07.05.2014

Encoder für alle Fälle

Das lateinische Präfix 'omni' bezeichnet je nach Zusammenhang 'ganz', 'jeder' oder 'alles'. Mit Blick auf die Automatisierungstechnik könnte man 'universell' oder auch 'offen' hinzufügen. Das jedenfalls sind die Anforderungen, die auch Sensoren bei der Integration in industrielle Feldbusse erfüllen müssen. Mit seinem 'Omni-Feldbus-Konzept' für Encoder und Motor-Feedback-Systeme ist Sick für alle Integrations-Optionen gerüstet.

Autor: Heiko Krebs, Sick Stegmann GmbH.


Bild 1: Das Portfolio der Ethernet-basierten Feldbus-Encoder von Sick umfasst Sensoren mit Anbindungen für Ethernet/IP, Profinet oder Ethercat.
Bild: Sick AG

Aktuell unterstützt das Portfolio von Single- und Multiturn-Encodern sowie Motor-Feedback-Systemen mehr als ein Dutzend Schnittstellen-Standards, die in der industriellen Kommunikation maßgeblich sind. Das Spektrum reicht von Inkremental-Schnittstellen über eigenentwickelte Interface-Technologie wie SSI, Hiperface oder die One Cable Technology Hiperface DSL und Feldbussysteme für die Fertigungsautomatisierung - Devicenet, Profibus, CANopen - bis hin zu Ethernet-basierten Feldbussen wie Ethernet/IP, Profinet und Ethercat. Es gibt wohl kaum eine Maschine, in der nicht mindestens eine dieser Integrations-Optionen anzutreffen ist - und daher gibt es wohl auch kaum eine Maschine, die sich nicht mit der Rotativ-Sensorik von Sick ausrüsten ließe.

Angesagte Feldbussysteme

Wer den Markt der industriellen Kommunikation in den letzten Jahren verfolgt hat, der hat festgestellt, dass die Wachstumsprognosen von Marktforschern und Insidern regelmäßig von der Realität überholt wurden. Aus den beiden Grundtechnologien Ethernet und Modbus, mit denen die Entwicklung vor knapp 40 Jahren begann, sind heute mehr als zwei Dutzend industrielle Kommunikationssysteme im Markt geworden. Kein Wunder also, dass Vernetzung heute fester Bestandteil größerer Maschinen oder Anlagen ist. Auch für die nächsten Jahre wird überdurchschnittliches Wachstumspotenzial prognostiziert - vor allem bei Feldbussen, die Industrial Ethernet als Basistechnologie nutzen. Treten die Prognosen der Studien des Quest Trend Magazins ein, werden 2015 83% aller Maschinenbauer Echtzeit-Ethernet nutzen [1].

Variantenvielfalt

Doch 'den' Feldbus gibt es nicht, denn es gibt auch nicht 'den' Steuerungshersteller. Der Typ der speicherprogrammierbaren Steuerung gibt in der Praxis den Feldbus vor. Siemens favorisiert Profibus und Profinet, Rockwell Automation setzt u.a. auf Devicenet und Ethernet/IP, Schneider Electric hat CANopen im Portfolio und Beckhoff Automation fokussiert sich auf seine patentierte Technologie Ethercat. Diese proprietäre Zuordnung macht dem Anwender das Leben insofern leichter, als eine bestimmte Technologie in die Programmier- bzw. Konfigurationsoberfläche der jeweiligen Steuerung eingebunden und damit leicht zu bedienen ist. Und darauf kommt es an, denn gemeinsam ist allen Feldbussen vom Grundsatz her nur, dass sie Ein- und Ausgangsdaten schnell und zyklisch übertragen können. Neben der identischen Grundfunktion gibt es jedoch wichtige Unterschiede zum Beispiel hinsichtlich der Kabellängen, der Zykluszeiten, der Anzahl der Teilnehmer, der Telegrammgröße, der Topologie, der Diagnosemöglichkeiten oder des Funktionsumfangs. Nicht jeder Feldbus ist daher für jede Branche oder jedes industrielle Kommunikationsumfeld geeignet.

