28.03.2018

Im Fokus: Offene Einkabeltechnik für Motor-Feedbacksysteme

Aus zwei mach eins

Mit Biss Line, Hiperface DSL und SCS Open Link gibt es derzeit drei offene Einkabellösungen für Drehgeber. Wo sind aber die Vorteile der einzelnen Protokolle gegenüber Zweikabelsystemen und wie offen sind die Lösungen wirklich? Um dies zu diskutieren, fand Ende Januar die 2. TeDo-Drehgeberexpertenrunde in Marburg mit Teilnehmern von Baumer, Biss Association, Fraba Posital, Hengstler, iC-Haus, Kübler, Sick und Siemens statt.


Teilnehmer

Dr. Johann Pohany

Head of Motion Control, Baumer Gruppe

Marko Hepp

Geschäftsführer, Biss Association e.V.

Jörg Paulus

General Manager EMEA, Fraba GmbH Posital

Johann Bücher

Director Encoder Strategy, Hengstler GmbH

Dr. Heiner Flocke

CEO, iC-Haus GmbH

Jonas Urlaub

Product Management System Architecture, Fritz Kübler GmbH

Rolf Wagner

Vice President Product Management Motion Control Sensors, Sick Stegmann GmbH

Dr. Christoph Nolting

Senior Engineer Sensors, Digital Factory Division, Motion

Control, Siemens AG

Die Teilnehmer der 2. Tedo-Drehgeberexpertenrunde: vordere Reihe (v.l.) Dr. Ing. Peter Ebert (SPS-Magazin), Jonas Urlaub (Kübler), Johann Bücher (Hengstler); mittlere Reihe (v.l.): Rolf Wagner (Sick), Marko Hepp (Biss Association), Jörg Paulus (Fraba); hintere Reihe (v.l.): Dr. Johann Pohany (Baumer), Dr. Heiner Flocke (iC-Haus), Dr. Christoph Nolting (Siemens).
Bild: TeDo Verlag GmbH

Was sind die Vorteile einer Einkabellösung?

Rolf Wagner (Sick Stegmann): Die Vorteile bestehen darin, dass es nur ein einziges Kabel gibt. Bisher hatten Servomotoren ein Kabel für die Spannungsversorgung und ein weiteres für Daten. Nun haben sie 50% Einsparungen durch weniger Kabel und Stecker, zudem weniger Fehlerquellen und sie sparen Ressourcen.

Jörg Paulus (Fraba Posital): Man kann in einem einzigen Kabel viele Litzen unterbringen und entweder die alte Technologie, also Daten und Strom getrennt voneinander in einem einzigen Kabel lassen, oder man bricht alles auf zwei Litzen herunter und überträgt dann über die beiden Litzen Strom und Daten. Es geht also nicht nur um die Reduzierung von zwei Kabeln zu einem, sondern auch um weniger Litzen.

Dr. Johann Pohany (Baumer): Ein weiterer Vorteil ist die neue Kompaktheit des Motors. Wir sparen einen Stecker, denn gerade bei den Servomotoren kommt es auf die Kompaktheit an.

Dr. Christoph Nolting (Siemens): Bei kleinen und mittleren Servomotoren bieten sich Einkabellösungen an. Bei großen Motoren, wenn das Leistungskabel bereits armdick ist, macht es allerdings weniger Sinn. Für kleine Leistungen bietet es Vorteile, gerade wenn ich z.B. das Kabel in Schleppketten verlege, wo Platz immer knapp ist. Allerdings darf der Aufwand für die Übertragung über nur ein Kabel nicht zu groß sein.

Dr. Heiner Flocke (iC-Haus): Der Marketingaspekt, dass ein Kabel wirtschaftlicher ist als zwei, wird das Ganze tragen. Man stellt beide Lösungen gegenüber und sieht, dass ein Kabel reicht.

Jonas Urlaub (Kübler): Ein weiterer Vorteil ist die Usability. Bisher musste man bei Schlepp- oder Energieketten Stege einbringen, damit beide Kabel auch räumlich voneinander getrennt sind. Durch die Anpassung der Hardware und der Protokolle braucht sich der Endanwender heute überhaupt keine Gedanken mehr dazu machen. Daneben sind auch Installationszeit und Fehlervermeidung weitere Vorteile.

