Drehgeber
Ein Kabel genügt
Ein Kabel für die Motorbestromung und die Sensorversorgung mit Kommunikation – technologisch sind die damit einhergehenden Herausforderungen am Kabel und in der Verbindungstechnik bereits gelöst. Nun muss der Motorfeedback-Markt nachziehen.
Die Ein-Kabel-Technologie bringt durch die höhere Integration in Kabel und Verbindungstechnik viele Vorteile in der Anwendung: Es lassen sich kleinere Kabeldurchmesser mit geringeren Massen in kleineren Schleppketten installieren. Statt der bisherigen zwei Anschlüsse ist nur noch eine Steckverbindung erforderlich. Die Menge der Lager- und Konfektionierungskomponenten nimmt ab. Wachsendes Leistungsspektrum und höhere Leistungsdichten ermöglichen im Motorfeedback kleinere Gesamtlösungen und somit auch geringere zu bewegende Massen für höhere Dynamik und geringere Leistungsaufnahme. Und mit der Ein-Kabel-Technologie ist eine zusätzliche Effizienzsteigerung möglich.
Kabel- und Steckverbinder-Hersteller haben ihr Portfolio für diese Anwendung bereits verbreitert und stellen seit etwa sechs Jahren Lösungen bereit. Status quo sind ausgereifte Lösungen für unterschiedliche Leistungsstufen von diversen Herstellern. Herausforderungen wie Störungs-Einkopplungen durch die gemeinsame Nutzung eines Kabels für Motorbestromung und Sensorversorgung mit Kommunikation wurden minimiert. Darüber hinaus wurden die kritischen Übergabestellen – die Kabel-Enden, die Verbinder sowie die Montage selbst – zur Minimierung von Störungs-Einkopplungen konstruktiv optimiert. Technologisch sind die Herausforderungen der Ein-Kabel-Technologie am Kabel und in der Verbindungstechnik also bereits gelöst. Nun ist es am Motorfeedback- beziehungsweise Sensor-Markt, nachzuziehen.
Begrenzung durch proprietäre Protokolle
Zusammengefasst lässt sich das Ziel der Ein-Kabel-Technologie also als gesteigerte Produktionsleistung bei geringerer Baugröße mit mehr Dynamik und höherer Effizienz umschreiben. Die Systeme werden kompakter und dynamischer mit kleineren Bauformen bei gleicher oder höherer Leistung. Moderne Steuerungen ermöglichen durch geringere Massen und höhere Regelzyklen mehr Dynamik. Antriebsseitig ist die Anzahl der Hersteller, die die Ein-Kabel-Technologie verwenden, bereits deutlich angewachsen. Die verfügbaren Lösungen verwenden allerdings proprietäre Protokolle, die sensorseitig die Vielfalt verfügbarer Lösungen und das Angebot unterschiedlicher Hersteller begrenzen.
BiSS Line bietet die hochgenaue digitale Übertragung und sensorseitige Erzeugung des Erfassungszeitpunktes.
© iC-HausBei den Sensorherstellern und den Protokollen wächst das Angebot nur sehr langsam – unter anderem bedingt durch bestehenden Patentschutz und mangels Marktdominanz. Eine ähnliche Situation gab es bereits vor 14 Jahren bezüglich der seriellen Encoder-Schnittstellen bei klassischen Zwei-Kabel-Systemen.
Die BiSS-Schnittstelle wurde 2002 als offener Standard herstellerübergreifend definiert. Mit aktuell 415 BiSS-Geräteherstellern und einem Vielfachen an BiSS-Anwendern hat sich die Schnittstelle als offene, standardisierte Sensor-Schnittstelle weltweit etabliert.
Seit 2014 beschäftigt sich die internationale ‚BiSS User Community‘ mit einer eigenen, offenen Ein-Kabel-Technologie. Ihr Credo: Eine weltweit offene und standardisierte Ein-Kabel-Technologie ist nötig. Die Umsetzung soll einfach und modular auf Basis von BiSS erfolgen. Allen BiSS-Usern soll diese Ein-Kabel-Technologie als offener Standard zur Verfügung stehen.
