Welche Rolle spielen Isolation und das Internet der Dinge in der industriellen Automatisierung?

Auch wenn menschliche Ingenieure und Techniker weiterhin die letztliche Verantwortung tragen, wird in einer automatisierten Fabrik der routinemäßige Betrieb einer Anlage durch die Befehle eines Computerprogramms gesteuert, das auf einem integrierten Mikrocontroller, einem Industrie-PC oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ausgeführt wird.

Abbildung 1: Die industrielle Automatisierung erfordert eine enorme Anzahl integrierter Mikrocontroller (Quelle: TI)

Die Automatisierung industrieller Prozesse bietet eine Reihe von Vorteilen: Sie spart Energie und Material, sie verbessert Qualität, Genauigkeit und Präzision industrieller Prozesse, sie erlaubt den Betrieb in gefährlichen Umgebungen (z. B. in Kernkraftwerken) und sie führt zu einer erheblichen Einsparung an Arbeitskräften. 

Die Ergebnisse sind beeindruckend. 1909 waren 303 Mitarbeiterstunden erforderlich, um ein Auto zu montieren. 1929 war diese Zeit bereits auf 92 Mitarbeiterstunden verkürzt und 2008 benötigte man im Jeep-Werk in Toledo im US-Bundesstaat Ohio nur noch 13,6 Mitarbeiterstunden für die Montage eines Fahrzeugs, das um etliche Größenordnungen komplexer ist als das Modell T. 

Industrieroboter führen heute viele Aufgaben durch, die früher von Menschen geleistet wurden, beispielsweise Schweißen, Bestücken und Montieren, und Bildverarbeitungssysteme haben Qualitätskontrollprüfer ersetzt.

Die vernetzte Fabrik und das Internet der Dinge

Die nächste Stufe nach der Automatisierung einzelner industrieller Prozesse besteht darin sicherzustellen, dass alle reibungslos ineinandergreifen – und natürlich Daten für ihre menschlichen Meister liefern!  Die moderne automatisierte Fabrik stützt sich daher auf ein industrielles Netzwerk unter Verwendung eines der zahlreichen Automatisierungsprotokolle, z. B. Ethernet, Fieldbus oder HART-Protokoll, die für die Konnektivität auf Fabrikebene sorgen.  

Abbildung 2: Einige der vielen industriellen Kommunikationsstandards (Quelle: TI)

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) legt die Messlatte noch höher, indem es die Integration industrieller Maschinen und Anlagen mit dem Internet ermöglicht. Die neueste Version des Internet-Kommunikationsprotokolls, IPv6, mit seiner 128-Bit-Adressierung, ermöglicht es, potenziell jedem einzelnen Gerät eine eigene IP-Adresse zuzuordnen. Damit wird eine nahezu unbegrenzte Konnektivität gefördert, ebenso wie die Sammlung und Analyse umfangreicher Daten in der Cloud. 

In der intelligenten Fabrik der Zukunft werden die Stufen der Automatisierungs-„Pyramide“ – vom Gerät bis hin zur Unternehmensebene – miteinander verknüpft sein und die fertigungsbezogenen Daten werden ein Echtzeit verfügbar sein, um geschäftliche Entscheidungen zu stützen.

Galvanische Trennung und industrielle Automatisierung

Wenn elektronische Steuerungen eingesetzt und mehrere Systeme über ein Netzwerk miteinander verbunden werden, bringt das viele Vorteile, ist jedoch aber auch mit Problemen und Herausforderungen verbunden. Eine dieser Herausforderungen besteht darin, mit Starkstrom arbeitende Hochspannungsmaschinen, beispielsweise Industrieroboter und CNC-Maschinen, mit Schwachstrom nutzenden Niederspannungs-Datenerfassungssystemen und vernetzter Kommunikation zu kombinieren. Wir werden über eine wichtige Technik sprechen, die zur Überwindung dieses Problems eingesetzt wird, die galvanische Trennung. 

Die galvanische Trennung ist eine Technik, durch die Funktionsbereiche elektrischer Anlagen voneinander getrennt werden, um zu verhindern, dass Strom zwischen ihnen fließt. Es ist kein direkter (d. h. resistiver) Leitungspfad zwischen ihnen erlaubt. Obwohl es keinen elektrisch leitenden Pfad zwischen den Abschnitten gibt, werden Strom oder Informationen weiterhin über kapazitive, induktive, optische oder anderen Techniken übertragen. 