Johann Bücher (Hengstler): Der Innovationssprung besteht darin, dass wir neben kompakter und kostengünstiger Bauweise nun auch die funktionale Sicherheit integrieren können.

Wie funktioniert Biss Line?

Marko Hepp (Biss Association): Biss Line nutzt eine asynchrone Halbduplex-Basisbandübertragung mit RS485 als Physical Layer. Die Übertragung ist sowohl mit einer Zweidraht- als auch mit einer Vierdrahtlösung ohne Unterschied nutzbar. Wir lassen die Leitung aktiv mit einem Idle-Symbol, was Vorteile bezüglich Gleichspannungsfreiheit oder schnelleren Reaktionsmöglichkeiten bzgl. Musteränderungen oder Anfragesituationen hat. Zudem haben wir eine 8B10B-Decodierung, also eine Taktrückgewinnung mit Gleichspannungsfreiheit. Zusätzlich haben wir mit der Forward Error Correction (FEC) eine Fehlerkorrektur integriert. Nach dem Empfangen können wir damit ein beschädigtes Datenpaket rekonstruieren. Man muss sich das wie eine Spachtelmasse vorstellen, die mitgeschickt wird.

Wie sieht es bei Hiperface DSL aus?

Wagner: Hiperface DSL (Digital Servo Link) hat ebenfalls eine RS485-Schnittstelle. Wir fokussieren uns aufgrund der hohen Robustheit jedoch auf 2-Draht-Lösungen, zumal unsere Kunden 4-Draht-Lösungen gar nicht anfragen. Der entscheidende Vorteil von Hiperface DSL ist die vollständige Synchronität der Schnittstelle zum Reglertakt. Der Kunde muss sich dadurch nicht um zeitabhängige oder zeitkritische Befehle kümmern.

Und wie ist es bei SCS Open Link?

Bücher: SCS Open Link (Single Cable Solution) ist bereits vor fünf Jahren unter anderem Namen gestartet. Wir hatten bereits damals nach Partnern gesucht, um einen offenen Standard zu definieren. So haben wir aus der Not eine Tugend gemacht und SCS Open Link so definiert, dass es zum einen die heutigen Anforderungen wie Positionslagen oder präzisen und sehr schnellen Datenaustausch erfüllt, aber auch bereits die Zukunft im Blick hat. Beispiele hierfür sind eine funktionale Sicherheit bis SIL3 oder ein Black Channel, sodass auch beliebig freie Architekturen auf der Masterseite möglich sind, um dort eine geeignete Auswertung zu ermöglichen. Dies alles auch in Hinblick auf Industrie 4.0 und in Richtung Condition Monitoring, Remote Services, Predictive Maintenance usw. Durch SCS ist die Möglichkeit geschaffen worden, diese Funktionen über einen Microcontroller zu integrieren.

Wie sieht es bei Drive Cliq aus?

Nolting: Siemens hat jetzt ebenfalls eine Einkabelmotorenreihe im Programm, bei der wir unsere Systemschnittstelle Drive Cliq einsetzen. Im Unterschied zu den bisher erwähnten Schnittstellen, ist diese allerdings ethernetbasiert. Ursprünglich mit sechs Adern konzipiert, gibt es mittlerweile für die Einkabeltechnik auch eine 4-adrige Lösung.

Pohany: Baumer ist aktuell die einzige Firma, welche die drei erstgenannten Protokolle lizenziert hat. Was wir von Kundenseite mitbekommen, ist, dass Anwender, die bereits Hiperface DSL einsetzen, nun einfach sagen: Hiperface DSL ist nun ein offener Standard geworden, dadurch haben wir als Nutzer die Möglichkeit auch alternative Drehgeber zu Sick zu verwenden, aber die Schnittstelle trotzdem weiter zu nutzen. Hat dagegen der Anwender bereits Biss im Einsatz, sagt dieser: Ich bin Biss-Mitglied und es ist ein offenes Protokoll, darum mache ich mit Biss Line weiter. Wenn dagegen der Wunsch da ist, möglichst viel selbst zu entwickeln und man Microcontroller einsetzen möchte, dann ist SCS Open Link genau das richtige. Es gibt nicht die 'one-size-fits-all' Lösung. Wir haben bei allen drei Systemen Kabellängen bis 100m oder mehr, 9,3MB Übertragungsrate und einen Regeltakt mit Zykluszeiten von ca. 12µs. Letztlich entscheiden wird der Kunde.

