Erschienen am: 11.11.2016, Ausgabe SPS-MAGAZIN SPS-Special 2016

Condition Monitoring von Motoren mit Hiperface DSL

Win-Win-Situation

Hiperface DSL ist heute eines der führenden Standardprotokoll bei digitalen Feedback-Systemen in der Servoantriebstechnik. Möglich wurde dies, weil es allen beteiligten Partnern (Motorenhersteller, Maschinenbauer und Endkunde) technische und wirtschaftliche Vorteile bietet und auch Zulieferern ein neues Geschäftsfeld eröffnet. Zudem erfüllt die digitale Schnittstelle alle Voraussetzungen für die zustandsorientierte Instandhaltung von Maschinen.


Die Produktfamilie EFS/EFM50 mit der integrierten Metall-Codescheibe ist auf Highend-Applikationen ausgerichtet.
Bild: Sick AG

Bereits 1985 hat der damals noch unter Max Stegmann firmierende Sick Unternehmensbereich mit dem patentierten synchron seriellen Interface SSI eine Kommunikationsschnittstelle entwickelt, die sich in der Steuerungstechnik durchgesetzt hat. Mit der Universal-Schnittstelle Hiperface setzte das Unternehmen aus Donaueschingen einen weiteren Standard. Das Besondere: für alle Anwendungen wird nur eine Schnittstelle am Drehzahlregler benötigt; zwischen Drehzahlregler und Feedback-System genügt eine Art von Signalleitung. Die asynchrone Halbduplex-Schnittstelle hatte sich seit ihrer Markteinführung im Jahr 1996 als Standard am Markt etabliert und wird auch heute noch von Antriebsherstellern eingesetzt. Im Lauf der Jahre äußerten jedoch zahlreiche Motorenhersteller den Wunsch, beide Kabel zu integrieren und so von den jeweils zwei Anschlusssteckern auf einen verzichten zu können. Diese Idee wurde jetzt mit Hiperface DSL - kurz HDSL - im Jahr 2011 erfolgreich umgesetzt. Seitdem hat sich die rein digitale Schnittstelle zum Marktstandard entwickelt - weil alle Beteiligten mit HDSL gewinnen. Motorenhersteller profitieren unter anderem davon, dass mit der voll digitalen Schnittstelle nur noch ein Kabel und ein Anschlussstecker sowohl am Motor als auch am Regler benötigt werden. Zudem reduziert sich in der Maschinenmontage der Verkabelungsaufwand praktisch um die Hälfte, denn es entfällt der Geber-Kabelsatz einschließlich seiner Verlegung. Zudem verringert sich der Platzbedarf für Energieführungsketten in der Maschine, da der Kabelschlepp deutlich kleiner wird. Auch Kabeldurchführungen und Leitungen im Schaltschrank benötigen weniger Platz.

Datenübertragung per Stromkabel

Hiperface DSL entspricht dem Standard RS485 und ermöglicht in Servoantriebssystemen eine robuste, störsichere Datenübertragung zwischen Regler und Motor über zwei Adern, die direkt in das bis zu 100m lange Motorkabel integriert werden. Äußerlich sind elektrische Antriebe mit Motor-Feedback-Systemen und integrierter HDSL-Schnittstelle daran zu erkennen, dass sie nur noch einen Gerätestecker aufweisen. Als Kabel kommen zunehmend Hybridleitungen zum Einsatz, bei denen die Servo- und die Drehgeberleitung miteinander verschmelzen: Sowohl Leistung als auch Daten werden über eine gemeinsame Leitung übertragen. Dies gilt auch für die Signale anderer Sensoren, die in das digitale Motor-Feedback-Protokoll integriert werden. Spezielle Verfahren und die Verwendung von Pulstransformatoren sorgen dafür, dass das Gebersignal von den Störungen auf dem Motorleistungskabel entkoppelt wird. HDSL unterstützt die Funktionalität des elektronischen Typenschild zur automatischen Reglerparametrierung. Motorkenndaten, Serien- und Artikelnummern sowie weitere Daten werden hinterlegt und zur selbstständigen Einstellung des Reglers auf die Parameter des Motors sowie im Servicefall genutzt. Schon früh haben führende Hersteller von Servomotor-Leitungen als Antwort auf die rasante Verbreitung der Einkabeltechnik eine spezielle Hybrid-Servoleitung für den digitalen Schnittstellen-Standard vorgestellt. Ihnen folgten schon bald die Hersteller von Mikroprozessoren, ASICs, FPGAs sowie Servocontrollern, um das digitale Protokoll in ihre Produkte zu integrieren. Die Implementierung ist einfach, da die gesamte Logik in einem Baustein abgelegt wird. Der jeweils passenden IP-Core für die Implementierung steht ebenfalls zur Verfügung. Aufgrund der digitalen Logikbausteine können zudem neue Features, die sich aus Kundenanforderungen ergeben, schnell umgesetzt und so die Systemvorteile kontinuierlich weiterentwickelt werden.

