Einkabellösung – hochwertige Komponenten und ein offenes Protokoll schaffen neue Möglichkeiten

Das Thema Einkabellösung im Bereich der Servoantriebstechnik gewinnt mehr und mehr an Bedeutung. Neben der immer größer werdenden Zahl an Antriebsherstellern, die Einkabellösungen anbieten, steigt auch die Zahl der Drehgeberhersteller, die deren Einsatz überhaupt erst möglich machen. Diese unterscheiden sich nicht nur im Protokoll, sondern auch in den technischen Details wie Auflösung und Robustheit. Die beiden renommierten Unternehmen HELUKABEL^® GmbH und Hengstler GmbH beschäftigen sich daher unter unterschiedlichen Gesichtspunkten mit diesem Thema; allerdings mit dem gemeinsamen Ziel, Kunden hochwertigste Komponenten an die Hand zu geben, die innovativ, effektiv und sicher sind und das enorme Potential der Einkabeltechnologie voll nutzbar machen.

Hengstler AD37S Drehgeber, entwickelt für eine echte Einkabellösung.

Bei der sogenannten Einkabellösung werden die Adern für die Signalübertragung des Gebers in die Servoleitung integriert, d.h. zwei Leitungen werden zu einer Hybridleitung verbunden. Neben dem Kostenfaktor und der reduzierten Anschlusstechnik trägt vor allem die nicht unerhebliche Platz- und Gewichtsersparnis zum Erfolg dieser Lösung bei. Dies kommt den vielfach ohnehin engen Platzverhältnissen in Maschinen, Schaltschränken und Schleppketten entgegen.

Grundvoraussetzung für den Einsatz einer Einkabellösung zwischen Servomotor und Servoregler ist die hardwareseitige Verwendung eines digitalen Encoders, der für diese Art der Kommunikation entwickelt wurde. Der Encoder ist fest mit dem Servomotor verbunden, daher muss der Hersteller des Servomotors dem Endkunden dieses System komplett bereitstellen. Da eine Kommunikation immer zwischen zwei Einheiten stattfindet, muss nicht nur der Servomotor mit dem Drehgeber ausgestattet werden, sondern auch der Regler an das Konzept der Einkabellösung angepasst werden. Hengstler bietet mit einer neuen Produktfamilie spezielle Drehgeber an, die mit dem offenen Protokoll ACURO^®link gemeinsam eine ideale Symbiose bilden, um die hohen Anforderungen an Einkabellösungen zu bewerkstelligen. „Die ACURO^®link Schnittstelle wurde eigens dafür konzipiert, um 2- und 4-Draht-Anwendungen zu unterstützen“ weiß Johann Bücher zu berichten, Direktor Encoder Strategie bei Hengstler.

Die Herausforderung für Helukabel als Kabelhersteller liegt in der langfristigen Sicherstellung einer robusten und störsicheren Datenübertragung. Bei der traditionellen Zweikabellösung haben bis zu drei Schirme die Signalpaare von den Störeinflüssen der Leistungsadern geschützt. Darüber hinaus wird bei der Verlegung üblicherweise empfohlen, den maximal möglichen Abstand zwischen Servo- und Geberleitung zu berücksichtigen. Bei einer Hybridleitung werden hingegen die Feedbackadern direkt in der Servoleitung geführt. Damit reduziert sich der räumliche Abstand fast komplett und die Anforderungen an die EMV-Abschirmung erreichen eine neue Qualität.

