Neue digitale Gebersysteme erobern die Welt der Antriebstechnik: Helukabel hat die Kabel dazu. Helukabel (Bild: Helukabel)
Es ist etwas ungewöhnlich aber umso interessanter, dass ein neu entwickeltes Bauteil früher oder später den ganzen Markt umkrempelt. Als Sick im Herbst 2011 die Hiperface DSL Encoder zur SPS IPC Drives präsentierte, gab es zwar schon Wünsche der Antriebshersteller nach einer digitalen Version, aber noch nicht einen Motor, auf den der Encoder passte. Bislang waren die Komponenten eines Servoantriebs, bestehend aus Motor und Regler, über zwei separate Anschlusskabel für Energieversorgung und Datenübertragung miteinander verbunden.
Ein Test in der Fünf-Meter-Anlage, die durchgängig mit sehr hohen Beschleunigungen gefahren wird, dauert etwa ein dreiviertel Jahr. Bild: Helukabel
Auf dem Servomotor befindet sich der Geber, der die Rotorstellung feststellt und das Ergebnis zur Steuerung kommuniziert. Für diese permanente Soll-Ist-Abfrage gab es auf jedem Servomotor bislang zwei Anschlussstecker: einen für die Leistungsversorgung des Motors und einen für die Datenübertragung des Gebers.
Bitte nicht stören
Bei der neuen Technik erfolgt die gesamte Motor-Feedback-Kommunikation nur noch über das Motorkabel. Hierzu wird die Datenübertragung auf die Versorgungsspannung aufmoduliert. Spezielle Verfahren und die Verwendung von Pulstransformatoren sorgen dafür, dass das Gebersignal von den Störungen auf dem Motorleistungskabel entkoppelt wird.
Mit der digitalen Motorfeedback-Schnittstelle Hiperface DSL erfolgt die Kommunikation zwischen Frequenzumrichter und Motor-Feedback-System nur noch über zwei Adern. Aus je einem Kabel für Motor- und Geberleitung wird ein Hybridkabel – es entfallen Anschlussstecker und der Bauraum, der Installationsaufwand der elektrischen Leitungen verringert sich. Noch nicht alle Antriebssysteme können die Daten des Hyperface-DSL-Protokolls entschlüsseln und auch die Regler müssen entsprechend umkonstruiert werden.
Überreale Bedingungen finden Torsionskabel für Windenergieanlagen im 8,5 Meter hohen Testturm vor. Bild: Helukabel
Thomas Pikkemaat, Produktmanager Antriebstechnik bei Helukabel in Windsbach ist sich sicher, dass nicht alle herkömmlichen Antriebe durch die Einkabel-Lösung ersetzt werden, vermutet aber: „Voraussichtlich wird die Hiperface-DSL-Technik der Schnittstellen-Standard der Zukunft werden.“ Doch bis dahin sei es noch ein langer Weg. Denn die Hiperface DSL-Technik stelle auch Hersteller von Kabel und Leitungen vor neue Herausforderungen, so Pikkemaat weiter.
Neuland
„Früher hatten wir ein orangenes und ein grünes Kabel, die zusammen abgeschirmt in einem gewissen Abstand in einer Schleppkette lagen. Teilweise waren die Geberkabel nochmal mit Innenschirmen versehen. Wir hatten also einen räumlichen Abstand und teilweise drei Schirme, um die Störungen voneinander fernzuhalten“, beschreibt der Produktmanager die Problematik. Bei dem jetzt zusätzlichen Paar innerhalb einer Leitung fehle der Außenschirm von der Geberleitung und es bestehe eine räumliche Nähe.
„Ich kann das Paar natürlich doppelt schirmen“, so Pikkemaat. Die Schwierigkeit sei aber die Bewegung des Kabels innerhalb der Schleppkette. Das Problem dabei: Die Schirmfähigkeit des Schirmgeflechts lässt nach. Drähte brechen und die Fachungen gehen auf. Und ob der Encoder so gesendete Signale noch lesen könne, hänge nicht von der Absolutstörung, sondern von der Summe der Einzelstörungen ab, so Pikkemaat.
Technik im Detail
Einkabeltechnik
Neben den verbundenen Vorteilen der Einkabeltechnik wie Platz- und Gewichtsersparnis trägt insbesondere die reduzierte Anschlusstechnik zum Erfolg dieser Lösung bei. Mit der neuen Servoleitungsfamilie Topserv Hybrid in den Ausführungen PUR für hochdynamische Schleppkettenanwendungen und PVC für bedingt schleppkettenfähige Anwendungen erweitert Helukabel sein Standard-Servoleitungsprogramm.Beide Hybridleitungen aus dem Hause Helukabel befinden sich seit über einem Jahr in der Schleppkettenanlage des Test-Centers und haben inzwischen die fünf Millionen-Zyklen-Grenze erreicht. Wichtigste Erkenntnis aus diesen Test: Auch nach fünf Millionen Zyklen in einer hochdynamischen Anwendung ist die Qualität der Datenübertragung so gut, dass alle gesendeten Datenpakete gelesen werden können, sich der Motor also noch dreht.
