Digital instead of analogue signals - CANopen

In tegenstelling tot een analoog signaal, dat als fysische grootheid continue waarden kan aannemen, bestaat een digitaal signaal uit discrete waarden. Persoonlijk denk ik altijd aan lange reeksen nullen en enen die door de ruimte zweven: 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.

Iedereen heeft ongetwijfeld al eens gehoord van CANopen als een digitaal signaal. CANopen is een communicatieprotocol gebaseerd op CAN, waar de organisatie CAN in Automation (CiA) zich sinds 1995 mee bezig houdt. Het is als norm vastgelegd in de Europese norm EN 50325-4. Het protocol is ontwikkeld als een gestandaardiseerd, ingebed netwerk met zeer flexibele configuratiemogelijkheden.

Waar is CANopen voor nodig?

Een algemene beschrijving: CANopen biedt verschillende communicatie-objecten die het mogelijk maken het gewenste netwerkgedrag in een instrument te implementeren. Met deze communicatie-objecten kunnen instrumenten of sensoren de mogelijkheid bieden om procesgegevens te communiceren, apparaatinterne fouttoestanden weer te geven of het netwerkgedrag te beïnvloeden en te besturen.

Uitgangssignalen nader bekeken

Maar wat houdt dit eigenlijk in en waarom is het de moeite waard om beproefde analoge signalen te vervangen door digitale? In dit bericht worden de volgende vijf gebieden behandeld op een manier die zo algemeen mogelijk begrijpelijk is: Nauwkeurigheid, betrouwbaarheid, diagnostiek, systeemarchitectuur en beheersbaarheid van het digitale uitgangssignaal CANopen, dat standaard bij WIKA-sensoren wordt aangeboden.

1) Gevoeligheid voor fouten

Al in 2015 heeft een gedetailleerde analyse van de verschillen in nauwkeurigheid tussen analoge en CANopen-sensoren door twee collega’s van WIKA, Bildstein & Heusel (Digital transmission in pressure sensors, WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, CAN-Newsletter, 1/2015, CAN in Automation, pp. 24-27), toonden de hogere foutgevoeligheid van analoge sensoren aan. Dit is te wijten aan het feit dat het signaal drie keer wordt omgezet: eerst van analoog naar digitaal (AD), dan terug van digitaal naar analoog (DA), en ten slotte opnieuw gedigitaliseerd in de controller.

Het zwakste punt van de analoge meettechniek is de signaalweg van de sensor via de bedrading met stekkerverbinding naar het uiteindelijke instrument. Pas wanneer het signaal het typische bereik verlaat, kan een fout worden gedetecteerd. Ook kan de sensor niet via het signaal worden geïdentificeerd.

2) Betrouwbaarheid

The advantage of a digital signal, in terms of reliability, is that it is precisely defined what kind of values are expected. The transmitted bits can be checked for plausibility by fixed fields as well as by the message length. If, for example, a packet with 16 digits (e.g. 0101 0111 0100 1001) is expected, but only 14 of them arrive, it is clear that something went wrong during transmission. This considerably reduces the susceptibility to errors due to external influences. A timeout during data transmission also indicates an error.

Furthermore, in the end it is only important to recognise 0 and 1 correctly in a digital signal. Whether the signal is 0 V or 0.5 V is irrelevant, as it is still recognised as 0. This means that, for example, temperature fluctuations, noise or electromagnetic interference have less chance of disturbing the signal.

3) Diagnostiek

De “signal jump electronics” zijn speciaal ontwikkeld voor bepaalde krachtsensoren. Zij kunnen worden gebruikt om na te gaan of de overeenkomstige sensoren nog steeds het verwachte analoge uitgangssignaal teruggeven. Dergelijke specifieke schakelingen zijn echter niet de regel.

Een gedetailleerde controle van de systeemopbouw, b.v. welk type instrument op welke positie is geïnstalleerd, alsmede een verificatie van de digitale sensoren maakt daarentegen deel uit van het gestandaardiseerde inbedrijfstellingsproces. Zelfs tijdens bedrijf kan een digitaal signaal steeds opnieuw worden geverifieerd (b.v. via het heartbeat-protocol of timeouts). Dit is niet mogelijk met analoge sensoren.

Overigens kan niet alleen een signaal via een bus worden verzonden, maar ook een groot aantal andere stukken informatie. Binnen één sensor kunnen bijvoorbeeld verschillende gemeten variabelen worden verzonden: Kracht en temperatuur, druk en niveau of totaal verschillende combinaties.

4) Uitbreiding van het systeem

Een groot voordeel van een digitaal systeem is de samenvoeging van signalen. Tot 127 kanalen kunnen in één regelsysteem worden gecombineerd. Als u met minder begint, is een latere uitbreiding van de systeemarchitectuur geen probleem. Bovendien is de bedrading eenvoudig en worden de regelaars goedkoper omdat 127 afzonderlijke analoge kanalen met hoge precisie niet nodig zijn.

5) Herbruikbaarheid en onderhoudsgemak

Analoge sensoren bieden voordelen bij vervanging en eventuele aanpassingen. Als de gestandaardiseerde uitgangssignalen worden gebruikt, kunnen de instrumenten gemakkelijk worden vervangen of vernieuwd zonder veranderingen in de toepassingssoftware, ongeacht de fabrikant. Dit vereenvoudigt logistieke processen en er is geen risico van beïnvloeding van het systeemgedrag. In de praktijk is voor digitale sensoren gebleken dat er geen twee fabrikanten zijn die 100 % dezelfde objecten aanbieden.

Anderzijds wordt het volledige schaal- en ijkproces op elke digitale sensor zelf uitgevoerd: als bijvoorbeeld een druksensor van 150 bar wordt vervangen door een druksensor van 250 bar, is er geen enkel probleem. Het is niet langer nodig de regelparametrisering te wijzigen, de sensoren worden alleen bij de fabrikant gekalibreerd.

Conclusie over CANopen en analoge signalen

“Never change a winning team” zou ook van toepassing kunnen zijn op de sensoren van een systeem. Zolang de sensoren perfect functioneren met de traditionele analoge signalen, is er zeker geen reden om het totale systeem te verstoren. Maar als het gaat om uitbreidingen, reparaties of vernieuwingen, moeten de voordelen van een digitaal uitgangssignaal zeker worden overwogen. Het kost tenslotte niets om te vragen.

Additioneel
Meer informatie over onze producten vindt u op de WIKA website. Als u nog vragen heeft, zal uw contactpersoon u graag verder helpen.

Zie ook onze artikelen
Kracht & Macht – wat zijn dat eigenlijk?
Leven in cijfers en maten
Druksensor met I²C communicatie – mogelijkheden en randvoorwaarden



Geef een reactie