Eine Isolationsvorrichtung gibt ein analoges oder digitales Signal vom Eingang zum Ausgang über eine Isolationsbarriere weiter. Um wirksam zu sein, muss die Isolationsbarriere eine hohe Durchbruchspannung und eine geringe Streuung aufweisen. Isolationsvorrichtungen sind eine Schlüsselkomponente für das Verbinden der vernetzten Fabrik. Sie sind überall in der Signalkette zu finden: von einzeln isolierten Sensor- und Datenerfassungssystemen bis hin zum Highspeed-Kommunikations-Backbone, der durch die gesamte Fabrik läuft.

Warum wird eine galvanische Trennung in der industriellen Automatisierung benötigt?

Sicherheit: Der Schutz der Benutzer elektrischer Geräte vor potenziell tödlichen Spannungen und Strömen ist eine zentrale Anforderung jeder elektrischen Anlage. Es gibt eine Reihe von Sicherheitsnormen, z. B. UL60950-1, die die Sicherheit elektrischer Anlagen regeln. Eine sichere Anlage umfasst mehrere Schutzebenen, einschließlich Trennung, Erdung und Isolation: Bei einem Offline-Stromversorgungsdesign sorgt beispielsweise ein Transformator für eine induktive Isolation zwischen dem Wechselstromeingang und dem Rest des Stromkreises. Im Allgemeinen kann die galvanische Trennung überall dort eingesetzt werden, wo potenziell gefährliche Spannungen vorhanden sind.

Massedifferenzen und Masseschleifen: Anders als bei den einfachen Schaltplänen, die wir in der Schule gezeichnet haben, lernen wir als Techniker in der Praxis schnell, dass Masse an verschiedenen Punkten in einem System wahrscheinlich nicht überall gleich ist, insbesondere, wenn System weit verstreut sind, beispielsweise zwischen verschiedenen Teilen einer Industrieanlage. Dies kann zu Fehlern oder sogar Ausfällen in einem digitalen Netzwerk führen, weil jeder Unterschied in der Bezugsmasse zwischen dem Sender und dem Empfänger den Spielraum zur korrekten Erkennung einer logischen „0“ oder einer logischen „1“ verringert. Bei Analogschaltungen fügt eine DC-Massedifferenz einen Offsetfehler hinzu, und Wechselstromänderungen können sich auf den Oberwellengehalt des Signals auswirken. Die galvanische Trennung entfernt die Auswirkung solcher Massedifferenzen und unterbricht Masseschleifen. 

Gleichtaktspannungen: In vielen Fällen ist es notwendig, ein kleines Signal zu extrahieren, das auf einer größeren Gleichtaktspannung sitzt – ein phasengleiches Signal oder eine Spannung, die gleichzeitig an beiden Eingangsklemmen erscheint. In einigen Fällen kann dies das zu messende Signal so verschieben, dass der Messbereichsendwert des Instrumenteneingangs oder die Überspannungsgrenzwerte überschritten wird, was Beschädigungen zur Folge hat. Ein isoliertes Datenerfassungssystem kann die Gleichtaktspannung blockieren und zulassen, dass das betroffene Signal gemessen wird.

Regulatorische Normen

Eine Reihe regulatorischer Normen regeln die Isolation für Industrieanwendungen, u. a. IEC 60204; UL508; UL60947 und CSA 14-10. Darüber hinaus regeln IEC 61010-1 und VDE 410/411 die industrielle Steuerung. 
UL1577 gilt streng genommen nur für optische Isolatoren, aber die Definition und die Prüfanforderungen für die Spannung der Isolationsbarriere werden oft in Spezifikationen für andere Isolationsvorrichtungen herangezogen.

Überblick über Isolationstechnologie und -vorrichtungen

Im Allgemeinen besteht eine Isolationsvorrichtung aus einer Komponente oder Barriere zur Isolation der Hochspannung, einem Sender, der ein Signal in eine Seite der Isolationsbarriere einkoppelt, und einem Empfänger, der das Signal auf der anderen Seite der Barriere zurück in ein Digital- oder Analogsignal umwandelt. Weitere Einzelheiten dazu finden Sie im Handbuch für das Design von Digitalisolatoren von TI.

Es gibt drei Haupttechniken, die für die Weiterleitung von Signalen und Strom über eine Isolationsbarriere verwendet werden. 

Kapazitive Trennung  Ein kapazitiver Isolator nutzt Hochspannungskondensatoren, die in der Regel aus Silikondioxid (SiO2) bestehen und als Isolationskomponente dienen. Abbildung 3 zeigt die Architektur eines einkanaligen Digitalisolators vom Typ ISO7810, der eine Isolationsbarriere von 5,7 kVrms hat und Datenraten von bis zu 100 MB/s verarbeiten kann.

