29.10.2018

Leitfaden beim Einsatz langer Encoder- oder Sensor-Kabel

Lange Leitungen

Standardkabel von Motoren und Sensoren haben häufig nur eine Länge von 30cm bis zu 3m. Insbesondere falls die Steuerungen in dem Schaltschrank einer Maschine montiert sind, die einige Meter entfernt oder sogar in einem anderen Raum steht, reichen die Kabellängen häufig nicht aus und müssen verlängert werden.


Es gibt keine allgemeingültige Antwort betreffend der maximal möglichen Kabellänge. Kabellängen bis 10m sind in der Regel problemlos möglich, falls vorab ein paar Vorkehrungen getroffen werden.
Bild: maxon motor gmbh

Es gibt keine allgemeingültige Antwort betreffend der maximal möglichen Kabellänge. Kabellängen bis 10m sind in der Regel problemlos möglich, falls vorab ein paar Vorkehrungen getroffen werden. Es wurden aber bereits Kabellängen von bis zu 100m erfolgreich verwendet, falls die Installation entsprechend darauf abgestimmt ist und der Spannungsabfall auf Versorgungs- und Motorleitungen durch ausreichend große Leitungsquerschnitte tief gehalten wird. Bei der Inbetriebnahme sollte die Wirksamkeit der einzelnen Maßnahmen daher nochmals genau kontrolliert werden. Spontan wird zwar häufig der Spannungsabfall auf Signalleitungen und zu tiefe Signalpegel als kritischer Punkt und Problemursache vermutet. Effektiv ist dies aber meist gar nicht zutreffend, da digitale Sensorsignale (z.B. von Hallsensoren oder Encodern) nur die TTL-Spezifikation erfüllen müssen, bei welcher ein logisches High nur ein Signalpegel größer 2,1V voraussetzt. Der notwendige Signalpegel ist in der Hardwarereferenz der entsprechenden Steuerung in den Kapiteln mit der technischen Spezifikation der Hallsensor-/Encoder-Eingänge festgehalten. Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Maßnahmen, welche dabei berücksichtigt werden sollten.

Versorgungsspannung

Encoder sind meist sehr eng in Bezug auf die Versorgungsspannung toleriert. Bei einer Spezifikation von 5V+/-5% ergibt sich die Anforderung nach einer minimal notwendigen Versorgungsspannung von 4,75V am Encoderanschluß für einen zuverlässigen Betrieb. Der Spannungsabfall auf der Versorgungsleitung kann bei langen Kabeln somit der effektiv kritische Faktor sein. Falls die Versorgungsspannung zu niedrig ist, können Signale fehlerhaft sein oder ganz ausfallen. Die eigentliche Ursache von fehlerhaften Positionsinformationen ist dann nicht wie erwartet die Signalqualität, sondern die zu tiefe Versorgungsspannung, die zu Fehlfunktionen des Gebers führt, der sporadisch keine Signale mehr abgibt. Einer der wichtigsten Punkte und Grundvoraussetzung für einen zuverlässigen Betrieb von digitalen Sensoren ist ein ausreichender Spannungspegel der Versorgungsspannung direkt am Stecker des Sensors (und nicht nur auf Seiten der Steuerung). Die Versorgungsspannung am Sensor sollte deshalb bei langen Leitungen mit einem Multimeter oder Oszilloskop im Betrieb kontrolliert werden.

Der Spannungsabfall und die Einflüsse von hohen oder wechselnden Lasten der Versorgungsleitung können auch durch die Verwendung von Litzen mit größerem Leitungsquerschnitten reduziert werden. Dicke Leitungsquerschnitte sind dabei eigentlich nur für die Versorgungsleitung und den GND-Anschluss notwendig. Der Spannungsabfall über der Signalleitung von digitalen Sensoren ist dabei deutlich unkritischer. Durch die generelle Verwendung von dickeren Litzen ergibt sich der Nachteil von weniger flexibleren, schwereren und teureren Kabeln. Kabel mit unterschiedlichen Litzenquerschnitten sind meist sehr teure und schwer zu beschaffende Sonderanfertigungen. Es gibt hier jedoch einen einfachen Praxistipp für eine gute und preiswerte Lösung: Versorgung und GND mit mehr als jeweils einer Litze: Nutzen Sie ein Kabel als Verlängerung, welches mehr Litzen hat als eigentlich benötigt werden, z.B. ein Kabel mit zehn oder zwölf Litzen obwohl für einen Encoder typisch nur acht benötigt werden. Nutzen Sie jeweils zwei oder drei Litzen für den Anschluss der Versorgungsspannung und GND. Solche mehradrigen Kabel sind Standard, kosteneffizient und bieten eine bessere Biegbarkeit und Flexibilität als Kabel mit einheitlich dickeren Leitungsquerschnitten.