Je länger das Kabel sei, desto größer sei die Anzahl der einzelnen Störungen. Irgendwann sei der Punkt erreicht, an dem die Signale unlesbar würden, erklärt der Produktmanager weiter und warnt: „Die Gefahr für den Maschinenbauer besteht darin, dass beim Einsatz einer x-beliebigen kostengünstigen Standardleitung die Schirmwirkung von diesem Pärchen in der Kette nach einer gewissen Zeit nachlässt. Das kann nach 100.000 oder erst nach einer Million Zyklen sein. Es gibt hierfür noch keine allgemeingültigen Erfahrungswerte.“
Neuzugang in Windsbach: eine Torsionsprüfeinrichtung für Roboteranwendungen. Bild: Helukabel
Beim Einsatz der Hiperface-DSL-Technik müssen zwei Anforderungen miteinander kombiniert werden: Zum einen sind die elektrischen Vorgaben des Encoders einzuhalten. Zum anderen gibt der Servomotoren-Hersteller die elektrischen Eigenschaften der Kabel vor. „Wir werden oft gefragt, ob es dafür nicht eine Standardlösung gibt“, so Pikkemaat.
„Das muss ich zurzeit noch verneinen, weil sich noch kein Standard herauskristallisiert hat. Jeder Motorenhersteller setzt andere Kabel und unterschiedliche Stecker ein. Damit ist das im Moment ein sehr Antriebshersteller gesteuertes Thema“, gibt er zu bedenken. Helukabel habe aber bereits solche Hybridleitungen gebaut und getestet und sei momentan im Markt der Kabelhersteller mit dem größten Erfahrungsvorsprung, behauptet Pikkemaat.
Wer zuerst kommt, mahlt zuerst
„Aufgrund der positiven Argumente für die Hiper-DSL-Technik und, obwohl uns diese als Kabelhersteller eher im Gegenteil treffen, haben wir uns frühzeitig sehr intensiv mit dieser Lösung beschäftigt“, sagt Pikkemaat. „So haben wir heute bereits Felderfahrung und können für Antriebsspezialisten funktionierende, langlebige Lösungen bauen.“ Die Kabel seien allerdings aufwendiger und mit hochwertigen Materialien ausgestattet. An Stelle des normalen Kupfergeflechts kämen spezielle Materialien zum Einsatz.
Blick ins Testcentrum: Hier werden die elektrischen Kabel und Leitungen in ihren Schleppketten mit bis zu fünffacher Erdbeschleunigung hin und her geschossen. Bild: Helukabel
Helukabel könne so für seine Leitungen die gewohnten fünf Millionen Zyklen garantieren. „Unser Know-how liegt übrigens nicht darin, eine Hybridlösung zu bauen, das kann jeder andere Kabelhersteller auch. Unser Erfahrungsvorsprung liegt vielmehr darin, dass wir das Hiperface-DSL-Element inklusive seiner Schirmung geprüft haben“, unterstreicht der Produktmanager die Kompetenz seines Unternehmens.
Natürlich entwickeln die Windsbacher diese neue Kabeltechnik auch weiter. Bei den ersten Kundenanfragen wollten die Entwickler zunächst auf der sicheren Seite sein und bauten eine Leitung bestehend aus den besten Materialien. Diese war zwar zunächst sehr teuer, aber so konnten sie sicher sein, dass sie funktioniert. In einem zweiten Step downgradet Helukabel die Leitung, testet sie wieder und bietet dann eine günstigere Alternative an.
Das Unternehmen habe auch insgesamt die meisten Freigaben in der Antriebstechnik, so Pikkemaat. Kunden aus dieser Branche auditieren besonders gewissenhaft. Vor einer Zusammenarbeit werfen sie oft einen Blick auf die Fertigung, begutachten die Testmöglichkeiten, möchten Referenzen sehen, und auch die Kabel werden bemustert. Solche Freigabeprocedere dauern teilweise bis zu einem Jahr. Auf Abruf zu liefern, ist deshalb umso wichtiger. Denn ist erst einmal ein Audit bestanden, sucht sich der Kunde so schnell keinen neuen Anbieter.