Abbildung 3: On-Off Keying-Architektur der TI ISO78xx-Digitalisolatorfamilie 5,7 kVrms für verstärkte Isolation (Quelle: TI)

Der ISO7810 verwendet eine On-Off Keying-Architektur: Der eingehende digitale Bitstrom wird mithilfe eines integrierten Spreizspektrum-Oszillators moduliert, um ein OOK-Signal zu generieren. An einem Eingang findet die Übertragung einer Trägerfrequenz statt, am anderen Eingang erfolgt keine Übertragung. Abbildung 4 zeigt ein repräsentatives OOK-Signal.

Abbildung 4: Repräsentatives Signal in OOK-Architektur (Quelle: TI)

Dieses modulierte Signal wird in die Isolationsbarriere eingekoppelt und erscheint in abgeschwächter Form auf der Empfängerseite. Der Empfängerpfad besteht aus einem Vorverstärker, der das eingehende Signal verstärkt, gefolgt von einem Hüllkurvendetektor, der als Demodulator dient, um das ursprüngliche digitale Muster wiederherzustellen. Die TX- und RX-Signalaufbereitungsschaltungen werden verwendet, um die Gleichtaktunterdrückung des Kanals zu verbessern und so eine bessere Gleichtaktschwankungsimmunität (CMTI) zu schaffen und die Abstrahlungen zu minimieren. 

Da Kondensatoren den Gleichstrom blockieren, muss ein analoges Signal in eine Form umgewandelt werden, die geeigneter für die Weiterleitung durch die Isolationsbarriere ist. Der Eingang des Isolationsverstärkers ISO122 besteht beispielsweise aus einem Operationsverstärker, gefolgt von einem Modulator, der das Signal über die kapazitive Barriere weiterleitet. Auf der Ausgangsseite wird das digitale Signal demoduliert, um die ursprüngliche Wellenform zu extrahieren.

Induktive Isolation: Die induktive Kopplung unter Verwendung eines Transformators wird häufig genutzt, um eine isolierte Stromversorgung zu liefern, da ein isoliertes Design getrennte Spannungsversorgungen auf jeder Seite der Isolationsbarriere erfordert.  Die DCP01B-Familie ist beispielsweise eine Familie nicht geregelter isolierte 1-W-Gleichstromwandler mit einer 3-kV-Isolationsbarriere. Sie umfasst einen integrierten Transformator, liefert einen Wirkungsgrad von bis zu 85 % und eignet sich ideal für Anwendungen mit Niedrigleistung wie Sensoren und Feldtransmitter. Für Designs, die mehr Leistung erfordern, bietet TI eine Vielzahl von Referenzdesigns für die isolierte Stromversorgung.

Optische Isolation: Ein Opto-Isolator, auch als Optokoppler bezeichnet, überträgt elektrische Signale mittels Licht zwischen zwei isolierten Schaltungen. Er besteht in der Regle aus einer LED und einem Fototransistor in der gleichen Verpackung.

Optisch isolierter Koppler erfordern hohe Stromimpulse und leiden unter den Auswirkungen einer LED-Alterung. Darüber hinaus können sie zu langsam für die digitale Highspeed-Kommunikation sein und werden daher durch kapazitive Designs ersetzt.

Die Isolation ist häufig in weit verbreitete industrielle Automationstechniken integriert, beispielsweise Transceiver, Verstärker und A/D-Wandler. Das Programm an Isolationsprodukten von TI umfasst:

- RS-485-Transceiver
- CAN-Transceiver
- I2C-Transceiver
- Gate-Treiber
- Analog-Digital-Wandler
- DC/DC-Module
- Verstärker

Fazit

Zweifellos werden wir in der Zukunft noch viel über die industrielle Automatisierung und das Internet der Dinge hören.

Im Laufe der nächsten zehn Jahre wird erwartet, dass das industrielle Internet der Dinge den Industriesektor revolutionieren wird: Die Transformation großer Industrien wie Fertigung und Transport hat bereits begonnen. Wenn sich die IoT-Integration auf verschiedene Industrien ausbreitet, hat der industrielle IoT-Markt ein enormes Wachstumspotenzial – eine Prognose schätzt ihn auf nahezu 320 Milliarden USD bis 2020.
 
Wie auch immer diese Zahl letztlich aussehen wird, die Isolationstechnologie spielt dabei eine Schlüsselrolle.