Dabei ist wichtig, dass die verschiedenen Sensortechnologien wie optisch, magnetisch, induktiv, kapazitiv, integrierbar bleiben. Für eine große Produktvielfalt mit verschiedenen Auflösungen und angepasster Performance für unterschiedliche Märkte müssen skalierbare Lösungen möglich sein. Die verwendete Übertragungstechnik sollte einfach, etabliert und verfügbar sein. Und: Bereits vorhandene Kabel- und Verbindungstechnik inklusive Physical Layer für eine Basisband-Übertragung als vollständige, bewährte Ein-Kabel-Infrastruktur sollte nutzbar sein.
Das ‚BiSS Line‘-Protokoll
Auf der SPS IPC Drives 2016 wurde das ‚BiSS Line‘-Protokoll als offene Schnittstelle für Ein-Kabel-Technologie vorgestellt.
Das zugrundeliegende BiSS-Protokoll bietet eine schnelle und digitale Übertragung der Sensordaten. Motorfeedback-Anwendungen können die Positionsdaten und Statusinformationen mit diesem Protokoll sicher übertragen, eine bidirektionale Kommunikation ist ohne Einfluss auf die Regelungsdatenübertragung verfügbar. Die BiSS-Regelungsdaten beinhalten die Positionsdaten, einen einfachen Status aus Fehler- und Warnungsbit sowie eine ausreichende CRC-Prüfzahl. Daneben bietet die Registerkommunikation in einem In-Band-Protokoll unabhängig gesicherte Informationstransfers.
BiSS Line nutzt eine 100 % kompatible Protokoll-Umsetzung von BiSS C auf BiSS Line. Alle Inhalte des Grund-Protokolls bleiben bei der BiSS-Line-Übertragung vollständig erhalten. Durch diese Kompatibilität bleiben Bestandsdefinitionen wie Elektronisches Datenblatt EDS, Benutzerdatenspeicher Userdata, Profil-Definition und Identifikation, Seriennummern und Diagnosebeschreibungen auch in der Ein-Kabel-Lösung erhalten.
Sicherheitskritische Systeme lassen sich mit ‚BiSS Safety‘-Inhalten über das BiSS-Protokoll umsetzen. Diese sichere Protokoll-Variante nutzt eine Black-Channel-Übertragung. Durch den modularen Ansatz und den Erhalt aller Protokoll-Inhalte bei gleicher
Sensorbasis lassen sich Sicherheitslösungen ebenfalls direkt in der Ein-Kabel-Variante umsetzen. Somit können Hersteller vorhandene BiSS-Safety-Systeme einfach auf BiSS Line überführen, zugehörige Sensoren und Drives sind mit der Erweiterung auf BiSS Line leicht zertifizierbar. Darüber hinaus steht dem Condition Monitoring als Voraussetzung für eine detaillierte Systemüberwachung und effiziente Wartung nichts im Weg. Das BiSS-Protokoll ermöglicht zeitgleich zum Motorfeedback die parallele Nutzung zusätz-licher Sensoren. So lassen sich weitere Messwerte, Status- und Diagnose-Informationen als Sensordaten ohne Beeinträchtigung und skalierbar übertragen.
Physical Layer und Protokoll
Das BiSS Line-Protokoll nutzt eine asynchrone Halbduplex-Basisband-Übertragung mit RS485 als Physical Layer. Die Übertragung ist sowohl mit einer 2-Draht- als auch mit einer 4-Draht-Lösung ohne Unterschied nutzbar. Bei der 2-Draht-Lösung wird der Sensor mit einer zusätzlichen Gleichspannung über das Leitungspaar versorgt. Der zulässige Spannungsbereich ist kompatibel zu bestehenden Ein-Kabel-Systemen definiert (7 V bis 12 V) und wurde um die Standard-Industriespannung (24 V) als zulässige Versorgung erweitert.
Trotz asynchroner Halb-duplex-Übertragung (Positionsanfrage, grün) erfolgt die sensorseitige Rekonstruktion des Erfassungszeitpunktes (magenta) hochgenau und mit minimalem Jitter.
