NFC als Konfigurationsschnittstelle statt Kabel und Adapterboxen

Bei der Entwicklung einer Maschine kommt es immer wieder zu einer Feinabstimmung der einzelnen Sensoren. Es besteht häufig Unsicherheit über die Anzahl der Impulse, die für eine optimale Anwendung erforderlich sind. Aufwand und Frustration sind daher vorprogrammiert. Die Auswahl der richtigen Adapter, Werkzeuge und Parametrierboxen für die Sensorjustierung verläuft meist nicht so reibungslos wie erwartet. Die Probleme bleiben bestehen, wenn das erforderliche Kabel nicht verfügbar ist. Ohne das richtige Kabel lässt sich die eingestellte Konfiguration nicht verändern oder anpassen.

Um diese Entwicklungsphase zu erleichtern, hat die Wachendorff Automation GmbH & Co.KG eine intelligente und einfache Lösung entwickelt. Statt auf die üblichen Adapterkabel und Parametrierboxen zu setzen, entschied sich das Unternehmen bei der Entwicklung des neuen Inkrementalgebers für NFC – Near Field Communication – als Konfigurationsschnittstelle.

Wachendorff ist ein mittelständisches, inhabergeführtes Unternehmen mit Hauptsitz in Geisenheim bei Frankfurt am Main. Das auf die Entwicklung und Produktion von Drehgebern „Made in Germany“ spezialisierte Unternehmen hat den weltweit ersten Inkrementalgeber entwickelt, der sich per Smartphone individuell konfigurieren lässt. Die einzelnen Merkmale können erstellt und in einer Smartphone-Anwendung gespeichert werden. Diese Einstellungen können nun per NFC auf den Encoder hochgeladen werden. NFC ist eine stromlose und kontaktlose Übertragungstechnologie. Um diese etablierte Kommunikationstechnologie auf den Encoder zu übertragen, wurde die WDGN-Serie mit einem NFC-Chip ausgestattet.

Durch die speziell entwickelte Encoder-Sensorik wird eine zuverlässige und hohe Pulsfrequenz erzeugt. Gleichzeitig ist es so flexibel, dass jede beliebige Pulsfrequenz bis hin zu einem Puls pro Umdrehung eingestellt werden kann. Die Geräte basieren auf patentierter magnetischer Sensortechnologie mit hoher Genauigkeit und Auflösung. Mit bis zu 16384 Impulsen pro Umdrehung und einer kompakten Bauform ab 36 mm lassen sich hochgenaue Messungen auf kleinem Bauraum realisieren.

Die flexible Parametrierung per App ermöglicht es dem Kunden, das Gerät vor Ort selbst zu konfigurieren. Dies ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Maschinenentwicklung und -inbetriebnahme. Unterschiedliche Steuerungen oder Frequenzumrichter können variabel getestet werden. Der Austausch der Geräte an der Maschine ist sehr flexibel möglich. Dies reduziert die Lager- und Transportkosten, da weniger Lagerbestände erforderlich sind. Fehlbestellungen werden auf ein Minimum reduziert. Unterschiedliche Geberkonfigurationen können direkt in der Anwendung hinterlegt werden.

Die von Wachendorff speziell entwickelte generische Software ist unabhängig vom Sensortyp einsetzbar. Die Funktionalität kann an andere Sensor- und Aktorsysteme angepasst werden, etwa um Funktionen freizugeben oder Daten auszutauschen.

Als Basis für die Technologie der App diente die Flutter-Software, die sowohl mit Apple als auch mit Android kompatibel ist.

Die NFC-Technologie wurde erfolgreich an raue Industriebedingungen angepasst. Die Encoderserie mit typischen Durchmessern von 36 mm und 58 mm besteht aus Drehgebern und Hohlwellengebern. Je nach Produkttyp ist eine Wellenbelastung von bis zu 300 N möglich. Verpolungs- und Kurzschlussschutz sind für den gesamten Spannungsbereich von DC 4,75 V bis DC 32 V vorgesehen. Es stehen alle branchenüblichen Montagemöglichkeiten zur Verfügung. Die Encoder können mit M12-Stecker oder Kabelabgang geliefert werden, sowohl in radialer als auch in axialer Ausführung. Das robuste Edelstahlgehäuse bietet je nach Typ die Schutzart IP67 und IP69K, am Welleneingang IP65 bzw. bis zu IP67. Dank ihrer hohen Vibrations- und Schockfestigkeit sowie einem Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis 85 °C sind sie gut für den Einsatz in sehr rauen Industrieumgebungen geeignet. Die neue Legierung der Abdeckung sorgt für eine bessere Abschirmung gegen magnetische Einflüsse und macht die Produktion noch umweltfreundlicher.

