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Energie- und Datenübertragung mit Schleifringen

| Autor / Redakteur: Reinhold Weiland * / Gerd Kucera

Neu entwickelte Schleifringgenerationen, wie die hier vorgestellten, können den gestiegenen Anforderungen zum Einsatz in Industrial Ethernet und Industrie 4.0 entsprechen.

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Bild 1: Der Schleifring SR120 hat ein Wartungsintervall von 100 Millionen Umdrehungen und eine Lebensdauer der Signal- und Datenkanäle von typisch 500 Millionen Zyklen.
Bild 1: Der Schleifring SR120 hat ein Wartungsintervall von 100 Millionen Umdrehungen und eine Lebensdauer der Signal- und Datenkanäle von typisch 500 Millionen Zyklen.
(Bild: Kübler)

Die Einsatzgebiete für Schleifringe sind vielfältig: Verpackungsmaschinen, Textilmaschinen, Roboter und Handhabungssysteme, Kräne, Abfüllanlagen, Rundtakttische und anderes mehr. Der Schleifring ist ein elektromechanisches Bauteil und bildet zusammen mit den Bürsten einen Gleitkontakt. Zwischen gegeneinander rotierenden Bauteilen ermöglicht er sowohl eine elektrische Leistungs- als auch Signalübertragung.

Durch die stark zunehmende digitale Vernetzung in modernen Produktionsanlagen kommt es zu deutlich höheren Anforderungen an die hierin verbauten elektrischen Komponenten. Mit solchen automatisierten Anlagen versorgen Schleifringe rotierende Anlagenteile, wie beispielsweise Rundtaktautomaten mit elektrischer Leistung und übertragen Steuersignale und Daten, häufig auch in Kombination mit Flüssigkeiten und Gasen.

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Wichtig dabei ist ein langlebiger und zuverlässiger Einsatz, der sich nur durch lange Wartungszyklen und der notwendigen Robustheit der Schleifringe realisieren lässt. Neu entwickelte Schleifringgenerationen, wie sie hier vorgestellt werden, können den gestiegenen Anforderungen entsprechen. Schleifringe der Produktfamilien SR120, SR160 und SR250H sind Ethernet-fähig und übertragen neben der elektrischen Leistung bis 120 A und der Steuersignale zugleich große Datenmengen in Echtzeit.

Entscheidend für den wirtschaftlichen Betrieb moderner investitionsintensiver Produktionsanlagen ist eine hohe Ausbringung unter effizienten Produktionsbedingungen. Neben der Erhöhung der Anlagenleistung durch die Beschleunigung von Einzelprozessen sind eine optimierte Einsteuerung der Produktionsaufträge und die Minimierung von Stillstandzeiten Schlüsselfaktoren für die Wirtschaftlichkeit der Fertigung.

Die Vorstellung der modernen Industrie besteht aus Superlativen: Immer das Maximum erreichen und das in kürzester Zeit mit immer effizienteren Prozessen. Der Trend geht dabei zu leistungsstarken, sich selbst organisierenden und ressourcenschonenden Produktionsanlagen. Grundlage hierfür ist jedoch die Erfassung und Übertragung der Betriebsdaten zwischen den Anlagenteilen entlang der Wertschöpfungskette sowie zur Anlagensteuerung. Dementsprechend nimmt die zu übertragende Menge an Daten sowie die Datenübertragungsgeschwindigkeit ständig zu.

Häufig sind in solchen hoch effizienten Anlagen die wesentlichen Prozessschritte aus Gründen der Platzersparnis auf Rundtakttischen ausgeführt. Die elektrische Versorgung der auf den Karussellen angebrachten aktiven Elemente sowie die Datenkommunikation mit anderen peripheren Anlagenkomponenten erfolgt über Schleifringe. Eine beispielhafte Applikation ist die Getränkeabfüllung, die aus einzelnen Prozessschritten besteht wie das Abfüllen, Verschließen und Etikettieren. Diese Prozesse werden aus Platzgründen auf den schon oben genannten Rundtakttischen ausgeführt.

Lange Wartungszyklen und störfreie Übertragung

Leistungssteigerung, maximale Verfügbarkeit und die stark zunehmende digitale Vernetzung moderner Produktionsanlagen führen zu deutlich höheren Anforderungen auch an die verwendeten Schleifringe selbst. Neben der Übertragung der Signale und hoher Ströme müssen die Schleifringe in das Netzwerk integrierbar und die Ethernet-basierte Datenübertragung zuverlässig sein.

