Ausgabe 1/2006
01/01/06
Schnittstellen zwischen Absolutwertgebern und Aufzugsteuerungen
Christoph Stratmann (K. A. Schmersal GmbH, Wuppertal)
Bei der Positionserfassung der Aufzugkabine bieten Absolutwertgeber deutliche Vorteile gegenüber Systemen, die nur die Relativposition erfassen. Neben der Bauart des Positionssystems spielt auch die Frage eine Rolle, wie die Datenübergabe vom Positionssystem zur Aufzugsteuerung erfolgt. Nur wenn das System hier mehrere Optionen bietet, sind die Voraussetzungen für einen flexiblen, universellen Einsatz in der Aufzugtechnik gegeben. Der folgende Beitrag beschreibt die Schnittstellen, die Schmersal für das berührungslos wirkende Positionssystem USP anbietet.
Kategorie: Fachaufsaetze Ausgabe 1/2006
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Bei jedem Absolutwertgeber werden die aktuellen Messwerte als Information über eine Datenschnittstelle an das Steuerungssystem des Aufzugs übergeben. Die Steuerung errechnet dann die aktuelle Position und gibt die entsprechenden Befehle an das Antriebssystem. Das eigentliche Messsystem ist somit nur ein Teil der technischen Herausforderung für die Entwickler von Positionssystemen. Mindestens ebenso wichtig ist die Bereitstellung von leistungsfähigen Schnittstellen, über die die Positionsdaten an die Steuerung übergeben werden. Diese Aufgabe ist deshalb eine Herausforderung, weil es eine Vielzahl von Aufzugsteuerungen gibt, die jeweils unterschiedliche Datenstandards und Schnittstellen nutzen. Denn leider ist – im Unterschied zu anderen Industriebranchen – die Standardisierung von Datenprotokollen in der Aufzugtechnik noch in den Anfängen; es herrschen proprietäre Systeme vor und dementsprechend unübersichtlich ist die Anzahl der im Markt vorzufindenden Datenschnittstellen.
Vielseitige Einsatzmöglichkeiten
Mit dem USP-System (Bild 1) hat die Schmersal Gruppe ein Positionssystem entwickelt, das grundsätzlich anders aufgebaut ist als konventionelle Absolutwertgeber. Die Positionswerte werden berührunglos über die Laufzeit eines Schallimpulses gemessen, der in einen Spezialdraht eingekoppelt wird. Dieses verschleißfreie Messprinzip arbeitet sehr zuverlässig auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Somit entfällt unter Anderem die aufwändige Montage von Sensoren und Gebern im Aufzugsschacht. Der Monteur muss lediglich den Spezialdraht mit der Auswerteinheit im Schacht montieren, die Sendeeinheit (die die Impulse einkoppelt) an der Aufzugkabine anbringen und – in Abhängigkeit von der verwendeten Steuerung – über ein einfaches Teach-in-Verfahrenhaltepunkte einprogrammieren. Damit vereinfacht sich die Montage von Positionssystemen ganz wesentlich.
Für die Erstausrüstung und Modernisierung
USP eignet sich für die Erstausrüstung von Aufzügen ebenso wie für die Modernisierung, denn bei der Installation des Systems sind keine baulichen Veränderungen nötig. Aus der Sicht des Elektronik-Entwicklers bringt dieser Einsatzbereich jedoch weitere Herausforderungen mit sich, weil auch Schnittstellen zu älteren (elektromechanischen) Steuerungen geschaffen werden müssen.
Um diese Einsatzbereiche abzudecken und den Aufzug- und Steuerungsbauern die Vorteile der berührungslosen Positionserfassung auf breiter Ebene zu erschließen, stehen für USP drei unterschiedliche Datenschnittstellen zur Verfügung:
• SSI,
• UART
• CANopen.