Auch die Sicherheit der Datenübertragung ist gewährleistet. Die Konfiguration des Encoders ist nur mit dem richtigen Passwort möglich. Die Kommunikation des Encoders erfolgt verschlüsselt und die unterschiedlichen Zugriffsrechte sind durch PINs für den Endnutzer geschützt. Im Encoder sind mehrere Speicher vorhanden. Die aktuelle Konfiguration wird im internen Speicher des Mikrocontrollers und im NFC-Speicher gespeichert.

Sind die Werte gültig, kann die Konfiguration im NFC-Speicher mit der gewünschten überschrieben werden und wird nach einem Power-Reset in den internen Speicher übertragen. Sollten die Daten im NFC-Speicher ungültig sein, werden diese auf die letzten gültigen Werte im internen Speicher zurückgesetzt. Durch die Nutzung des NFC-Speichers können Konfigurationsdaten auch bei ausgeschaltetem Gerät gelesen und versendet werden. Dies ist für eine einfache und sichere Bereitstellung unerlässlich. Alle Daten sind durch die PIN geschützt und verschlüsselt, auch bei ausgeschaltetem Gerät.

Im Vergleich zu Bluetooth und WLAN hat NFC eine geringere Reichweite und kommuniziert im Nahfeld. Die größere Reichweite von WLAN und Bluetooth macht sie anfälliger für Störungen und potenziell leichter angreifbar. Bei beiden handelt es sich um aktive Funkstandards, bei denen die Übertragung nur bei angelegter Spannung erfolgen kann. Mit NFC kann die Parameterkonfiguration direkt an der Maschine durchgeführt werden, wodurch ein eingeschränkter Zugriff gewährleistet ist. Da das NFC-Modul passiv kommuniziert, kommt es im Betrieb zu keinen Störungen. NFC ermöglicht die kabellose und spannungsfreie Parametrierung direkt an der Maschine und macht so die Bedienung sicherer und unkomplizierter.

Das Antennendesign wurde mit mehreren Funktionsprototypen getestet. Für weitere Tests und Optimierungen wurden mehrere Antennendesigns erstellt und in Produktionsstückzahlen beschafft. Getestet wurden diese auf Empfangsqualität, Abstand zwischen Smartphone und Antenne sowie Robustheit der Kommunikation. Es wurde das bestmögliche Verhältnis zwischen Reichweite und Platzbedarf der Antenne ermittelt.

Die entwickelte Lösung bietet ausreichend Speicher für den aktuellen Bedarf und ausreichend Reserven für zukünftige Erweiterungen. Das Antennenlayout wurde so optimiert, dass es auf eine 20 mm x 17 mm große Leiterplatte passt und dennoch eine zuverlässige Übertragung über die maximale Entfernung gewährleistet.

Diese Platine ist über ein Flachbandkabel und spezielle Verriegelungsstecker mit der Sensorplatine verbunden. Diese Verriegelung ist für eine hohe mechanische Robustheit notwendig.

Das WDGN ist eine optimale und einfache Alternative für Kunden, bei denen der sonst weit verbreitete Kommunikationsstandard IO-Link nicht geeignet ist.

Die neu entwickelte WDGN-Serie ist in zwei Versionen erhältlich. Die Basic-Version verfügt über die Standardkanäle eines Inkrementalgebers (A, B, N) und die invertierten Kanäle. Die Advanced-Version ist fortgeschrittener. Hier können vier Kanäle unabhängig voneinander konfiguriert werden.

Die neue Technologie spart auf einfache Weise Kosten und Zeit und erhöht die Nachhaltigkeit.

„Ziel unserer WDGN-Serie ist es, unseren Kunden neue Möglichkeiten für ihre Encoder-Konfiguration zu bieten“, sagt Robert Wachendorff.