Wie sich intelligente Messwert­geber zuverlässig versorgen lassen

Stromversorgungen für intelligente Messwertgeber in industriellen Anwendungen müssen höchsten Anforderungen gerecht werden. Worauf es dabei ankommt, lesen Sie in diesem Beitrag.

Messwertgeber in industriellen Automationsanwendungen, Prozess- und Aktorsteuerungen sowie der Heim- und Gebäudeautomation messen Temperaturen, Drücke, Stellwege, Nähe und viele weitere Größen. Die Sensorelektronik besteht aus dem Sensor-AFE (Analog Front End), einem stromsparenden Mikrocontroller (MCU), hochpräzisen A/D- und D/A-Wandlern (ADCs und DACs), einem Eingangsverstärker und einem Ausgangstreiber sowie möglicherweise auch aus Isolationsbausteinen. Der Messwertgeber muss die erfassten Größen effizient und zuverlässig an eine Datensammelstelle übertragen. In einem Fabrikautomations-System kann es sich dabei um eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) handeln.

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Verschiedene Möglichkeiten der drahtlosen oder leitungsgebundenen Übertragung haben den Entwicklern intelligenter Sensorlösungen die Realisierung fortschrittlicher Funktionen und Features erlaubt, etwa das Erfassen mehrerer Messgrößen [1 - 3], die Fernkalibrierung und ausgefeilte Systemdiagnose-Features. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines Messwertgebers für mehrere Messgrößen, der die relative Feuchte und die Temperatur misst [1]. Zu den Anwendungen gehören bedarfsgesteuerte Lüftungen, intelligente Thermostate und Raumüberwacher, Brandschutzsysteme, Kühlgeräte, Drucker, Weiße Ware und Medizingeräte.

Das System nutzt Bluetooth Low Energy (BLE) zur Weiterleitung der Messergebnisse an Bluetooth-fähige Peripherie, die sich in der Nähe befindet. Ein für geringe elektromagnetische Interferenzen (EMI) optimierter synchroner Abwärtswandler (Buck Converter) mit weitem Eingangsspannungsbereich stellt eine rauscharme Versorgungsspannung von 3,3 V für Sensor, MCU und den als Stromschleifentreiber fungierenden DAC bereit [4].

Leitungsgebundene Sensorschnittstellen

Ein Beispiel für eine verbreitet eingesetzte leitungsgebundene Schnittstelle ist die traditionelle analoge 4-20-mA-Stromschleife. Sie ist nach wie vor sehr populär, wenn in einer industriellen Umgebung mit hohem Störaufkommen eine unidirektionale Kommunikation über große Distanzen benötigt wird. Die grundlegende Architektur der Stromschleife ist in Bild 2 dargestellt. Vorteilhaft ist, dass auch die Stromversorgung über diese zweiadrige Verbindung erfolgen kann, solange der minimale Schleifenstrom nicht überschritten wird [4].

Wichtige Aspekte sind die Programmierung und die Einrichtung einer bidirektionalen Kommunikation mit entfernten Sensorknoten sowie die Sicherstellung, dass diese über lange Zeit und mit geringer Leistungsaufnahme zuverlässig arbeiten. Um das Potenzial digitaler Feldgeräte vollständig auszuschöpfen, ohne die traditionelle 4-20-mA-Stromschleife aufzugeben, stellt das HART-Protokoll einen komplementären Kommunikationsmodus zur Verfügung [2]. Das Protokoll überträgt nicht nur zusätzliche Sensordaten, sondern auch ergänzende Informationen, beispielsweise für Ferndiagnose und -störungsbeseitigung sowie vorbeugende Wartung. Es eignet sich deshalb dafür, den SIL-Wert (Safety Integrity Level) eines Systems zu erhöhen.

Abgesehen von der analogen 4-20-mA-Stromschleife und anderen leitungsgebundenen Industrieprotokollen wie RS-232 und RS-485 ist IO-Link (genormt als EC 61131-9) ein immer beliebter werdendes und kosteneffektives digitales Interface, das mit drei Adern zur Anbindung von Sensoren und Aktoren in industriellen Automations- und Steuerungsanwendungen dient [3]. Die IO-Link-Adern L+ und L- übertragen die Versorgungsspannung von 24 V bzw. die Masse (GND), während es sich bei C/Q um eine bidirektionale Datensignalleitung handelt. Die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit IO-Link ist allerdings auf eine Entfernung von maximal 20 m beschränkt.

Drahtlose Sensorschnittstellen

Die Optionen zur drahtlosen Übertragung lassen sich abhängig vom genutzten Frequenzband in Sub-Gigahertz-Lösungen für große Übertragungsdistanzen und 2,4-GHz-Lösungen für die Kurzstrecken-Kommunikation einteilen. Entwickler von Smart-Metering-Systemen für Energieversorgungsunternehmen könnten beispielsweise zu dem Schluss kommen, dass die größere Reichweite der Sub-Gigahertz-Technik besser für ihre Zwecke geeignet ist. Intelligente Sensorapplikationen mit niedrigem Stromverbrauch und geringeren Reichweitenanforderungen könnten mit BLE- oder ZigBee-Implementierungen zusätzliche Features bieten wie Beaconing, Over-the-Air-Updates, Smart Commissioning, abgesetzte Displays, usw.

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