Synchrone Datenübertragung über SSI-Schnittstelle
Bei der SSI-Schnittstelle handelt es sich um eine synchrone Datenübertragung. Die Steuerung sendet auf einer Leitung ein Clock-Signal mit einer festen Anzahl von Clockimpulsen. Der Absolutwertgeber gibt bei jedem Clockimpuls ein Datenbit zurück (Bild 2). Auf der Hardware-Ebene wird die SSI-Schnittstelle über eine RS 422-Schnittstelle realisiert: Es gibt zwei Datenkanäle mit jeweils einem Clock-Signal und einem Daten-Signal, wobei beide Kanäle gegenläufig sind. Kanal B überträgt also jeweils das inverse Signal von Kanal A (Bild 3). Dies gewährleistet eine hohe Übertragungssicherheit.
SSI: Vielzahl von Variationsmöglichkeiten bei der Signalübergabe
Bei der Ausgabe des Datensignals des Absolutwertgebers auf die Datenleitung gibt es eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten. So kann zuerst das höchste Bit (MSB-Modus) oder das niedrigste Bit übertragen werden (LSB). Die Dateninformation lässt sich in 24 Bit oder 25 Bit übertragen, und die Daten werden entweder binär codiert oder liegen im Graycode vor. Außerdem stehen Varianten im Einzel- und Doppel-Leseverfahren zur Verfügung, bei denen jede Dateninformation entweder nur einmal oder direkt zweimal hintereinander übertragen wird. Somit steht für USP eine Bandbreite an verschiedenen SSI-Schnittstellen zur Verfügung, an die sich die Aufzugsteuerungen vieler Hersteller anschließen lassen (Bild 4: Tabelle Steuerungshersteller aus Plug+Lift-Flyer).
UART: Zwei Protokolle zur Auswahl
Bei der asynchronen bidirektionalen Schnittstelle handelt es sich um eine handelsübliche UART, so wie sie von der seriellen Schnittstelle des PCs bekannt ist. Auch hier wird das Hardware-Layer durch eine RS 422 Schnittstelle realisiert. Bei der Datenkommunikation fordert die Steuerung mit einem Anfragebefehl den Messwert beim Absolutwertgeber an, der daraufhin seriell den aktuellen Messwert überträgt.
Wie bei anderen seriellen Schnittstellen gibt es auch hier verschiedene Einstellmöglichkeiten. Die Standardeinstellung der USP-Schnittstelle ist: 1 Startbit, 9 Datenbits (9.Bit immer „0“), kein Parity, 1 Stopbit mit einer Übertragungsrate von 38,4 kBaud. Optional ist auch folgendes Protokoll möglich: 1 Startbit, 8 Datenbits, kein Parity, 1 Stopbit (Bild 5). Als Übertragungsraten sind 19,2 und 38,4 kBaud möglich.
Neu: Aktualisierte CANopen-Schnittstelle für USP
Das serielle Datenbussystem CAN (Controller Area Network) wurde in den 80er Jahren zur Datenübertragung in Kraftfahrzeugen entwickelt. In der CAN-Spezifikation ist das physikalische Layer und die Datensicherungsschicht beschrieben. Auf dem CAN Hardware-Layer basiert das Vernetzungskonzept CANopen Lift, das speziell an die Belange der Aufzugtechnik angepasst wurde. Als Applikationsschicht wird CANopen durch die Spezifikation DS 301 der CIA (CAN in Automation) und DSP 417 beschrieben (Bild 6).
Die Busverdrahtung ist nach ISO 11?898 (CAN High-Speed) beschrieben. Hiernach wird ein Twisted-Pair mit einem Wellenwiderstand von 108...132 Ohm empfohlen, wobei die maximale Leitungslänge abhängig von der Datenübertragungsrate ist. Die CAN-Leitung muss an beiden Leitungsenden mit einem Abschlusswiderstand von 120 Ohm abgeschlossen werden.
