wireless ermöglicht es, diese Nachteile zu mindern, ohne die analogen Sensoren selbst ersetzen zu müssen.

Verwendung von Analogsensoren für IO-Link Wireless

Die Verwendung von Analogsensoren mit dem drahtlosen IO-Link-Extension-System (auch IO-Link Wireless genannt) ist einfach und benutzerfreundlich. Im Wesentlichen profitieren die Benutzer von diesen Analoggeräten auf die gleiche Weise wie zuvor. Der einzige Unterschied liegt in der Systemkonfiguration, da diese Geräte nun Teil eines gesamten Systems und nicht mehr einzelne Elemente sind.

Die Konfiguration der Analoggeräte als Teil des IO-Link Wireless-Systems bietet neue Sichtbarkeit für diese, ermöglicht bidirektionale Kommunikation und Sichtbarkeit. Dies ermöglicht es den Industrievertretern, fundierte Entscheidungen unterwegs zu treffen, einschließlich der Neuprogrammierung von Geräten, sogar aus der Ferne.

Sobald der Analogsensor mit dem TigoConverter verbunden ist, muss dieser mit einem IO-Link Wireless-Gerät (TigoBridge oder TigoHub) verbunden werden. Dann muss eine Verbindung zwischen dem IO-Link Wireless-Gerät und dem IO-Link Wireless Master (TigoMaster oder TigoGateway) hergestellt werden. Diese Verbindung wird mit Hilfe von TigoEngine konfiguriert.

TigoEngine ist ein softwarebasiertes Engineering-Tool für die effiziente Einrichtung von IO-Link Wireless-Mastern und -Geräten (einschließlich der aus IO-Link, Digital und Analog konvertierten Geräte). Es ermöglicht die Installation, Konfiguration und Überwachung eines IO-Link Wireless-Systems und innerhalb davon eines oder mehrerer Analogsensoren. Es vereinfacht auch die Bereitstellung und Wartung der Geräte, was die Umwandlung von Analog in IO-Link Wireless und die Implementierung im System nahtlos und einfach macht.

TigoEngine ermöglicht die Aggregation und Kommunikation von drahtlos gesammelten Daten im gesamten System. Diese Daten werden von den konvertierten Analoggeräten und allen anderen Geräten im System gesammelt und an Unternehmens- und Cloud-basierte Anwendungen für weiterführende Verarbeitung zur Entscheidungsfindung gesendet.

Häufig gestellte Fragen zur Umwandlung von Analog in IO-Link Wireless

Was ist der Unterschied zwischen Analog und IO-Link?

Der Unterschied zwischen Analog und IO-Link zeigt sich hauptsächlich in ihren Methoden und Funktionen. Analoge Signale verwenden kontinuierliche Spannungs-/Stromsignale, um Informationen darzustellen. Sie sind einfach und für grundlegende Anwendungen geeignet. Im Gegensatz dazu ist IO-Link ein standardisiertes digitales Kommunikationsprotokoll, das bidirektionalen Datenaustausch ermöglicht, robuste, störungsresistente Kommunikation bietet und reichhaltige Daten bereitstellt.

Was sind die Alternativen zu IO-Link?

Alternativen zu IO-Link umfassen verschiedene Feldbusprotokolle und drahtlose Kommunikationsstandards. Diese weisen jedoch Nachteile im Vergleich zu IO-Link auf, wie höhere Komplexität, weniger Flexibilität, weniger Intelligenz auf der Geräteebene und langsamere Leistung.

Kann IO-Link Analogsignale verarbeiten?

IO-Link kann Analogsignale verarbeiten, jedoch auf digitale Weise, sodass eine Analog-zu-Digital-Konvertierung erforderlich ist. Um Analoger Geräte (wie Analogsensoren) mit IO-Link verwenden zu können, wird ein Konverter benötigt. Dabei wird eine Stromquelle (4 mA bis 20 mA) oder Spannung (0-10 VDC) in einen Ausgangswert von IO-Link umgewandelt.