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Hybridleitungen für digitale Schnittstellen

Autor / Redakteur: Lucas Kehl * / Kristin Rinortner

Die Automatisierung industrieller Prozesse schreitet voran. Dabei sind Hybridkabel stark im Kommen. Mit Schnittstellen für Einkabellösungen bei Drehgebern werden Servomotoren noch effizienter und kompakter.

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

Ohne die Digitalisierung wäre in der Fabrik die Vision „Industrie 4.0“, die maximale Flexibilität und wirtschaftliche Fertigung bei Losgröße 1 anstrebt, nicht realisierbar. Eine solche 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. Mit Hilfe digitaler Schnittstellen für die Motor-Regler-Kommunikation 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.

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Die zusätzlichen Monitorfunktionen, die Betriebsdaten erfassen, leisten einen signifikanten Beitrag zur Realisierung von Industrie 4.0 Szenarien. Vor allem bei kompakten Servomotoren bieten digitale Schnittschellen wie Hiperface DSL (SICK), SCS open link (Hengstler/Kübler/Baumer) oder Acuro link (Hengstler) große Vorteile. Durch die Bereitstellung der Motorleistung und der Motor-Feedback-Signale über eine Einkabellösung wird die Effizienz signifikant erhöht.

Insbesondere bei größeren Anlagen spürt man hier einen bedeutenden Raumgewinn und Gewichtsverlust. Durch den verringerten Komponenten-Verkabelungsaufwand ergeben sich außerdem deutliche Kostenvorteile. Allein der Wegfall der Drehgeberleitung führt zu Kostenersparnissen von rund 10%. Hinzukommen verringerte Montage- und Instandhaltungszeiten. Hengstler beispielsweise gibt an, dass die Einsparung des Steckplatzes die Rüstkosten um mindestens 50% reduziere und die Maschinensicherheit erhöhe.

Die LAPP-Gruppe hat auf diese digitalen Schnittstellen abgestimmt zwei passgenaue Hybridleitungen entwickelt: Die ÖLFLEX SERVO FD 7DSL und die ÖLFLEX SERVO 7DSL. Die entsprechenden Freigaben der Drehgeberhersteller liegen vor. Sowohl Leistung als auch Daten werden bei dieser Lösung über eine gemeinsame Leitung übertragen. Dies gilt auch für die Signale weiterer Sensoren, wie des Temperaturfühlers, die in das digitale Motor-Feedback-Protokoll integriert werden.

Die „FD“-Variante besitzt einen hochstrapazierfähigen PUR-Mantel und ist somit bestens für den Einsatz in Führungsketten geeignet – wer hingegen die Leitung fest verlegt einsetzt, kann auf die kostengünstigere PVC-Version zurückgreifen. Als Isolationsmaterial der Leiter wird durchgängig PP (Polypropylen) verwendet. Somit wird einerseits dem Wunsch nach kapazitätsarmen Leitungen Rechnung getragen und andererseits die Problematik störender Ableitströme auf dem Schirmgeflecht minimiert.

Zudem sind mit PP geringere Wandstärken realisierbar als mit PVC. Einhergehend mit niedrigeren Wandstärken bei der Isolierung ist auch der geringere Außendurchmesser. Bis zu 20% kann hier durch PP im Vergleich zu PVC eingespart werden. Auch bei Leitungen für Torsionsanwendungen bieten die Stuttgarter Typen an, die den anspruchsvollen Anforderungen entsprechen.

Da nur noch eine Leitung für Power und Daten erforderlich ist und die separate Drehgeberleitung mitsamt zugehörigem Steckverbinder wegfällt, ergeben sich signifikante 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 energieführungskettentauglichen 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 7- 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).

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 Widerstandsbeläge sowie Laufzeiten und Wellenimpedanzen im definierten Frequenzbereich von großer Bedeutung.

Für ACUROlink ist zum Beispiel der Wellenwiderstand mit 110 ± 10 Ω angegeben.

Übrigens: Technisch möglich wären auch alternative Hybridlösungen, die beispielsweise auf Industrial Ethernet basieren oder auf einer Verwendung optischer Datenübertragungssysteme, wie POF (optische Polymerfaser) oder PCF (kunststoffummantelte Glasfaser). Auch in diesem Bereich verfügt die Gruppe über das nötige Knowhow. 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.

* Lucas Kehl ist Leiter Produktmanagement Kabel bei der U.I. Lapp GmbH in Stuttgart.

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