Drehgeber kommen zum industriellen Internet der Dinge (IIoT)

Leider entspricht die Benjamin Franklin zugeschriebene Phrase „Zeit ist Geld“ in den Bereichen Maschinendesign, Industrieautomation und Robotik nur allzu oft der Wahrheit. Wenn die Maschinen stillstehen, liegen die Nerven blank, und solche Situationen sind meist sehr kostspielig und aufreibend. Das industrielle Internet der Dinge (IIoT), die Kommunikation zwischen Maschinen (M2M) und die Automatisierung von Abläufen unter Einbindung von Sensordaten revolutioniert die Art und Weise, wie Maschinen Daten erfassen und kommunizieren. Durch die Umstellung von analogen zu digitalen Bausteinen werden hochintelligente Maschinen geschaffen, die neue Diagnosemöglichkeiten erschließen und Ingenieuren Zugang zu Informationen bereitstellen, die sie bisher nicht hatten. Mit diesen neuen Daten machen Entwickler erstaunliche Fortschritte bei der Konstruktion von Maschinen, die bevorstehende Ausfälle selbst vorhersagen können und damit Ausfallzeiten reduzieren.

Abbildung 1: Eine Illustration eines typischen Maschine-zu-Maschine-Kommunikationssystems von Same Sky.

Drehgeber sind wichtige Bausteine für die Motorregelung in industriellen Anwendungen der Robotik, Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Energie- und Automatisierungstechnik. In solchen Anwendungen wird von Drehgebern hohe Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit erwartet – eine große Herausforderung angesichts der meist schwierigen Bedingungen unter Einwirkung von Staub, Schmutz, Fett, Temperaturschwankungen und starken Vibrationen. Mit der explosionsartigen Entwicklung der Robotik und Automatisierungsindustrie in jüngerer Zeit hat der Bedarf an schnellen, präzisen, effizienten und intelligenten Drehgebern dramatisch zugenommen. Leider beklagen Entwickler von Motorsteuerungssystemen einen gewissen Mangel an intelligenten Encodern auf dem derzeitigen Markt. Die digitalen ASIC-basierten AMT-Drehgeber von Same Sky schließen diese Lücke und bieten wertvolle Diagnose- und Programmiertools, die die Markteinführung beschleunigen und Maschinenstillstandszeiten im Feld reduzieren können.

Abbildung 2: Die AMT-Encoder-Familie von Same Sky ist die erste auf dem Markt, die ein digitales ASIC-basiertes Design nutzt.

Die Integration von Diagnosefunktionen in den Drehgeber bietet dem Entwickler Zugriff auf wertvolle Systemdaten, die zuvor in rein analogen Lösungen nicht zur Verfügung standen. Mithilfe der Daten kann das System in kürzester Zeit selbst diagnostizieren, ob der Encoder einwandfrei funktioniert, fehlerhaft, betriebsunfähig oder falsch ausgerichtet ist. Das System kann anhand dieser Daten die Bediener über mögliche Probleme informieren oder eigenständig Entscheidungen treffen, und zwar bevor der Motor eingeschaltet wird und möglicherweise katastrophalen Schaden anrichtet. Ingenieure können diese Funktion zudem vorbeugend einsetzen, beispielsweise für die Ausführung einer Testsequenz, um die Funktionstüchtigkeit des Drehgebers festzustellen, bevor eine Anwendung ausgeführt wird. Diese Möglichkeiten stehen in rein analogen Drehgebern nicht zur Verfügung und versetzen Entwickler in die Lage, Ausfallzeiten auf ein Minimum zu reduzieren, da Probleme vorhergesehen werden können, die ggf. bei Geräten im Feldeinsatz auftreten.

Die Diagnosedaten können auch ständig über ein industrielles Kommunikationsnetz überwacht werden. So lassen sich Leistungstrends analysieren und Ausfälle im Bewegungssteuersystem vorhersagen, bevor sie tatsächlich auftreten. Aufgrund der kritischen Position des Gebers direkt auf dem Motor sind die Diagnosedaten nicht nur auf die Leistung des einzelnen Encoders beschränkt, sondern können als Indikator für andere Probleme innerhalb der Bewegungsregelung herangezogen werden, zum Beispiel Wellenversatz, Lagerverschleiß oder thermische Degradation. Nach sorgfältiger Analyse dieser Daten kann die vorbeugende Wartung der Maschine kontrolliert durchgeführt und das Problem behoben werden, noch bevor es zu einem katastrophalen Ausfall kommt. Dies begrenzt lähmende Ausfallzeiten und erhöht die Lebensdauer der Maschine sowie die Gesamtsystemintelligenz.