Die Forderung nach maximaler Verfügbarkeit der Anlage machen zudem eine lange Lebensdauer und sehr lange Wartungszyklen unabdingbar. Aus Gesprächen mit den Betreibern großer Produktionsanlagen lässt sich zudem der Wunsch ableiten, Informationen zum Betriebszustand des Schleifrings erfassen zu können, um diese im Rahmen vorausschauender Wartung berücksichtigen zu können. So ließe sich das Risiko ungeplanter Stillstandzeiten der Anlage weiter reduzieren.

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Smarte, lagerlose Drehgeber vereinfachen das Predictive Maintenance

Ein aktueller Trend in der Antriebstechnik ist die Integration bisher separat montierter Komponenten zu einem System. Herrschte vor einigen Jahren noch eine strikte Trennung zwischen Motor, Feedback-System (Tacho, Resolver, Inkremental- oder Absolut-Drehgeber, etc.), Verkabelung, Antriebsverstärker und Steuerung, so existieren heute eine Vielzahl von dezentralen Antriebssystemen, bei denen bis hin zum Antriebsverstärker mit leistungsfähigen Steuerungsfunktionalitäten, alles integriert ist. Dieser Trend zwingt auch die Hersteller von Drehgebern neue, integrierbare Lösungen zu erarbeiten, mit dem Ziel das Gesamtsystem geregelter Antriebe kompakter, zuverlässiger, leistungsfähiger und nicht zuletzt kostengünstiger zu realisieren. Besondere Herausforderungen bei der Integration entstehen dann, wenn Antriebssysteme die aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit bisher als Feedback-Systeme hochauflösende, eigengelagerte optische Drehgeber verwendeten, mit kompakten lagerlosen und robusten magnetischen Gebersystemen ausgestatteten werden sollen, um Platz und Kosten zu sparen.

Oft wurde bei solchen Integrationsversuchen der Endanwender enttäuscht, lagen doch die Signalgüte des Feedback-Systems und damit die Regelgüte des Antriebs hinter den Erwartungen zurück. Aufgrund der Systemkompetenz und enger Zusammenarbeit mit den Key-Playern in der Antriebstechnik ist es beispielsweise Kübler in jüngster Zeit gelungen, kompakte, lagerlose, magnetische Drehgeber in und an Servo-Antriebsmotoren zu integrieren, obgleich das magnetische Messprinzip eigentlich den Einsatz in unmittelbarer Umgebung von magnetischen Störfeldern, wie sie von Elektromotoren und insbesondere elektromagnetisch betätigten Bremsen ausgehen, verbietet. Ursächlich für diesen Erfolg sind insbesondere FEM-berechnete Abschirmsysteme und eine smarte digitale Echtzeit-Signalverarbeitung. Hinter dem Begriff smart verbirgt sich in doppelter Hinsicht etwas Neues: Einerseits werden durch eine digitale, FPGA-basierte Signalverarbeitung die Driften und Signalfehler, hervorgerufen durch z.B. Temperatur, Alterung und Einbautoleranzen usw., aktiv ausregelt und so trotz einer vergleichsweise groben Teilung der magnetischen Maßverkörperung eine genaue und hochaufgelöste Zustandsgröße ermöglicht. Andererseits werden mittels der ohnehin vorhandenen Kenntnis der Kerngrößen des Antriebssystems das Condition Monitoring und ein Predictive Maintenance ermöglicht. Parametrierbarkeit, auch der integrierten digitalen Signalfilter mit Delay-Kompensation, die sich als sehr vorteilhaft in vielen Applikationen herausgestellt haben. Ein elektronisches Typenschild inklusive Anwenderspeicher runden die Ausstattungsmerkmale ab. Den Experten von Kübler ist es so gelungen, Feedbacksysteme zu intergieren, die über eine ungewöhnlich hohe Signalgüte verfügen und dennoch die bei einer Integration nötige Kompaktheit und Zuverlässigkeit haben.

In Kundengesprächen zeichnen sich bereits die zukünftigen Entwicklungen ab: So wird der smarte, in das Antriebssystem integrierte Drehgeber nicht nur zum Informationszentrum für den Antrieb (hinsichtlich der in Echtzeit bestimmten Zustandsgrößen Position, Drehzahl und Drehbeschleunigung), sondern auch ein Knotenpunkt für weitere Messgrößen wie Temperatur und laterale Beschleunigung (Vibration). Letztere Sensorik kann aufgrund des lagerlosen Anbaus, und der damit direkten mechanischen Kopplung an den Antrieb, in der Elektronik des Drehgebers integriert und darüber hinaus auch mit den anderen Messgrößen korreliert werden (Sensor-Fusion), was einen weiteren Informationsgewinn im Hinblick auf Forderungen nach Predictive Maintenance und Condition Monitoring bedeutet.