'Omni-Feldbus-Konzept' - für jedes Umfeld die passende Schnittstelle

Als weltweit tätiges Unternehmen, das in nahezu allen industriellen Schlüsselbranchen zuhause ist, kennt Sick die jeweils spezifischen Anforderungen und Vorlieben. Europäische Automobilhersteller setzen auf Profinet - einen Feldbusstandard, den sie über die Automatisierungsinitiative der deutschen Automobilhersteller (Aida) selbst maßgeblich treiben. Amerikanische Autobauer nutzen Ethernet/IP. Im Maschinenbau sind vor allem SSI, Profibus, Profinet und Ethercat anzutreffen - ergänzt um Ethernet/IP im Bereich Consumer Goods. Darunter zählen u.a. die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, Verpackungsmaschinen, Pharma- und Kosmetikindustrie sowie die Druckindustrie. Im weltweiten Wachstumsmarkt der Windenergie, der mittlerweile eine globale Windenergieleistung von 300.000MW [2] erreicht hat, kommen CANopen, Ethercat und vereinzelt Devicenet zum Einsatz. Insgesamt wird mehr als ein Dutzend der in der Industrie üblichen Kommunikations- bzw. Feldbusstandards unterstützt. Und diese Schnittstellenkompetenz ist besonders wichtig, denn die von Anwendern gewünschte 'höhere Kompatibilität der einzelnen Systeme untereinander' und Beseitigung der 'fehlenden Kompatibilität zwischen den Echtzeit-Ethernet Protokollen' [3] ist auch in naher Zukunft kaum in Sicht.

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Ethernet-Encoder

Laut Quest Trend Magazin [4] machen Profinet, Ethercat und Ethernet/IP aktuell fast 70% der von Maschinenbauern eingesetzten Echtzeit-Ethernet-Protokolle aus. Folgerichtig bietet z.B. der absolute Singleturn-Encoder AFS60 und der absolute Multiturn-Encoder AFM60 von Sick diese drei Feldbus-Interfaces an. Damit sind sie für die Hersteller und Integratoren von Fertigungsabläufen, Handlingssystemen, Produktionsmaschinen, Drucksystemen sowie Mess- und Prüfeinrichtungen die passende Lösung - zum einen, weil sie sehr robust und präzise sowie frei programmierbar sind, zum anderen, weil sie die Performance von Anlagen wesentlich unterstützen. Dies resultiert aus der Tatsache, dass alle drei Versionen in dieser Form unerreicht umfangreiche Diagnosemöglichkeiten bieten, mit denen sie die Ausfallsicherheit optimieren und die Anlagenverfügbarkeit steigern. Überwacht wird u.a. die Temperatur im Encoder. Beim Erreichen vorgegebener Minimum- oder Maximum-Grenzwerte wird in der Steuerung, z.B. durch Setzen von 'Flags', 'Alarms' und 'Warnings', auf möglicherweise kritische Betriebszustände hingewiesen. Alle Encoder sind darüber hinaus mit zwei Betriebsstundenzählern ausgerüstet - der eine startet mit dem Anlegen der Spannung, der Zweite zählt die Zeit der tatsächlichen Wellendrehungen. Ebenfalls überwacht werden können programmierbare Positionsgrenzwerte - wichtig beispielsweise für Nockenschaltwerksfunktionen. Schließlich schützt die Erfassung der Geschwindigkeit bzw. der Drehzahl vor Überlastungen des Encoders, der Gesamtanlage und hilft, einen daraus resultierenden Maschinenstillstand zu vermeiden. Die Ethernet/IP-Variante ist darüber hinaus mit DLR (Device Level Ring) ausgestattet. Hierdurch ist es erstmals auch für die Encoderwelt möglich, sich in eine redundant aufgebaute Ringtopologie zu integrieren. Durch DLR werden eine permanente Überwachung des Rings und deren Teilnehmer sichergestellt. So werden bei einem Störungsfall, z.B. bei Kabelbruch, die Teilnehmer aus der anderen Richtung angesprochen und somit die Kommunikation des Rings - bzw. der dann bestehenden Linie - ohne Zeitverlust gewährleistet. Gleichzeitig erhält die Steuerung die Information, wo genau im Ring der Störungsfall stattgefunden hat. Dies erlaubt die gezielte Behebung der Störung.

Mit SSI und CANopen

Die kompakten Absolut-Encoder AHS36 Singleturn und AHM36 Multiturn bieten eine robuste, vollmagnetische Sensorik und sind für unterschiedlichste Einbausituationen optimiert. Eingesetzt werden die frei programmierbaren Encoder unter anderem in Industrie- und Spezialfahrzeugen, in der Logistik, im Maschinenbau, in Verpackungsanlagen sowie in der Medizintechnik. Mit SSI stellt der AHS36 und der AHM36 ein Schnittstellenformat zur Verfügung, das sich besonders für Anwendungen eignet, in denen Zuverlässigkeit und Robustheit in industrieller Umgebung unabdingbar sind, beispielsweise in Lagerregelkreisen. Bei den programmierbaren AHS/AHM36 SSI lassen sich verschiedene Single- und Multiturnauflösungen, ein Preset-Wert, die Zählrichtung, die Codeart Gray oder Binär und sogar die Ausgabe-struktur des SSI-Protokolls sowie die Position des Errorbits programmieren. Die Programmierung erfolgt über das PC-basierte Programming-Tool PGT-08-S oder über ein Stand-alone Programming-Tool im Westentaschenformat. Die AHS/AHM36-Encoder mit CAN-open-Schnittstelle ermöglichen eine einfache Netzwerkintegration mit verschiedenen Konfigurationsmöglichkeiten und überzeugen in der Einsatzpraxis durch eine Vielfalt an Diagnosefunktionen. Überwacht werden u.a. die Temperatur im Encoder sowie die Betriebsstunden. Die Erfassung der Geschwindigkeit bzw. der Drehzahl schützt vor Überlastungen des Encoders sowie der Gesamtanlage. Ebenfalls überwacht werden können programmierbare Positionsgrenzwerte - wichtig beispielsweise für die elektronische Nockenschaltwerksfunktion. Sie lässt sich bei den AHS/AHM36-CANopen-Encodern über zwei sogenannte CAM-Channel mit bis zu acht Nockenschaltpositionen einrichten. Dank CANopen-Schnittstelle können die Daten der beiden getrennten Diagnosespeicher der Encoder direkt über dieses Kommunikationsprotokoll an die Steuerung ausgegeben und dort zur Optimierung der Wartungsintervalle einer Maschine oder Anlage genutzt werden.

