Kleine Talente in der 6-mm-Klasse

Peter Stövesand

Das Erfassen von Analogsignalen ist in den meisten Anwendungen um ein Vielfaches teurer als die Aufnahme von Digitalsignalen. Ein großer Teil der Mehrkosten wird durch die höheren Preise für Analogbaugruppen verursacht, die im Vergleich zu Digitalbaugruppen von speicherprogrammierbaren Steuerungen anfallen. Hinzu kommt weiterer Aufwand, um analoge Signale unverfälscht sowie unabhängig von externen Störgrößen zu übertragen. In diesem Umfeld bieten sich Multiplex-Verfahren an, die durch einen geringeren Platz-, Verdrahtungs- und Kostenaufwand überzeugen.

Auch in Zukunft wird das Erfassen von Analogsignalen ein fester Bestandteil in industriellen Fertigungs- oder Wertschöpfungsketten sein. Denn die physikalischen Grundgesetze der Erde sind feste Gegebenheiten. Der Bedarf, analoge Werte wie zum Beispiel Temperatur oder Druck aufzunehmen und auszuwerten, steigt aufgrund der transparenten Darstellung von Energieverbrauch und Anlagenzustand in den nächsten Jahren weiter an.

Multiplexen ist eine Methodik, die in der Signal- und Nachrichtenübertragung eingesetzt wird. Das Wort kommt aus der lateinischen Sprache und bedeutet soviel wie „vielfach“ oder „vielfältig“. Beim Multiplexen werden mehrere Signale gebündelt und über ein Medium – in der Regel ein Kabel oder eine Funkverbindung – übertragen. Üblich war sonst die gleichzeitige Weiterleitung über mehrere Medien. Das Demultiplexen sorgt für die Entbündelung der zuvor gebündelten Signale, was normalerweise im Empfänger stattfindet. Bewährt hat sich die Methode des Multiplexens seit Jahrzehnten in der Nachrichtentechnik. So werden beim digitalen Fernsehen heute bis zu vier hochaufgelöste Fernsehsignale über einen Kanal kommuniziert und erst im Empfänger wieder entbündelt. Ist das Prinzip verstanden, kann es auch in der industriellen Automatisierungstechnik einen großen Nutzen erzeugen.

Das Multiplexen lässt sich mit verschiedenen Methoden realisieren. Heute sind Raummultiplex-, Frequenzmultiplex-, Zeitmultiplex- und Code-Multiplex-Verfahren verbreitet. Im Mini-Analog-Multiplexer von Phoenix Contact wird eine Kombination aus synchronem Zeitmultiplex- und dem Code-Multiplex-Verfahren verwendet. Die synchrone Zeitmultiplex-Methode überträgt die verschiedenen Signale in immer gleichen Zeitabfolgen über nur ein Adernpaar. Drei zusätzliche Adern werden zur Übermittlung eines Codes in Form eines Bitmusters genutzt. Der Code ermöglicht eine eindeutige Identifizierung des aktuell übertragenen Kanals.

Zur Weiterleitung analoger Signale muss in vielen Applikationen eine hohe Kanalzahl auf engstem Raum untergebracht werden. Darüber hinaus spielt die unverfälschte sowie von externen Störgrößen unabhängige Übertragung der Signale eine große Rolle. Um die analogen Signale zu wandeln, zu verstärken, zu filtern und in erster Linie galvanisch zu trennen, werden heute Trennverstärker eingesetzt. Die Produktfamilie Mini-Analog von Phoenix Contact im 6,2 mm schmalen Gehäuse hat sich hier auf dem Markt etabliert.

Passend zu den Mini-Analog-Modulen steht ein Multiplexer zur Verfügung, der Analogsignal-Eingänge und Verdrahtungsaufwand einspart. Der Multiplexer ist in ein direkt auf acht Mini-Trennverstärker aufsteckbares kompaktes Gehäuse eingebaut. Wird in der Anwendung keine galvanische Trennung benötigt, da die Eingangsbaugruppe schon eine Einzelkanal-Trennung aufweist, können auch preiswertere Mini-Analog-Durchgangsklemmen verwendet werden. Die eingebrachte FLK-Leiste erlaubt den schnellen Anschluss von vorkonfektionierten FLK-Kabeln, die auf der Steuerungsseite mit offenen Enden versehen sind. Die Kabel umfassen bereits Aderendhülsen und eine Nummerierung, sodass sich die Installation erheblich vereinfacht. Bei zyklischem Durchlauf können mit dem Mini-Analog-Multiplexer acht, sechs, vier oder zwei parallele Analogsignale seriell, also nacheinander, über eine Leitung gesendet werden. Ein Ein- oder Zweisekundentakt lässt sich über DIP-Schalter auswählen. Die Umschaltung der gewünschten Kanalzahl erfolgt ebenfalls über DIP-Schalter. Der Multiplexer ist schleifengespeist und arbeitet am Ein- und Ausgang mit einem 4…20mA-Signal.

