Elektronisches Typenschild: Der Motor als cyberphysisches System

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Elektronisches Typenschild: Der Motor als cyberphysisches System

Quelle: Adobe Stock – pgottschalk

Ein offenes elektronisches Typenschild würde die Inbetriebnahme von Motoren deutlich beschleunigen und ihre Performance verbessern. Bisher fehlte dafür allerdings ein herstellerübergreifendes Kommunikationsprotokoll. Wissenschaftler der Technischen Hochschule Köln haben jetzt eine Lösung gefunden, bei der die Motorfeedback-Schnittstelle SCS open link von Hengstler eine zentrale Rolle spielt.

SCS open link wurde für die hochperformante bidirektionale Datenübertragung zwischen Motor und Antriebsstrang konzipiert. Die Schnittstelle ermöglicht eine reibungslose Interoperabilität von Geräten verschiedener Hersteller. Mit einem ganz ähnlichen Thema beschäftigte sich seit 2017 auch das Forschungsprojekt „Der Motor als cyber-physisches System – elektronisches Typenschild“ der TH Köln. Prof. Dr. Jens Onno Krah und seine Mitarbeiter vom Institut für Automatisierungstechnik konzipierten ein offenes digitales Kommunikationsverfahren für elektronische Motortypenschilder, das von Frequenzumrichtern verschiedenster Hersteller genutzt werden kann. Auf diese Weise können Umrichter jeden angeschlossenen Motor automatisch erkennen und mit den passenden Parametern konfigurieren – der Motor arbeitet dann mit dem optimalen Wirkungsgrad. Bisher erkennen Frequenzumrichter nur die Motoren automatisch, die mit einem Encoder ausgestattet sind und von demselben Hersteller stammen. Motoren von Wettbewerbern müssen dagegen aufwändig manuell konfiguriert werden, was aufgrund der mangelnden Genauigkeit nicht selten zu Leistungseinbußen des Antriebs führt.

Elektronisches Typenschild: Maschinenbauer sollen ihre Komponenten frei wählen können

Der Impuls zu dem wissenschaftlichen Projekt an der TH Köln kam vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) und von der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. Beide Institutionen wollen die Entwicklung eines offenen elektronischen Motortypenschilds vorantreiben, damit Maschinenbauer ihre Komponenten künftig nach der besten Leistung anstatt nach ihrer Kompatibilität auswählen können. Das würde nicht nur zu effizienteren Maschinen führen, sondern gleichzeitig auch den Wettbewerb zwischen den Komponenten-Herstellern steigern und damit auch die Qualität von deren Produkten weiter verbessern.

Über ein universell auslesbares elektronisches Typenschild ließe sich zudem der Zustand des gesamten Antriebsstrangs einer Maschine aus der Ferne überwachen (Condition Monitoring), sodass bei drohenden Leistungsverlusten frühzeitig eingegriffen werden könnte. Die Zustandsüberwachung ist nicht nur für die Anwender, sondern auch für die Maschinenbauer selbst interessant – sie könnten das Condition Monitoring als Dienstleistung anbieten. Durch diese Serviceleistung würden sie ihre Wertschöpfungskette erweitern und gleichzeitig die Kunden enger an sich binden.

Wie die Hengstler-Schnittstelle das Typenschild ermöglicht

Mit dem Forschungsprojekt wollten die Wissenschaftler der TH Köln Lösungen für zwei Aufgabenstellungen finden: Zum einen soll das elektronische Typenschild, das bisher nur einzelne Hersteller für ihre Geräte anbieten, herstellerübergreifend auslesbar sein. Zum anderen sollte es auch für Motoren ohne eingebaute Encoder verfügbar sein. Bei Motoren mit Encoder wird das elektronische Typenschild meist im EEPROM (Speicher) des Encoders abgelegt. Hier kann es mithilfe der Encoder-eigenen digitalen Schnittstelle ausgelesen werden. Bei geberlosen Antrieben fehlt diese Schnittstelle, sodass die Übertragung eines elektronischen Typenschilds vom Motor an den Umrichter auf einem anderen Weg erfolgen muss.

Quelle: Hengstler
Das offene elektronische Typenschild soll Frequenzumrichter unter anderem die automatische Erkennung geberloser Motoren ermöglichen.

Prof. Dr. Krah und seine Mitarbeiter fanden im Zuge ihrer Forschung heraus, dass sich bei diesen Antrieben das Motorkabel für die Übertragung der Typenschild-Daten nutzen lässt. Ein zusätzliches Kabel ist nicht erforderlich. Möglich wird das durch die offene Schnittstelle SCS open link von Hengstler, denn mit dem Protokoll können sowohl Motoren mit Encodern mit einer Rate von bis zu 10 MBaud und Reglerzyklen bis zu 32 KHz übertragen werden, als auch Motoren ohne eingebaute Encoder über die neu entwickelte Power Interface Kommunikation. Mit der Lösung von Hengstler lässt sich deshalb die zentrale Forderung der Industrie erfüllen, die sich ein elektronisches Typenschild ohne Extra-Kabel wünscht.

Auf SCS open link war Prof. Dr. Krah bereits bei einem früheren gemeinsamen Projekt mit Hengstler aufmerksam geworden, bei dem es um die Nutzung eines funktional sicheren Encoders mit digitaler Schnittstelle ging. Zwar gibt es neben SCS open link noch andere Einkabel-Protokolle am Markt. Die Wahl der Wissenschaftler fiel aber auf die Schnittstelle von Hengstler, weil sie die einzige wirklich offene Schnittstelle ist: Jeder Komponenten-Hersteller kann seine Produkte für SCS open link zertifizieren lassen.

Günstige und sichere Lösung

Die Schnittstelle von Hengstler ist eine relativ günstige Lösung, weil sie den gängigen RS485-Standard nutzt, der eine Datenübertragung über Strecken von bis zu 100 m Länge ermöglicht. SCS open link ist darüber hinaus sehr robust, denn aufgrund des symmetrischen Leitungsaufbau des RS485-Datenkabels können elektromagnetische Einstrahlungen die Signalübertragung kaum beeinträchtigen. Bei der Entwicklung der Schnittstelle hat Hengstler zudem großen Wert auf eine hohe Funktionale Sicherheit gelegt: SCS open link wurde daher für den Einsatz in Anwendungen bis Safety Integrity Level 3 (SIL3) zertifiziert.

Einführung eines einheitlichen elektronischen Motortypenschilds rückt näher

Die Forschung der Wissenschaftler an der TH Köln ist mittlerweile fast abgeschlossen. Ihr Fazit: Ein einheitliches elektronisches Motortypenschild – bei Motoren ohne Encoder über die Power Interface Kommunikation – lässt sich in der Praxis mit verhältnismäßig geringem Aufwand umsetzen. SCS open link von Hengstler bietet dafür die ideale Basis, denn jeder Geräte-Hersteller kann diese Schnittstelle nutzen.

Setzt sich die Schnittstelle am Markt durch, wird sich die Komponenten-Auswahl für Maschinen- und Anlagenbauer deutlich vergrößern. Dann stünde hier nicht mehr die Frage der Kompatibilität im Mittelpunkt, sondern es ginge ausschließlich um die Leistungsfähigkeit. Die Performance und Effizienz von Maschinen könnte sich also durch die Einführung eines offenen elektronischen Motortypenschilds erhöhen. Das hätte nicht nur große Vorteile für die Maschinen-Nutzer, sondern auch für das Klima. Effizientere Maschinen verbrauchen schließlich weniger Strom – und der kommt in der Industrie noch immer zum größten Teil aus fossilen Brennstoffen.

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