Digitale statt analoge Signale - CANopen

Im Gegensatz zu einem analogen Signal, das als physikalische Größe kontinuierliche Werte annehmen kann, besteht ein digitales Signal aus diskreten Werten. Mir persönlich kommen dabei immer lange Zahlenreihen aus Nullen und Einsen in den Sinn, die durch den Raum schweben: 0101 0111 0100 1001 0100 1011 0100 0001 0011 1101 0101 0001 0111 0101 0110 0001 0110 1100 0110 1001 0111 0100 0110 0001 0110 0101 0111 0100.

Als digitales Signal hat sicher jeder schon einmal den Begriff CANopen gehört. CANopen ist ein auf CAN basierendes Kommunikationsprotokoll, um das sich seit 1995 die Organisation CAN in Automation (CiA) kümmert. Es ist als Standard in der Europäischen Norm EN 50325-4 festgehalten. Das Protokoll wurde als ein standardisiertes, eingebettetes Netzwerk mit hochflexiblen Konfigurationsmöglichkeiten entwickelt.

Wofür braucht es CANopen?

Allgemein beschrieben stellt CANopen mehrere Kommunikationsobjekte zur Verfügung, die es ermöglichen, das gewünschte Netzwerkverhalten in einem Gerät zu implementieren. Mit diesen Kommunikationsobjekten können Geräte bzw. Sensoren angeboten werden, die Prozessdaten kommunizieren, geräteinterne Fehlerzustände anzeigen oder das Netzwerkverhalten beeinflussen und steuern können.

Ausgangssignale näher betrachtet

Doch was heißt das aber überhaupt und warum lohnt es sich, die bewährten Analogsignale digital zu ersetzen? Dieser Beitrag beleuchtet möglichst allgemein verständlich die fünf Bereiche: Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Diagnostik, Systemarchitektur und Handhabbarkeit des digitalen Ausgangsignals CANopen, das standardmäßig für WIKA-Sensoren angeboten wird.

1) Fehleranfälligkeit

Bereits 2015 zeigte eine genaue Analyse der Unterschiede in der Genauigkeit zwischen analogen und CANopen-Sensoren der beiden WIKA-Kollegen Bildstein & Heusel (Digital transmission in pressure sensors, WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, CAN-Newsletter, 1/2015, CAN in Automation, pp. 24-27) die höhere Fehleranfälligkeit analoger Sensoren. Diese rührt daher, dass das Signal gleich dreifach gewandelt wird: erst von analog zu digital (AD), dann zurück von digital auf analog (DA), um schließlich in der Steuerung erneut digitalisiert zu werden. Typischerweise wird das Signal sogar zusätzlich noch linearisiert, was zu weiteren Fehlern führt.

Der schwächste Punkt analoger Messtechnik ist der Signalweg vom Sensor über die Verkabelung mit Steckverbindung in das Endgerät. Nur wenn das Signal den typischen Bereich verlässt, kann ein Fehler erkannt werden. Auch kann der Sensor nicht über das Signal identifiziert werden.

2) Verlässlichkeit

Der Vorteil eines digitalen Signals liegt die Verlässlichkeit betreffend darin, dass genau festgelegt ist, welche Art von Werten erwartet werden. Die übertragenen Bits können durch feste Felder sowie durch die Nachrichtenlänge auf Plausibilität überprüft werden. Wird beispielsweise ein Paket mit 16 Ziffern (z. B. 0101 0111 0100 1001) erwartet, wovon aber nur 14 ankommen, ist klar, dass während der Übertragung etwas schief gelaufen ist. Dadurch sinkt die Fehleranfälligkeit aufgrund externer Einflüsse erheblich. Auch eine Zeitüberschreitung bei der Datenübermittlung lässt auf Fehler schließen.

Weiterhin kommt es im Endeffekt bei einem digitalen Signal nur darauf an, 0 und 1 richtig zu erkennen. Ob das Signal 0 V oder 0,5 V beträgt, tut nichts zur Sache, da es immer noch als 0 erkannt wird. Dadurch haben beispielsweise Temperaturschwankungen, Rauschen oder elektromagnetische Störungen weniger Chancen, das Signal zu stören.

3) Diagnose

Die sogenannte Signalsprung-Elektronik wurde speziell für bestimmte Kraftsensoren entwickelt. Durch sie kann überprüft werden, ob die entsprechenden Sensoren noch das erwartete analoge Ausgangssignal zurücksenden. Die Regel sind solche speziellen Schaltungskreise aber nicht.

Eine detaillierte Überprüfung der Systemstruktur, also beispielsweise welche Art von Gerät in welcher Position installiert ist, wie auch eine Verifikation der digitalen Sensoren gehört auf der anderen Seite zum standardisierten Anlaufprozess. Auch während des Betriebs kann ein digitales Signal immer wieder verifiziert werden (z. B. über das heartbeat-Protokoll oder timeouts). Dies ist mit analogen Sensoren nicht möglich.

Über einen Bus kann übrigens nicht nur ein Signal verschickt werden, sondern beliebig viele weitere Informationen. So können beispielsweise unterschiedliche Messgrößen innerhalb eines Sensors versendet werden: Kraft und Temperatur, Druck und Füllstand oder ganz andere Kombinationen.

4) Erweiterung des Systems

Ein großer Vorteil eines digitalen Systems ist die Zusammenführung der Signale. In einer Steuerung können bis zu 127 Kanäle zusammengeführt werden. Wird mit weniger gestartet, ist eine spätere Erweiterung der Systemarchitektur kein Problem. Zudem ist die Verkabelung einfach und die Steuerungen werden günstiger, da keine 127 hochgenaue, analoge Kanäle notwendig sind.

5) Wiederverwendbarkeit und Wartungsfreundlichkeit

Für einen Austausch und eventuelle Anpassungen bieten analoge Sensoren Vorteile. Werden die standardisierten Ausgangssignale verwendet, können die Geräte herstellerunabhängig ohne Änderungen in der Anwendungssoftware einfach ausgetauscht oder erneuert werden. Dadurch vereinfachen sich Logistikprozesse und das Risiko, das Systemverhalten zu beeinflussen, gibt es nicht. In der Praxis hat sich für digitale Sensoren gezeigt, dass es keine zwei Hersteller gibt, die zu 100 % die gleichen Objekte anbieten.

Dafür wird aber der gesamte Skalierungs- und Kalibrierungsprozess auf jedem digitalen Sensor selbst durchgeführt: wenn beispielsweise ein 150 bar Drucksensor gegen einen 250 bar Drucksensor getauscht wird, ist das kein Problem. Eine Änderung der Steuerungsparametrierung ist nicht mehr notwendig, kalibriert werden die Sensoren nur beim Hersteller.

Fazit zu CANopen und analogen Signalen

„Never change a winning team” könnte auch auf die Sensorik eines Systems zutreffen. Solange die Sensorik mit den althergebrachten Analogsignalen einwandfrei funktioniert, gibt es sicher keinen Anlass, das Gesamtsystem zu stören. Wenn es aber um Erweiterungen, Reparaturen oder Erneuerungen geht, sollten die Vorteile eines digitalen Ausgangssignals durchaus in Erwägung gezogen werden. Fragen kostet schließlich nichts.

Hinweis
Weitere Informationen zu unseren Produkten erhalten Sie auf der WIKA-Webseite. Für weitergehende Fragen steht Ihnen Ihr Ansprechpartner gerne zur Verfügung.

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1 Kommentar
  1. Dirk Vater

    Sehr geehrter Herr Heidl,

    vielen Dank für diesen tollen und einfach verständlichen Bericht, der mir die digitale Welt etwas näher bringt!


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