Neben der vorbeugenden Wartung bieten die On-Board-Diagnosedaten weitere Vorteile durch Beschleunigung von Fehleranalyse und Fehlerbehebung im Feldeinsatz. Mit diesen wertvollen Diagnosedaten des Drehgebers hat der Reparaturtechniker auch die Möglichkeit, die Ursache des Fehlers schnell einzugrenzen – entweder den Drehgeber als Problem auszuschließen oder ihn bzw. den Motor als wahrscheinliche Ursache zu ermitteln. Damit werden zeitaufwendige und teure Verfahren von Versuch und Irrtum eliminiert, bei denen Geber und Motor unnötigerweise aus- und wieder eingebaut werden müssten. Maschinenstillstände sind allein durch die Produktivitätsausfälle häufig schon sehr kostspielig. Zusätzlich entstehen die Kosten für den Techniker vor Ort, der die Maschine repariert. Fehlersuche und Reparatur werden mit den Diagnosedaten des Drehgebers wesentlich beschleunigt. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen und minimiert die Folgen der Ausfälle.

Mit den Diagnosedaten des Drehgebers kann auch bei der Produktentwicklung an Zeit und Aufwand gespart werden. Als Ingenieur wünscht man sich natürlich, dass alle Designs gleich auf Anhieb perfekt funktionieren. Leider ist dies in der Regel nicht der Fall. Im Laufe von Tests zeigen sich unweigerlich Probleme im Design. Häufig sind die Ursachen nicht ohne weiteres ersichtlich und die Problemvarianten scheinbar unendlich. Mit einem aufwendigen Verfahren der Fehlersuche muss dann festgestellt werden, warum das Gerät nicht erwartungsgemäß funktioniert. Die Diagnosedaten können diesen Prozess beschleunigen und rasch auf die Stelle im Design hinweisen, die verbessert werden muss – möglicherweise spart dies Tage oder Wochen der Recherche. Dies führt zu kürzeren Designzyklen, robusteren Produkten und zur schnelleren Markteinführung.

Die revolutionären Serien AMT11 (inkremental) und AMT31 (Kommutierung) von Same Sky sind die ersten Drehgeber, die diese Diagnosefunktionen integrieren. Durch den Einsatz der Software AMT Viewpoint™ oder einfacher serieller Befehle stellt Same Sky diese wertvollen Diagnosedaten direkt zur Verfügung. Diese kleinen Drehgeber mit einem Durchmesser von 37 mm und einer Profildicke von 10 mm arbeiten mit einer +5V-Versorgung. Sie bieten einen großen Bereich von programmierbaren Auflösungen im Bereich von 48 bis 4096 PPR und Kommutierungssignale für alle Polpaar-Konfigurationen eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Beide Serien bieten neben axialen und radialen Anschlüssen auch asymmetrische oder differenzielle Ausgangsoptionen – ganz nach den Erfordernissen der Anwendung. Mit dem Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis 105 °C sind die AMT-Encoder sehr robust ausgelegt.

Abbildung 3: Die AMT Viewpoint GUI von Same Sky bietet die Möglichkeit, mehrere Encoderparameter zu programmieren und auf Diagnosedaten zuzugreifen.

Ausfallzeiten können zwar nicht vollständig eliminiert werden, jedoch ermöglicht der progressive Einsatz von Diagnosedaten in heutigen Maschinendesigns eine drastische Reduzierung der Maschinenausfälle und eine schnellere Wiederinbetriebnahme, was solche Ereignisse weit weniger schmerzhaft macht. Der Wandel vom analogen zum digitalen Drehgeber in einem M2M-System bietet eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten. Die aus diesen wichtigen Diagnosedaten gewonnenen Erkenntnisse zeigen wiederum, dass neben dem eingangs erwähnten Klischee „Zeit ist Geld“ auch ein anderes Klischee eine gewisse Berechtigung hat: „Wissen ist Macht“.