Paulus: Durch die Öffnung von Hiperface DSL wird dessen Marktanteil wahrscheinlich nochmals steigen. Es ergeben sich dort nun noch mehr Möglichkeiten und es kommen zudem ganz neue Sensoren hinzu, die Sick bisher noch nicht hatte. Auf der anderen Seite ist Hiperface DSL mit seinen FPGAs schon immer ein Protokoll für hochperformante Lösungen gewesen. Wir glauben aber, dass es auch ein Protokoll für einfachere Anwendungen geben muss, welches komplett Open Source ist und bei dem keine Lizenzkosten anfallen, wie bei Biss Line.

Sieht das die Firma Kübler genauso?

Urlaub: Auch Kübler hat mehrere Protokolle lizenziert. Wir haben alle angebotenen Lösungen untersucht und letztendlich entschieden, dass sie alle auf Augenhöhe sind. Dementsprechend kann der Kunde selbst entscheiden, was für ihn das Beste ist.

Flocke: Biss ist mittlerweile über 15 Jahre alt und hat weltweit über 460 Lizenznehmer. Auch bei der Entwicklung von Biss Line haben wir das Thema hochperformante Kabelqualität im Blick. Da die Verdrahtungen in anderen Ländern nicht immer so normgerecht sind wie in Deutschland, haben wir deshalb die Forward Error Correction bei Biss Line integriert.

Wie sieht es bei den anderen Lösungen aus?

Wagner: Wir haben Hiperface DSL 2011 eingeführt und nach heutigem Stand ca. eine Million Geber im Feld. Mittlerweile hat sich eine eigene Infrastruktur um HDSL herum gebildet. Das heißt Kabel- und Steckerhersteller aus Europa, aber auch aus China, bieten entsprechende Komponenten an. Für die Masterseite werden neben FPGA'a auch Mikrocontroller-Lösungen angeboten.

Bücher: Es geht nicht alleine um den Micro Controller oder den Chip bzw. das Protokoll, sondern um das gesamte System. Dort ist der Stecker oder das Kabel ein elementarer Bestandteil. Wir haben daher SCS Open Link darauf optimiert, dass komplette Systeme zum Einsatz kommen. Wenn wir ein Mehrkabelsystem haben, wird es vom Anwender normalerweise so beschrieben, dass Motor, Stecker und Kabel für bestimmte Firmen spezifisch sind. Diese müssen qualifiziert sein, damit sie bestimmte Verfügbarkeiten erfüllen. Dies hat aber nichts mit einer Einkabeltechnik zu tun, sondern ist das ureigenste Interesse der Anbieter, dass die Qualifikation seiner Produkte, die er auf den Markt bringt, sicherstellt. Wenn Sie sehen, wie viel Arbeit in die Qualifikation eines System gesteckt wird, ist dies vergleichbar mit dem Entwicklungsaufwand des Systems.

Flocke: Der Motorhersteller muss die Systeme selbst erproben, gegenüberstellen und deren Verfügbarkeit prüfen. Wenn ich aber zu viele Störungen habe, weil andauernd der Motor steht oder eine Warnlampe angeht, nutzen Anwender eine neue Technologie nicht.

Bücher: Die Qualität der physikalischen Parameter, auf der eine Kommunikation stattfindet, müssen klar definiert sein und bestimmten Toleranzen genügen. Bei einem Standardmotorkabel, bei dem sie nur zwei Adern haben, wissen sie auch nicht, wie Impedanz, Verseilung oder Schirmwirkung sind. Auch dort müssen Sie damit rechnen, dass jedes Mal etwas Neues auf Sie zukommt, wenn sie die Kabellänge variieren oder den Hersteller wechseln.