© iC-HausDas BiSS-Line-Protokoll bietet durch die Taktrückgewinnung auf Basis der 8B10-Codierung einen hohen Nutzdatenanteil. Die definierten Übertragungssymbole bieten eine maximale Hamming-Distanz. Der Kommunikationskanal ist mit einem IDLE-Symbol stetig in Bewegung und verhindert Gleichspannungsanteile und Synchronisationsverluste.
Dabei ist das Kommunikationsprinzip Master-Slave-basierend: Auf Anfrage des Masters werden über den Protokoll-Umsetzer ein oder mehrere Sensoren abgefragt und die Antworten dem Master übergeben. Die Protokoll-Umsetzung von BiSS auf BiSS Line erhält alle bisherigen Inhalte inklusive deren eigener Prüfzahlen. Für eine Black-Channel-Betrachtung ist der komplette Erhalt der zu übertragenden sicheren Daten gewährleistet. Der Abruf erfolgt vollständig oder in Teilmengen. Eine wiederholte Abfrage zur Redundanz oder nach Verlust ist bei BiSS Line zusätzlich möglich. Ebenso möglich ist eine Bandbreitenreduktion weniger relevanter Daten (zum Beispiel Temperaturwerte).
Besonders wichtig bei hochauflösenden und hochdynamischen Systemen ist der Positionserfassungszeitpunkt. So beeinträchtigen schon geringe Abweichungen beim Erfassungszeitpunkt die Genauigkeit der zu erfassenden Position. Bei BiSS Line wird der Positions-erfassungszeitpunkt nicht analog oder als Flanke übertragen, sondern digital in die Positionsanfrage codiert.
Höhere Regler-Raten und häufigere Kommutierungen, neue Antriebstreiberstufen, hohe Leistungsdichten und breite Dynamik verursachen ein höheres Störaufkommen. Mehr Korrekturmöglichkeiten im Protokoll lassen mehr Fehler bei der Übertragung zu. Daher schafft die optionale ‚Forward Error Correction‘ (FEC) durch Rekonstruktionsmöglichkeiten nach dem Empfang gestörter Bitsequenzen zusätzliche Störabstände bei der Übertragung. Diese Codierung ermöglicht eine robuste, fehlerkorrigierbare Rekonstruktion der übertragenen Daten. Erzeugung, Übertragung und Auswertung einer FEC ist mit aktueller Infrastruktur auf beiden Seiten umgesetzt.
Die praktische Umsetzung
In Antriebssystemen ist die RS485-Schnittstelle häufig bereits vorhanden, die Protokollumsetzungen rekonfigurierbarer Hardware sind meist in FPGAs anzutreffen. Aktuell werden auch leistungsfähige Prozessoren für eine direkte Protokollverarbeitung in Software verwendet. In beiden Fällen erfolgt die Umsetzung von Protokollen mittels einer Firmware-Erweiterung. Damit ist eine Hardware-Änderung nicht notwendig – und wäre mangels Anwenderakzeptanz kaum durchsetzbar. Mittels Firmware-Erweiterung wird das Antriebssystem auf diese Weise ebenso BiSS-Line-fähig. Das BiSS-Line-Master-IP wird Anwendern zum Beispiel als VHDL IP kostenfrei zur Verfügung gestellt.
Vorhandene BiSS-Sensorsysteme lassen sich mit geringem Aufwand auf BiSS Line umsetzen: Bei jedem Ein-Kabel-Sensorsystem sind in jedem Fall ein Netzteil zur Versorgung sowie die Kommunikation über den Physical Layer nötig. BiSS Line erfordert keine sensorseitigen Neuentwicklungen und verwendet etablierte Komponenten. Es lässt sich im Gehäuse eines bisherigen Sensors inte-grieren, zusätzlich kann die Umsetzung in der vorhandenen Verbindungstechnik in einem Steckverbinder oder in einem Zwischenadapter erfolgen. Auch eine Integration in das Verkabelungssystem selbst ist möglich.
Autor:
Marko Hepp ist zuständig für den Support von BiSS-Interface, BiSS Line und BiSS Safety bei iC-Haus in Bodenheim.
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