CAN unterscheidet sich von anderen Bussystemen dadurch, dass nicht die Module adressiert, sondern die Nachrichten identifiziert werden. Die Nachrichten werden mit einer Priorität belegt, damit zeitkritische Daten sofort übertragen werden können. Das Multimaster-Konzept ist so gestaltet, dass die Busteilnehmer von sich aus Daten senden. Bei Bedarf können sie jedoch zum Senden von Daten aufgefordert werden. Schmersal bietet seit November 2005 das USP-System mit einer aktualisierten CANopen-Schnittstelle an.
Parallel-Interface und KWS: Nahezu unbegrenzte Möglichkeiten
Für den Fall, dass ältere Aufzüge modernisiert werden sollen, steht das Parallel-Interface als zusätzlicher Baustein zur Verfügung. Über die programmierbaren Schaltausgänge des Interfaces lassen sich nahezu alle Relaissteuerungen von Aufzügen anschließen. Damit ergeben sich für den Aufzug- bzw. Steuerungsbauer äußerst vielfältige Möglichkeiten für den Einsatz von USP. Darüber hinaus können bei der Nachrüstung auch alte elektromechanische Steuerungen im Einsatz bleiben, denn das KWS-Modul (Kopierwerksimulator) stellt diesen Steuerungen die nötigen Signale bereit und übernimmt damit die Aufgabe eines Hartmann-Kopierwerks.
Schnittstellen prüfen und protokollieren
Eine weitere Neuentwicklung von Schmersal erleichtert den Service von Positions- und Steuerungssystemen. Denn bei der Diagnose im Feld kann es sinnvoll sein, die Datenkommunikation zwischen der Steuerung und dem Positionsgeber zu protokollieren. Auf Grund der hohen Datenrate entstehen hierbei sehr schnell große Datenmengen. Außerdem haben bislang bestehende Messsysteme Schwierigkeiten, diesen Datenstrom in Echtzeit zu lesen, zu verarbeiten und abzuspeichern.
Aus diesem Grund hat Schmersal in den letzten Monaten einen Diagnose-Rechner entwickelt, der solche Daten protokolliert (Bild 7) und auf Wunsch den Kunden zur Verfügung gestellt wird. Mit diesem Prüf-PC ist es möglich die USP-Schnittstellen (SSI, UART, CAN) anzusprechen und abzufragen. Das Messgerät kann die Geber gezielt als Master ansprechen und in regelmäßigen Zeitabständen die Positionswerte abfragen. Es ist aber auch möglich, die laufenden Datenkommunikation zwischen der Steuerung und dem Absolutwertgeber mitzuschreiben. Darüber hinaus können zwei unterschiedliche Gebersysteme, z. B. zur Referenzmessung, gleichzeitig abzufragen, auch wenn beide Geber mit unterschiedlichen Schnittstellen oder unterschiedlichen Abtastraten arbeiten.
Die Daten werden abgespeichert und können anschließend ausgewertet werden. Die Messwerte lassen sich grafisch darstellen, sodass man bei der Analyse verschiedene Ereignisse erkennen kann. Auch das Triggern auf externe Ereignisse, wie z. B. das Schalten eines elektrischen Ausgangs im Störungsfall, kann auf diese Weise erfasst werden. Somit vereinfacht sich die Diagnose im Fehlerfall.
Was bringt die Zukunft?
Wie man erkennen kann, ist die Vielzahl der möglichen Schnittstellen und deren Einstellmöglichkeiten sehr groß. Alle möglichen Schnittstellenparameter zu realisieren, bedeutet einen nicht zu unterschätzenden Entwicklungsaufwand – eine Herausforderung, der sich der Geschäftsbereich Aufzugtechnik von Schmersal gern stellt: Es wurden schon zahlreiche Schnittstellen auf der Basis von Kundenanforderungen entwickelt. Dennoch wäre es für die Zukunft wünschenswert, wenn sich die Aufzugbranche auf eine gemeinsame und standardisierte Schnittstelle einigen könnte. Vielleicht ist CANopen Lift hier eine Chance für die Zukunft.
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