Erschienen am: 14.11.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN SPS-Special 2017

Hybridleitungen für die Motor/Feedbackkommunikation

Für den richtigen Dreh

Die Automatisierung industrieller Prozesse schreitet voran und macht die Abläufe in der Fertigung immer effizienter. Dabei ist ein Trend sowohl zur Dezentralisierung sowie zur Verschmelzung vormals getrennter Aufgabenbereiche bei zentralen Konzepten zu beobachten. Mit Hybridleitungen und neuen Schnittstellenlösungen im Bereich der Drehgeber werden Servomotoren effizienter, kompakter und zukunftssicherer.


Bei zentralen Antriebslösungen geht der Trend zu Einkabellösungen, die sowohl Leistung als auch Daten über die Position und Drehzahl des Motors übertragen.
Bild: U.I. Lapp GmbH

Ohne die Digitalisierung wäre in der Fabrik die Vision Industrie 4.0, die hohe Flexibilität und wirtschaftliche Fertigung bei Losgröße 1 anstrebt, nicht realisierbar. Eine intelligente Fabrik kann nur funktionieren, wenn Maschinen und Teile zunehmend unabhängig agieren und dabei über das Netzwerk miteinander kommunizieren. Eine wichtige Rolle übernehmen dabei verstärkt Servoantriebe. Sie sind in vernetzten und flexiblen Produktionsbedingungen nicht mehr wegzudenken. Mithilfe digitaler Schnittstellen für die Motor/Reglerkommunikation können wichtige Kenngrößen wie Position, Geschwindigkeit, Vibration oder Temperatur übertragen werden. Dabei wachsen die Marktanforderungen für Motoren- und Systemhersteller kontinuierlich. Kosten- und Platzreduzierung, einfache Implementierung und höchste Performance stehen im Fokus.

Kommunikation über Hybridkabel

Hengstler, ein europäischer Hersteller industrieller Zähl- und Steuerungskomponenten, hat jetzt die Schnittstelle AcuroLink vorgestellt. Sie sorgt laut Hersteller für die Einsparung von mindestens 50 Prozent des Steckplatzes, verringerte Rüstkosten und hohe Maschinensicherheit. Die gesamte Motor/Feedbackkommunikation wird über ein von Lapp entwickeltes Hybridkabel realisiert. Hengstler nennt seine Entwicklung Single Cable Solution. Dabei handelt es sich um eine Kombination des hoch performanten Drehgebers Acuro AD37 und der offenen Schnittstelle.

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Eigenschaften von Schnittstelle und Drehgeber

Das Datenprotokoll der elektrischen Schnittstelle erfüllt die SIL3-Anforderungen nach IEC61508 und Kat.3 PLe nach EN ISO13849, während der Drehgeber selbst und der IP-Core in der Steuerung je nach Kundenanforderung ohne funktionale Sicherheit angeboten wird, bzw. SIL1, SIL2 und auch SIL3 erfüllt. Eine Betriebstemperatur von bis zu +115°C, eine Arbeitsdrehzahl bis zu 12.000U/min und eine geringe Einbautiefe von 28mm zeichnen den Multiturn-Drehgeber AD37S aus. In der SIL3-Ausbaustufe heißt dieser dann AD37E und enthält sowohl einen internen Temperatursensor als auch einen separaten Anschluss für den Wicklungstemperatursensor des Motors und ermöglicht es somit, diese Informationen direkt im Drehgeber zu erfassen. Ein standardisiertes Electronic Data Sheet (EDS) im Drehgeber speichert spezifische Geberdaten und kann jederzeit abgerufen werden. Im Encoder selbst können Motor- und Antriebsdaten in einem internen OEM-Speicher hinterlegt werden.

