Induktive Abstandssensoren mit IO-Link-Schnittstelle eröffnen neue Möglichkeiten für den Einsatz des hochrobusten Messverfahrens. Neben der Objekterkennung beherrschen die Geräte auch die präzise Messung von Abstand, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Zusätzlich liefern sie wesentliche Daten für das Condition Monitoring.

Pepperl+Fuchs ist der Vorreiter der induktiven Sensorik für den industriellen Einsatz: Der erste Näherungsschalter mit diesem Messprinzip wurde 1958 in Mannheim gefertigt. Seitdem hat das Unternehmen die Technologie stetig weiterentwickelt und ein Portfolio mit zahlreichen Produktvarianten aufgesetzt. Im vergangenen Jahr wurde es um zusätzliche Bauformen ergänzt, darunter eine flache kubische Form für den Einbau in besonders beengten Umgebungen.
Die neuen Geräte stehen wahlweise mit Analogausgang (Strom/Spannung) oder einer IO-Link-Schnittstelle zur Verfügung. Mit IO-Link wird die durchgängige bidirektionale Kommunikation zwischen Steuerung und Feldgerät möglich, wobei Prozess- und Zustandsdaten parallel übertragen werden. Die Sensoren können zudem direkt Daten mit IIoT- und Industrie-4.0-Anwendungen austauschen und in entsprechende Umgebungen integriert werden.

Detaillierte Zusatzdaten für eine ­differenzierte Zustandsanalyse

Per IO-Link stellen die Sensoren über den jeweils aktuellen Messwert hinaus zahlreiche weitere Daten zur Verfügung, die sich sowohl für die Prozesssteuerung als auch für das Condition Monitoring nutzen lassen. Die Geräte können nicht nur die Näherung beziehungsweise Anwesenheit von metallenen Objekten und Targets detektieren, sondern erstmals auch deren Geschwindigkeit und Beschleunigung erfassen.
Bei der Geschwindigkeitsmessung führt der Sensor in einem Messvorgang zwei frei konfigurierbare Einzelmessungen durch. Dabei können sich die Objekte mit sehr hoher Geschwindigkeit – bis zu 3 m/sec – bewegen. Der Messbereich beträgt max. 30 mm, die Messdaten werden mit einer Wiederholgenauigkeit von ±5 Prozent ausgegeben. Für die Berechnung eines Beschleunigungswerts können zwei Messfenster parametriert werden, um eine differenzierte Ablaufüberwachung zu erhalten. Die Geräte erreichen eine Schaltfrequenz von bis zu 1.300 Hz, die sehr kurze Durchlaufzeiten erlaubt und zur Steigerung der Produktivität beiträgt.
Aus der Beschleunigung des Objekts oder des Betätigungselements lassen sich Rückschlüsse auf den Zustand von Verschleißteilen sowie den Verschmutzungsgrad der beweglichen Maschinenteile ziehen. Mit definierten Schwellwerten in der Sensorparametrierung lassen sich gezielt rechtzeitige Warnungen auslösen, um Schäden zu vermeiden, ungeplantem Stillstand vorzubeugen und gezielte Wartungseinsätze zu initiieren. Unerwartete Ausfälle von Maschinen und Anlagen werden vermieden.
Die induktiven Sensoren mit IO-Link liefern weitere wertvolle Zusatzinformationen, unter anderem zu Temperatur, Betriebszeiten und Zählerfunktionen. Diese Daten tragen zu einer noch differenzierteren Zustandsanalyse bei. Die eigentliche Messung lässt sich mit frei wählbaren Grenzwerten und Filtern an die jeweilige Anwendung adaptieren. Zum Beispiel ist es möglich, per Filtermodus die Genauigkeit der Abstandsmessung oder die Geschwindigkeitsmessung zu priorisieren. Zugleich bleiben die bauartbedingten Stärken der induktiven Messung unberührt: Sie ist kostengünstig, unempfindlich gegen mechanische Einwirkung und beansprucht sehr wenig Platz.