Der generelle Nutzen von Multiplex-Methoden liegt in erster Linie in der Reduzierung von Übertragungsmedien. Daher spart Mini-Analog bei dezentraler Nutzung in der Nähe der Messstellen entsprechend Leitungen ein. Bei einer achtkanaligen Lösung können beispielsweise elf Leitungen entfallen. Wird Mini-Analog im Schaltschrank eingesetzt, was häufiger vorkommt, sinken die Kosten, weil der Anwender weniger Analogeingänge an Steuerungen benötigt. Im Fall der bereits beschriebenen achtkanaligen Lösung können im Vergleich zum herkömmlichen Ansatz sieben analoge Eingänge eingespart werden.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ergibt sich aus dem geringeren Platzbedarf. Allein auf der Trennverstärker-Ebene verringert die Multiplexer-Lösung die Baubreite gegenüber gebräuchlichen Gehäuse-Bauformen bei Achtkanaligkeit um rund 65 %. Auf der Steuerungsebene führt die Verwendung des Multiplexers zu einer Platzeinsparung von etwa 85 % auf der Hutschiene, da auf Analogbaugruppen verzichtet werden kann.

Als vorteilhaft erweist sich außerdem die Modularität der Lösung, denn sie lässt sich einfach an die Anforderungen der jeweilige Applikation anpassen. Der Anwender muss also nur so viele Messstellen erwerben, wie tatsächlich erforderlich sind. Die nicht notwendigen Kanäle können durch günstige Durchgangsmodule aufgefüllt werden. Die Elektronik des Multiplexers zeichnet sich durch eine hohe Langlebigkeit aus. Zur Umschaltung der Kanäle kommen Optokoppler-Transistor-Schaltungen zum Einsatz, die im Gegensatz zu heute üblichen Relais-Lösungen nahezu verschleißfrei sind. Die Zulassungen des Multiplexers und der Produktfamilie Mini-Analog bieten ebenfalls einen zusätzlichen Nutzen. Unter anderem werden sämtliche Anforderungen der Zündschutzart „n“ erfüllt, was einer Atex-Zulassung für die Zone 2 entspricht. Die Anwender versuchen heute die Ex-Zonen 0 und 1 so klein wie möglich zu halten und die Signale in der kostengünstigeren Zone 2 oder im Nicht-Ex-Bereich zu verarbeiten.

Interessante Einsatzfelder für den Analog-Multiplexer finden sich in allen zeitunkritischen Applikationen mit mehr als zwei Kanälen. Gerade im Bereich der Analogsignal-Verarbeitung gibt es viele Anwendungen oder Signale, die träge sind und sich nur langsam verändern. Als Beispiel seien Temperaturmessungen und Füllstände genannt. Insbesondere die Temperaturmessung eröffnet in Kombination mit Mini-Messumformern zusätzliches Einsparpotenzial, weil viele Eingangskarten die Kanalzahl reduzieren, wenn beispielsweise Drei- oder Vierleiter-PT100-Sensoren genutzt werden. Umgesetzt sind hier bereits Applikationen in Windkraft- und großen Förderanlagen. In Windkraftanlagen liegen in der Regel mindestens sechs Messstellen vor. Neben der Generatortemperatur und der Pitch-Verstellung werden noch zahlreiche weitere Funktionen überwacht. Umfangreiche Förderanlagen, wie sie beispielsweise zur Gewinnung verschiedener Schüttgüter eingesetzt werden, sind oft mehrere hundert Meter bis Kilometer lang. Die großen Antriebsstationen beinhalten zahlreiche Motoren und wichtige Umlenkrollen, deren Temperatur kontrolliert werden muss.

Halle 9, Stand 310

Online-Info www.cav.de/1110423