Herr Nolting, wie sehen Sie das als Motorhersteller?

Nolting: Egal ob es um ethernetbasierte Systeme oder RS485-Schnittstellen geht, wir testen sehr sorgfältig die gesamte Kette, also Umrichter, Kabel, Motorgeber usw. und erst recht, wenn eine funktionale Sicherheit im Spiel ist. Ich kann nicht einfach Komponenten zusammensuchen und darauf vertrauen, dass jedes für sich robust genug designt worden ist. Wenn ein Geber, der das Protokoll A spricht, einen großen Bruder bekommt, der zwei oder drei Bit mehr Performance bietet, fügt sich dieser nicht immer nahtlos in ein System ein. Das ist der Grund, warum Siemens auf ein eigenes System setzt, da wir dann alles selber in der Hand haben.

Urlaub: Diese Vielfalt an Kabeln machen weder wir, noch die Antriebshersteller aus reinem Selbstzweck. Es gibt nun einmal verschiedene Materialien für verschiedene Anwendungen. PVC ist z.B. sehr günstig, kann aber in Hausinstallationen wegen der Brandgefahr nicht eingesetzt werden. Dann gibt es Kabel für feste Verlegungen, wie Energieketten in der Robotik. Für jede Applikation möchte man dem Anwender die beste, aber auch die günstigste Lösung anbieten können und dadurch ergibt sich diese Vielfalt.

Pohany: Derzeit sind Einkabellösungen noch ein stark europäisches Thema. Die Asiaten sind glücklich mit Biss und wollen derzeit noch keine Einkabellösungen haben, da daurchaus die Komplexität steigt. Wir reden bei Einkabellösungen von einem Ökosystem. Das ist nicht alleine der Drehgeber, sondern ein Gesamtsystem. Daher müssen wir die Systeme qualifizieren. Der teuerste Fehler ist nicht der, den wir in der Entwicklung finden, sondern derjenige, der draußen passiert und mit dem Wort 'sporadisch' beginnt.

Wagner: Es gibt durchaus erfolgreiche Installationen von Hiperface DSL in China. Durch die staatlichen Förderprogramme haben auch die Chinesen mittlerweile höhere Qualitäts- und Performanceansprüche und daher kommt dort auch bereits Hiperface DSL zum Einsatz.

Paulus: Auch Kunden in Asien haben großes Interesse an offenen Schnittstellen. Dort heute etablierte Lösungen basieren fast alle auf einer asynchronen RS485-Schnittstelle mit vier Leitungen. Biss Line ist zur installierten Hardware kompatibel und trifft daher auf noch größeres Interesse als die bereits etablierte Biss C-Schnittstelle mit sechs Leitungen. Darüberhinaus haben wir in Europa vorwiegend Hochperformance-Motoren. Wenn wir die Einkabeltechnologie weltweit etablieren wollen, müssen wir aber auch Lösungen abdecken, die keine hohe Performance haben.

Hepp: Mittlerweile haben wir Motorgrößen, die fast so klein sind, wie die Stecker selbst. So gab es bei Biss Anfragen zu M12-Steckern, da diese zu den kleinen Motoren passen. Dort gibt es Märkte, die wir bisher noch nicht adressiert haben. Attraktive Stückzahlen für Einkabeltechnologien, die aber vielleicht nur im 50W-Bereich unterwegs sind.

Nolting: Den Wunsch nach kleinerer Antriebstechnik spüren auch wir. Wenn man aber einen 200W Motor mit einem oder zwei M23-Steckern ausrüstet, dann ist der Stecker größer als der Motor. Der M12-Stecker ist aus unserer Sicht die untere Grenze, die für einen Motor noch sinnvoll ist. Darunter wird es vom Handling her so schwierig, dass es nicht mehr in unser Umfeld passt. Ich kann nicht einen Mikrostecker in einem Industrieumfeld einsetzen, weil er dort aufgrund der mechanischen Belastung nicht lange überleben würde.

Wie sind Ihre Erfahrungen bei SCS?