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Condition Monitoring

Maßgeblich getrieben wird die digitale Einkabeltechnik auch von den Endanwendern: ihnen eröffnet HDSL über die mehrjährige Betriebsdauer der Maschine die Möglichkeit eines kontinuierlichen Condition Monitoring, und damit enorme wirtschaftliche Effizienzpotentiale. In der vernetzten Produktionswelt spielt das Motor-Feedback mit HDSL für die permanente Zustandsüberwachung eine entscheidende Rolle, denn digitale Daten und Protokolle sind Voraussetzung, um eine Maschine bis hinab zur Motorwelle beurteilen zu können. Hierbei werden interessante Einblicke möglich, denn es können vielfältige Motordaten erfasst werden, unter anderem Betriebsstunden, Motortemperatur, Stromaufnahme, Drehzahlen, Geschwindigkeiten und die jeweiligen Veränderungen dieser Größen. Sie alle sind als Nutzungshistogramm über den Regler auslesbar. Im Rahmen eines kontinuierlichen Condition Monitoring lassen sich diese Informationen zur Ableitung von Aussagen über den Zustand und die voraussichtliche Entwicklung von Antriebs- und Maschinenzuständen nutzen. So müssen kritische Maschinenelemente nicht präventiv überprüft und ausgetauscht werden, sondern können über deren gesamte Lebensdauer vollständig ausgenutzt werden. Auch neue Szenarien sind denkbar, z.B. im Fall einer durchgängigen digitalen Konnektivität vom Antrieb bis in cloudbasierte Condition Monitoring-Applikationen.

Motorfeedback HDSL ready

Motoren- und Maschinenhersteller können aus einem breiten Angebot die jeweils passende Geberlösung mit dem Merkmal HDSL ready auswählen. Die Motorfeedback-Systeme bieten - neben Temperaturfestigkeit, hohe Auflösung, elektronisches Typenschild, Multiturnfunktionalität, Störfestigkeit und kompakter Bauform - alle die für ein effizientes Condition Monitoring erforderliche Voraussetzung. Die Produktfamilie EFS/EFM50 mit der integrierten Metall-Codescheibe ist z.B. auf Highend-Applikationen ausgerichtet, in denen es zugleich auf hohe Robustheit und höchste Auflösung bis zu 23Bit ankommt. Die ebenfalls mit optischer Technologie arbeitenden Motorfeedbacksysteme EKS/EKM36 adressieren Anwendungen im mittleren Anforderungssegment, in denen das optimale Verhältnis von kompakter Baugröße und hoher Genauigkeit entscheidend ist. Die Produktfamilie EES/EEM37 bietet durch ihr kapazitives Prinzip und das lagerlose Gebersystem eine außerordentliche Temperatur-, Schock- und Vibrationsfestigkeit - und ist eine interessante Alternative für eine Vielzahl von LowendApplikationen. Alle Produktfamilien verfügen über Versionen, die nach SIL2 nach IEC61508 zertifiziert sind. Die Motorfeedback-Systeme können somit grundsätzlich auch in Safety-Applikationen eingesetzt werden.

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