Ausschlaggebend für die Frage, ob sich der Motor dreht, ist die Qualität des Signals, das beim Empfänger ankommt. Je weniger Störungen von außen in das Signalelement eindringen, desto „sauberer“ kommen die Daten beim Empfänger an. Verantwortlich für den Schutz vor EMV-Emissionen ist der Schirm des Datenpaares. Je länger dieser im Einsatz intakt bleibt, desto länger bleibt seine Schutzfunktion erhalten. Solange die Hybridleitung in einer statischen Anwendung installiert ist, geht die Lebensdauer des Schirmes ins „Unendliche“. Erst die mechanische Belastung der Leitung durch eine Installation in einer dynamischen Anwendung, zum Beispiel in einer Schleppkette, verkürzt die Lebensdauer des Schirmes. Dabei hängt eine sichere und störungsfreie Datenübertragung von der Summe der Einzelstörungen ab. Das bedeutet: je länger die Leitung, desto kritischer die Anwendung. Das Entwicklungsteam der Hengstler GmbH testet die zwei- wie auch vier Draht-Variante ihrer Encoder jeweils mit einer Kabellänge von 100m, unter Belastung. Aus der Praxis heraus sorgen diese Tests für genügend Sicherheit um auch zukünftige Herausforderungen für immer komplexer werdende Anwendungen zu meistern. Dank dem Hengstler Drehgeber AD37 ist eine High-Performance-Bewegungssteuerung möglich. Die hohe Übertragungsrate von 10MBaud und einem Datenaustausch von bis zu 32kHz in Kombination mit der Übertragung kompletter Positionsdaten für eine extrem hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) setzen Maßstäbe. Zudem erfüllt das Daten-Protokoll der elektrischen Schnittstelle die SIL-3 Anforderungen nach IEC61508, Kat. 3PLe nach EN ISO 13489, während der AD37-Drehgeber selbst und der IP Core in der Steuerung je nach Kundenapplikation Non-SIL, SIL1, SIL2 und SIL3 erfüllt.

Die Helukabel Topserv Hybridleitung hat sich bei der Zweidrahtlösung mittlerweile als Standard durchgesetzt.

Mit den steigenden Anforderungen, die der Markt an die Maschinen- und Anlagenbauer stellt, wachsen auch die Belastungen, denen die Leitungen im Feld ausgesetzt werden. Neben den immer dynamischer und schneller werdenden Achsen im Bereich der klassischen Werkzeugmaschinen werden die Maschinen auch zunehmend kompakter. Der verfügbare Bauraum wird auf ein Minimum reduziert, die Biegeradien der Schleppketten werden enger. Um eine hohe Standfestigkeit der Leitungen im Schleppkettenbetrieb bei gleichzeitig wettbewerbsfähigen Preisen zu erreichen, müssen sie auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sein, d.h. je nach Anforderung wählt das Konstruktionsteam der Helukabel GmbH unterschiedliche Konstruktionen. Diese sind abhängig von Parametern wie Verfahrweg, Mindestbiegeradius, Verfahrgeschwindigkeit, Beschleunigung und Mindestzyklenzahl. Neben der Konstruktion selbst, spielt auch die Materialauswahl eine entscheidende Rolle. Diese ist primär von äußeren Einflüssen wie Umgebungstemperaturen oder den geforderten Medienbeständigkeiten (z.B. aggressive Kühl- und Schmiermittel) abhängig. Aber auch Eigenschaften wie Flammwidrigkeit oder Halogenfreiheit sind zu berücksichtigende Faktoren.

Unterschiedliche Leistungsanforderungen der Motoren bedürfen unterschiedlicher Querschnitte bei den Versorgungsleitungen. Je größer der Querschnitt, desto dicker die Leitung. Da es nicht ausreicht einen Querschnitt und Kabelaufbau in einer Schleppkette zu testen und daraus Erkenntnisse für alle anderen Querschnitte zu schließen, werden für die Tests unterschiedliche Biegeradien erforderlich. In der Helukabel Gruppe werden Leitungen auf neun unterschiedlichen Testanlagen, die sich sowohl in den Verfahrwegen als auch in den Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsparametern unterscheiden, getestet. Diese Tests sind sehr aufwändig und erfordern eine kontinuierliche Überwachung und Überprüfung. Sie sind allerdings auch notwendig, um die Qualität und Robustheit der Datenübertragung sicherzustellen.

Helukabel war der erste Kabelhersteller, der mit einem Systemtest die Haltbarkeit seiner Hybridleitungen mit weit über fünf Millionen Zyklen bestätigt hat. Seitdem wurden einige hundert Kilometer dieser Hybridleitungen installiert und befinden sich nun weltweit in den unterschiedlichsten Anwendungen im Einsatz.

„Wir sind der Kabelhersteller mit dem größten Erfahrungsvorsprung. Wir haben uns frühzeitig sehr intensiv mit dieser Lösung beschäftigt und haben genügend Felderfahrung, um den Antriebsspezialisten funktionierende, langlebige Lösungen zu bauen. Für die Zweidrahtlösung hat sich unsere Topserv Hybrid mittlerweile als Standard durchgesetzt," sagt Thomas Pikkemaat, Produktmanager Antriebstechnik bei der HELUKABEL^® GmbH.

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