Bücher: Das Interesse ist stark europäisch geprägt. Vor allem die funktionaler Sicherheit spielt hier eine große Rolle. International sehen wir auch USA und China, Japan dagegen weniger. SCS Open Link ist in der Zwischenzeit auf einem sehr guten Stand mit der Vierdrahttechnik. Die Zweidrahttechnik breitet sich gerade aus. Was uns allen helfen würde, wäre allerdings eine Software-Schnittstelle für die Implementierung der verschiedenen physikalischen Systeme. Wenn man in die Zukunft blickt, können auch weitere neue ethernet-oder wirelessbasierte Technologien zum Einsatz kommen. Zudem wird die Anzahl der Sensoren im und auch am Servomotor deutlich zunehmen, das heißt es werden neue Technologien benötigt, um die Flut an Informationen vorzuverarbeiten und weiterzuleiten.

Welche Schnittstellen kommen hierfür in Frage?

Hepp: Ein Standard für die Daten der neuen Sensoren für das Condition Monitoring von Motoren wäre von Vorteil. Es gibt Schnittstellen, wie z.B. IO-Link, die bereits Informationen aufnehmen, die auf den letzten Metern gewonnen werden um dann an das Gesamtsystem weiterzuleiten, z.B. für Conditon Monitoring oder Predictive Maintenance.

Nolting: Da ich in einer Anlage überall Motoren habe, sind sowieso überall bereits Leitungen vorhanden. Daher ist es gut, dass man mit allen drei Einkabellösungen auch Zusatzdaten übertragen kann.

Pohany: Für mich ist IO-Link bei einer minimalen Zykluszeit von 2ms zu langsam. Wenn ich einen Servomotor habe mit einer Drehzahl von 10.000U/min, dann bekomme ich mit IO-Link keine Positionserfassung mehr, sondern nur noch eine ´Quadrantenerfassung'. IO-Link ist eine tolle Schnittstelle, aber nicht für Drehgeber. Wir haben mit den Einkabellösungen ganz andere Möglichkeiten, z.B. als Resolver-Ersatz. Bisher kostet mich ein klassischer Resolver ungefähr 18€ und dann nochmal ungefähr dasselbe für Kabel und Verdrahtung. Die Total Cost of Ownership mit einer Einkabellösung liegen hier bereits deutlich unter denen einer Resolver-Lösung mit Verdrahtung. Der Systemansatz ist, dass sich eine Welt, die klassisch von der Driveseite durch jede Menge Kabel und hoher Rechenleistung getrieben war, zukünftig durch eine digitale Schnittstelle und ein preiswertes Gesamtsystem ersetzen kann.

Hat der Resolver dann noch eine Zukunft?

Nolting: Der Resolver hat seine Nischenberechtigung, dort wo es heiß ist. Ihn zeichnet aus, dass er nur aus Blech und Kupferdraht besteht. Das nutzt mir aber nur etwas, wenn die Auswerteelektronik im Umrichter und nicht im heißen Motor ist.

Paulus: Resolver sind heute noch weltweit stark verbreitet, aber es gibt viele Anwendungen, wo sie zukünftig von digitalen Systemen ersetzt werden. Gerade im asiatischen Raum ist der Resolver allerdings noch extrem stark verbreitet.

Wagner: Hiperface DSL ist bereits heute so ausgelegt, dass es zusätzliche Sensordaten, wie Temperatur, Beschleunigung, Vibration usw. übertragen kann. In Zukunft wird das Thema Prognose immer stärker kommen. Das heißt die Anwender wollen dann nicht nur eine Menge Daten haben, sondern auch eine Vorauswertung bis hin zur Analyse, also direkte Empfehlungen, was mit dem Wissen aus den Daten gemacht werden soll. So kann man z.B. die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Servoantriebs rechtzeitig antizipieren.

In der nächsten Ausgabe des SPS-MAGAZINs beschäftigt sich Teil 2 der Drehgeberexpertenrunde mit der Thematik, wie offen die genannten Lösungen wirklich sind.

Anzeige

 
190925_SPS_160x600_ID2080de
MTS Sensor Technologie  GmbH & CO. KG
LTN Servotechnik GmbH - November 2019