Modularität erlaubt individuelles anpassen

Die neue Schleifringgeneration der Produktfamilien SR120, SR160 und SR250H von Kübler bietet eine geeignete Lösung für Applikationen der industriellen Automatisierung. Ihre Ethernet-fähigen Schleifringe übertragen neben der elektrischen Leistung und notwendigen Steuersignale zugleich große Datenmengen in der geforderten Echtzeit.

Mit der Entwicklung und erfolgten Markteinführung der Produktreihe SR250H können nun Ströme bis zu 120 A übertragen werden, ohne die Übertragung der Ethernet-Daten zu stören. Grundlage für die außergewöhnlich hohe Lebensdauer und die langen Wartungszyklen der Schleifringe sind hochwertige, sehr zuverlässige Kontaktsysteme.

Je nach Applikation bzw. Prozessschritt innerhalb einer Gesamtanlage sind unterschiedliche Aktoren, Sensoren und Antriebe auf den Rundtakttischen platziert. Somit unterscheiden sich auch die Anforderungen an den Schleifring. Durch ihren modularen Aufbau lassen sich diese Schleifringe individuell an die Gegebenheiten anpassen.

In zahlreichen Applikationen wird neben der elektrischen Übertragung auch die Übertragung gasförmiger oder flüssiger Medien benötigt. Auch für diesen Anwendungsfall gibt es Lösungen: einbaufertig montierte Kombinationen aus elektrischem Schleifring und geeigneter Mediendurchführung ermöglichen eine deutlich vereinfachte und schnelle Montage in die Produktionsanlage.

Ethernet-Daten bis 1 Gbps sicher übertragen

Standardmäßig basiert die Übertragung von Ethernet-Daten in den Schleifringen auf einer kontaktierenden Übertragungstechnik. Das speziell abgestimmte elektrische Schirmkonzept kombiniert ein hochwertiges und damit zuverlässiges Kontaktsystem, um neben Strömen bis 120 A und elektrischen Signalen auch Daten via Ethernet sehr zuverlässig zu übertragen. Damit sind Übertragungsraten bis 100 Megabit pro Sekunde möglich; die Datenübertragung ist unabhängig vom Ethernet-Protokoll und kann somit universell für alle Ethernet-Protokolle genutzt werden.

Für Übertragungsraten jenseits der 100-Mbps-Grenze setzt Kübler auf eine nicht kontaktierende Übertragungstechnik. Mit ihr lassen sich Übertragungsraten bis 1 Gbps erzielen. Sie ist ebenfalls für nahezu alle gängigen Ethernet-Protokolle einsetzbar und lässt sich vollständig in das Schleifringgehäuse integrieren. Aufgrund der am Gehäuse angebrachten Norm-Steckverbinder sind die Schleifringe leicht in das Netzwerk integrierbar.

Condition Monitoring: Schleifringe mit Sensorik

Grundvoraussetzung für die Steuerung und Optimierung der Produktionsabläufe und die schnellstmögliche Taktung der Produktionsaufträge ist die Erfassung relevanter Betriebsdaten. Dies geschieht in modernen Anlagen durch umfangreiche Sensorik in allen Anlagenteilen bis hin zum Produkt.

Auch Informationen über den Betriebszustand der einzelnen Komponenten sind von großer Wichtigkeit. Sie tragen mittels vorausschauender Wartung dazu bei, ungeplanten Stillstandzeiten der Anlage aufgrund von Defekten oder Verschleiß einzelner Komponenten entgegenzuwirken.

Nicht nur im Bereich der industriellen Automation, sondern auch in anderen Branchen und Applikationen gewinnt dieser Aspekt weiter an Wichtigkeit. Vor diesem Hintergrund steigt auch der Bedarf an Schleifringen mit integrierter Sensorik. Dies betrifft zum einen die Erfassung von Informationen zum Betriebszustand des Schleifrings, etwa der Restlebensdauer, zum anderen auch Daten zu Betriebsparametern wie Temperatur und Winkelposition.

Dies realisiert Kübler durch entsprechende Sensorik, die in den Schleifring integriert sind. Damit kommt der traditionell passiven Komponente Schleifring verstärkt eine aktive Rolle zu und es ist zu erwarten, dass dieser Trend anhält.

* Dr. Reinhold Weiland ist Leiter des Geschäftsbereichs Übertragungstechnik bei Kübler in Otterfing.

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