Encoder-Signaltyp

Es gilt generell die Empfehlung (unabhängig von der Leitungslänge) nur Encoder mit differentiellen Signalen (A, A\, B, B\) zu verwenden. Dies verbessert die Störfestigkeit und reduziert die Auswirkungen von Einstrahlungen von Leitungskabeln auf die Sensorsignale, die zu einer schlechten Regelung, Fehlermeldungen und fehlerhaften Positionierungen führen können. Es besteht deshalb bei langen Kabeln zwingend die Anforderung, nur Encoder mit differentiellen Signalleitungen (A, A\, B, B\) zu verwenden. Hallsensor-Signale stehen meistens nicht als differentielle Signale zur Verfügung, aber sind betreffend der Auswirkung von einzelnen Fehlimpulsen auch nicht so kritisch. Trotzdem sollte die Gefahr von Signalstörungen und deren negative Auswirkung auch bei Hallsensoren bewertet und abhängig davon mögliche Maßnahmen ins Auge gefasst werden. Falls ein Risiko einer Fehlfunktion oder Fehlermeldungen durch die Steuerung aufgrund gestörter Hallsensor-Signale besteht, kann ebenfalls der Einsatz von geschirmten Hallsensor-Kabeln oder die Installation eines Line Drivers für die Hallsensor-Signale dicht beim Motor und eines Line-Receivers bei der Steuerung notwendig sein.

Busschnittstellen

Falls die Anlagenverdrahtung ebenfalls verlängerte Kommunikationsschnittstellen (>3m) zwischen Steuerung und Master-System (z.B. SPS oder PC) erfordert, sollte kein USB verwendet werden. USB reagiert am Empfindlichsten auf EMV-Einflüsse und neigt zu Ausfällen und Störungen. USB ist zudem nicht für große Kabellängen im rauen industriellen Umfeld ausgelegt. RS232 ist unempfindlicher als USB, aber die Empfehlung ist eindeutig die Verwendung einer industrietauglichen Netzwerklösung. Verwenden Sie daher CAN oder Ethercat als Kommunikationsschnittstelle im Falle von langen Schnittstellenkabeln oder rauen Industrieumgebungen (z.B. in Maschinen). Beachten Sie dabei die korrekte Bus-Topologie und Busabschlüsse im Falle von CAN und stimmen Sie die maximale CAN Bitrate auf die Buslänge ab. Verwenden Sie nur für den industriellen Einsatz geprüfte CAN oder Ethercat-Netzwerkkabel.

Empfehlungen der Redaktion

Elektromagnetische Störungen

Das Risiko von elektromagnetischen Störungen durch Leistungsverbraucher steigt bei langen Kabeln. Häufig ist auch die Kabelführung innerhalb der Kabelkanäle von Maschinen nicht eindeutig ersichtlich. Der Einsatz von geschirmten Kabeln insbesondere bei induktiven und getakten Leistungsverbrauchern, wie Motoren, Relais, Schütz, Pumpen, Lüfter, Leuchtstoffröhren (um nur einige Beispiele zu nennen) ist dann eine zwingende Anforderung. Weitere wertvolle Tipps sind:

  • • Führen Sie keine Signal- und Leistungsleitungen im selben Kabel. Nutzen Sie ein Kabel für die Hallsensoren und ein getrenntes Kabel für die Motorwicklungen.
  • • Vermeiden Sie lange Flachkabel. Flachkabel sind deutlich kritischer auf Störeinstrahlungen und besitzen selten eine Abschirmung.
  • • Verwenden Sie geschirmte Kabel für Leistungs- und Motorleitungen. Schirmen Sie insbesondere die Leistungsleitungen, da diese die Störabstrahlungen verursachen.
  • • Legen Sie den Kabelschirm mit Erdungsklemmen an beiden Kabelenden auf Erdpotential. Nur ein großflächig auf Erde gelegter Schirm kann Störungen ableiten.
  • • Versuchen Sie Motorkabel und Signal-/Sensorkabel räumlich zu trennen. Verlegen Sie ungeschirmte Motorkabel und Sensorkabel nach Möglichkeit nicht in gemeinsamen Kabelkanälen und nicht parallel aufeinander.

Fazit

Werden alle beschriebenen Maßnahmen korrekt umgesetzt und die Signalqualität während der Inbetriebnahme kontrolliert und bestätigt, spricht nichts gegen den Einsatz von langen Kabeln.

Anzeige