Erfassung von Betriebsdaten

Die zusätzlichen Monitorfunktionen zur Erfassung von Betriebsdaten bilden einen signifikanten Beitrag zur Realisierung von Industrie-4.0-Szenarien. Vor allem bei kompakten Servomotoren bietet die neue Schnittstelle große Vorteile. Durch die Bereitstellung der Motorleistung und der Motor/Feedbacksignale über eine Einkabellösung wird die Effizienz signifikant erhöht. Insbesondere bei größeren Anlagen gibt es hier einen bedeutenden Raumgewinn und Gewichtsverlust. Lapp hat auf die digitale Schnittstelle abgestimmt zwei passgenaue Hybridleitungen entwickelt: Die Ölflex Servo FD 7DSL und die Ölflex Servo 7DSL. Sowohl Leistung als auch Daten werden bei dieser Lösung über eine gemeinsame Leitung übertragen. Das gilt auch für die Signale weiterer Sensoren, wie z.B. des Temperaturfühlers, die in das digitale Motorfeedbackprotokoll integriert werden. Die FD-Variante besitzt einen hochstrapazierfähigen PUR-Mantel und ist somit für den Einsatz in Führungsketten geeignet. Wer hingegen die Leitung fest verlegt einsetzt, greift auf die kostengünstigere PVC-Version zurück. Als Isolationsmaterial der Leiter wird durchgängig Polypropylen (PP) verwendet. Somit wird einerseits dem Wunsch nach kapazitätsarmen Leitungen Rechnung getragen und andererseits die Problematik störender Ableitströme auf dem Schirmgeflecht reduziert. Zudem sind mit dem Kunststoff geringere Wandstärken realisierbar als mit PVC. Einhergehend mit niedrigeren Wandstärken bei der Isolierung ist auch der geringere Außendurchmesser. Bis zu 20 Prozent lässt sich hier durch PP im Vergleich zu PVC einsparen.

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Eine Leitung für Power und Daten

Die Schnittstelle unterstützt die High-Performance-Bewegungssteuerung aufgrund einer hohen Übertragungsrate bis zu 10MBaud, einem Datenaustausch von bis zu 32KHz und ist aufgrund der Übertragung kompletter Positionsdaten für eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ausgelegt. Zudem besteht die Möglichkeit, bis zu 100m lange Motorleitungen zu integrieren. Da nur eine Leitung für Power und Daten erforderlich ist und die separate Drehgeberleitung mitsamt zugehörigem Steckverbinder wegfällt, ergeben sich weitere Einsparpotenziale. Gerade bei kleineren Antrieben ist die relative Kostenstruktur für eine Feedbackleitung und einen M23-Steckverbinder nicht zu unterschätzen. Auch die Installation wird einfacher. Außerdem ist bei den energieführungsketten- und auch robotertauglichen Leitungen der verringerte Platzbedarf ein wichtiges Kriterium, vor allem weil konventionelle Servo- und Drehgeberleitungen aus EMV-technischen Aspekten einen gewissen Mindestabstand zueinander haben müssen. Für das Datenpaar werden derzeit üblicherweise sieben- oder 19-drähtige verzinnte Kupferleiter verwendet. Die Verzinnung dient als Schutz des Isolationsmaterials vor direktem Kontakt mit Kupfer (Wärmealterung) und als Oxidationsschutz (Basis für Langlebigkeit).

Weitere Möglichkeiten

Da neben Leistung und Steuersignalen bei Hybridleitungen auch Daten übertragen werden sollen, sind elektrische Parameter wie der charakteristische Wellenwiderstand, Dämpfungswerte aber auch Kapazitäts-, Induktivitäts- und Widerstandsbelege sowie Laufzeiten und Wellenimpedanzen im definierten Frequenzbereich von großer Bedeutung. Für die Schnittstelle ist z.B. der Wellenwiderstand mit 110 ± 10 angegeben. Allein der Wegfall der Drehgeberleitung führt zu Kostenersparnissen von bis zu 35 Prozent. Hinzu kommen verringerte Montage- und Instandhaltungszeiten. Technisch möglich wären aber auch alternative Hybridlösungen, die z.B. auf Industrial Ethernet basieren oder auf einer Verwendung optischer Datenübertragungssysteme, wie POF (optische Polymerfaser) oder PCF (kunststoffummantelte Glasfaser). Gerade in Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit ist die Verwendung von optischen Datenübertragungssystemen eine Überlegung wert, zumal die Gefahr von Störungen oder Ausfällen elektrischer Systeme, die auf elektromagnetische Ursachen zurückzuführen sind, stark zugenommen hat.