Aus der Praxis: Condition Monitoring

Ein typisches Beispiel für den Mehrfachnutzen der IO-Link-Geräte sind die Bedämpfungselemente von Pick&Place-Maschinen, die die Bewegung von Aktoren abbremsen. Ein induktiver Abstandssensor führt bei jeder Bewegung des Dämpfers zwei Geschwindigkeitsmessungen durch und berechnet daraus die Bremswirkung als negative Beschleunigung. Wenn die Anwendung einer unvermeidlichen stetigen Verschmutzung ausgesetzt ist, werden sie sich mit der Zeit langsamer bewegen. Die nötig werdende Reinigung kann anhand eines Schwellwerts bedarfsgerecht eingeleitet werden. Umgekehrt kann eine verstärkte Beschleunigung auf den Verschleiß des Elements oder auf ein ruckartiges Losreißen nach Anhaftung hinweisen. Je nach Maschine und Anwendung lassen sich aus den Messwerten detaillierte Rückschlüsse auf den Zustand von Stoßdämpfern und anderen Komponenten ziehen.
Ähnliche Vorteile bieten die induktiven Sensoren mit IO-Link bei der Ventilstellungsrückmeldung: Beim Öffnen und Schließen von Klappen und Ventilen sollen definierte Endstellungen erreicht werden. Mit zwei solchen Geräten lässt sich nicht nur die Ventilstellung, sondern auch die Geschwindigkeit des Stellprozesses erfassen. Auch hier lassen sich aus den Sensordaten Rückschlüsse auf Verschmutzungsgrad und Verschleiß der Armatur ziehen, um notwendige Instandhaltungsmaßnahmen bei Bedarf rechtzeitig auszulösen. Im Vergleich zur zeitbezogenen zyklischen Wartung lassen sich so in erheblichem Maße Personaleinsatz und Kosten einsparen.
Abgeleitete Messwerte
Mittels hochpräziser Abstandsmessung eröffnen die neuen induktiven Sensoren bisher nicht gekannte Möglichkeiten für eine differenzierte Detektion und die Ableitung zusätzlicher Prozessdaten. Dafür stehen speziell geformte Betätigungselemente zur Verfügung.

Drehwinkel
Im Erfassungsbereich des Sensors ist eine schneckenförmige Welle als Betätigungselement an einer rotierenden Komponente montiert. Der Sensor misst den Abstand zur Wellenaußenfläche, der sich mit dem Drehwinkel verändert. Mit diesem Aufbau ist eine robuste sowie verschleißfreie Winkel- und Drehzahlmessung möglich. Neben dem unempfindlichen Messverfahren bietet die Drehwinkelmessung mit einem induktiven Sensor große Flexibilität bei der mechanischen Integration.

Krafteinwirkung
Im Erfassungsbereich des Sensors befindet sich ein verformbares Target, das der Krafteinwirkung eines beweglichen Maschinenbauteils ausgesetzt ist. Die Verformung verändert den Abstand zum Sensor, ihr Ausmaß entspricht der Krafteinwirkung. Aus der Abstandsmessung lässt sich die einwirkende Kraft beziehungsweise ein Gewichtswert ableiten. Die Messung erfolgt berührungslos und verschleißfrei.

Position
Die zum Sensor gerichtete Außenfläche des Targets ist schräg geformt. Dementsprechend verändert sich der Abstand, wenn es seitlich am Sensor vorbeifährt. Aus dem Abstandswert ergibt sich die Position des Maschinenbauteils, an dem der Betätiger befestigt ist. Die Messung erfolgt mit hoher Auflösung und ohne Blindbereich bis an die Sensorfläche. In Spann- und Greifsystemen können auf diese Weise mit nur einem Sensor die Auf/Zu-Endpositionen überwacht werden. Zugleich kann das Gerät die Verfahrgeschwindigkeit erfassen, aus der sich Informationen über den Zustand der beteiligten Komponenten ableiten lassen. a

 Autor
Tobias Dittmer, Team Lead Global Product Management

Inductive Sensors with IO-Link

Pepperl+Fuchs‘ inductive sensors with IO-Link interface offer new possibilities for robust measurement techniques. These sensors not only detect objects but also measure distance, speed, and acceleration precisely. They provide essential data for condition monitoring, enhancing productivity and preventing unexpected machine failures. The sensors can communicate directly with IIoT and Industry 4.0 applications, offering valuable additional information such as temperature, operating times, and counter functions.