Profibus für alle drei Anwendungsschichten

Auch die batterie- und getriebelosen Multiturn-Encoder der Produktfamilie A3M60 sind auf vielfältige Feldbus-Optionen ausgelegt. Die Profibus-DP-Schnittstelle beispielsweise ist bei diesen innovativen Rotativ-Sensoren auf einer Platine im gleichen Gehäuse untergebracht - eine externe Bushaube ist also nicht erforderlich. Der A3M60 Profibus ist für alle drei DP-Anwendungsschichten spezifiziert. DP-V0 unterstützt in der Automatisierungs- und Steuerungstechnik einen zyklischen Datenaustausch und Diagnosefunktionen. Die azyklische Datenübertragung bedient sich der Spezifikationen für die Anwendungsschicht DP-V1. Die maximal mögliche Positionsbreite von 31Bit, die sich aus der Auflösung von 14Bit Singleturn und 17Bit Multiturn ergibt, wird isochron über das DP-V2-Profil übertragen und findet vor allem in der Fertigungstechnik und Robotik Verwendung.

Motor-Feedback rein digital

Die rein digitalen Schnittstelle Hiperface DSL wurde vor etwas mehr als zwei Jahren im Markt eingeführt. Für immer mehr Motorenhersteller ist entscheidend, dass bei der Schnittstelle nur noch ein Kabel und nur noch ein Anschlussstecker sowohl am Motor wie auch am Regler benötigt werden. Daraus ergeben sich verringerter Komponenten- und Verkabelungsaufwand und deutliche Kostenvorteile. Auch wenn der konkrete Marktanteil von Hiperface DSL aktuell noch schwer zu bestimmen ist, unterstreichen internationale Marktforschungen die Bedeutung der sogenannten 'One Cable Technology' für den Antriebsmarkt der Zukunft. Das US-amerikanische Informations- und Beratungsunternehmen IHS belegt in neuesten Untersuchungen, dass das Ein-Kabel-Motorfeedback - neben dem Thema Sicherheit - in der Antriebstechnik als aktueller Megatrend bestätigt wird. Michelle Figgs, Senior Analyst bei IHS, stellt fest, dass "in den letzten Jahren die Zahl der Antriebshersteller, die Motorfeedback-Lösungen in 'One Cable Technology' anbieten, signifikant zugenommen hat" [5]. Und auch in Deutschland und Europa bestätigen Branchenkenner, dass dem rein digitalen Motorfeedback-Protokoll die Zukunft gehört, "denn die neue Schnittstelle Hiperface DSL spart Kosten und Platz und bietet gleichzeitig ein Maximum an derzeit möglicher Investitions- und Maschinensicherheit" [6].

Schnittstellenkompetenz nutzen

Das Portfolio an verfügbaren Übertragungs- und Feldbus-Schnittstellen von Sick deckt die Anforderungen des Marktes der dynamisch wachsenden, industriellen Kommunikation in hohem Maße ab. Die Entscheidung zugunsten von Encodern und Motor-Feedback-Systemen ist damit hochgradig zukunfts- und investitionssicher, da sie sich - dank 'Omni-Feldbus-Konzept' - in die verschiedensten industriellen Netzwerke einbinden lassen.

Quellen

[1] http://www.quest-trendmagazin.de/Marktanteile-von-Ethernet-nd.270.0.html

[2] http://www.iwr.de/news.php?id=25040

[3] http://www.quest-trendmagazin.de/Maschinenbau-fordert-ompatibi.271.0.html

[4] http://www.quest-trendmagazin.de/Marktanteile-von-Ethernet-und.270.0.html

[5] Michelle Figgs, IHS, im Guest Blog des Fachmagazins und Online-Portals Automation World, 14. November 2013.

[6] "Erstmals Motor-Feedback-Kommunikation via Stromkabel", von Gerd Kucera, Redakteur, www.elektronikpraxis.vogel.de, 30.11.2011, Copyright 2012 - Vogel Business Media.

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