Im Fokus: Offene Einkabeltechnik für Motor-Feedbacksysteme

Offene Einkabellösungen?

Mit Biss Line, Hiperface DSL und SCS Open Link gibt es derzeit drei offene Einkabellösungen. In Teil 1 der Serie (SPS-MAGAZIN 4/18) wurde darüber diskutiert, wo die Vorteile der einzelnen Protokolle gegenüber Zweikabelsystemen liegen. Dieses Mal geht es darum, wie offen die genannten Lösungen wirklich sind. Um dies zu diskutieren, fand Ende Januar die 2. TeDo-Drehgeberexpertenrunde in Marburg mit Teilnehmern von Baumer, Biss Association, Fraba Posital, Hengstler, iC-Haus, Kübler, Sick und Siemens statt.


Teilnehmer

Dr. Johann Pohany

Head of Motion Control,

Baumer Gruppe

Marko Hepp

Geschäftsführer,

Biss Association e.V. i.G.

Jörg Paulus

General Manager EMEA,

Fraba GmbH Posital

Johann Bücher

Director Encoder Strategy,

Hengstler GmbH

Dr. Heiner Flocke

CEO, iC-Haus GmbH

Jonas Urlaub

Product Management System

Architecture, Fritz Kübler GmbH

Rolf Wagner

Vice President Product Management Motion Control Sensors,

Sick Stegmann GmbH

Dr. Christoph Nolting

Senior Engineer Sensors,

Digital Factory Division,

Motion Control, Siemens AG

Wie offen sind die neuen Einkabellösungen?

Dr. Heiner Flocke (iC-Haus): Open-Source-Schnittstellen sind gut, denn egal wie sich die Anwender entscheiden, habe ich die Möglichkeit, wirklich offene Protokolle in unsere Chips zu implementieren. Die Unterschiede zwischen SCS und Biss Line sind nicht so groß, als dass wir sie nicht auch beide in einem FPGA implementieren können. Derzeit arbeiten wir aber an unseren Biss Line Chips. Wenn das alles wirklich offen ist, kann man zukünftig auch Produkte mit Multischnittstellen erzeugen.

Höre ich Zweifel, ob alles wirklich so offen ist, wie es sein sollte?

Flocke: Biss ist total offen und mit Biss Line wird es genauso sein. Wir sind bereit auch SCS zu implementieren, müssen aber rechtzeitig wissen, wann es fertig ist.

Jörg Paulus (Fraba Posital): Biss ist ein echtes Open Source Protokoll. Man kann es herunterladen und die beiden anderen Protokolle sind offene Systeme gegen Lizenzgebühr..

Johann Bücher (Hengstler): Die Frage ist, wie das jeweilige Geschäftsmodell aussieht und wer letztendlich für eine kostenlose Biss Lizenz bezahlt.

Paulus: Wir sind einen ähnlichen Weg wie Linux gegangen und haben die Biss Schnittstelle freigegeben. Jeder kann sie nutzen und seine Produkte bauen, um damit ein Return on Investment zu bekommen.

Dr. Johann Pohany (Baumer): Baumer bietet bereits alle drei Protokolle an. Aber dahinter steckt auch ein erheblicher Entwicklungsaufwand und jede Firma möchte hierfür auch ein Return on Investment. So nehmen Firmen wie Fraba oder Baumer den offenen Biss Line Standard und implementieren diesen auf einem Microcontroller. Somit haben wir für unsere Drehgeber eine Infrastruktur geschaffen, auf der wir alle drei Protokolle implementieren können. Biss - ohne eine Forward Error Correction (FEC) - bekommen wir bereits auf einem normalen Microcontroller, SCS Open Link auf einem etwas größeren Microcontroller, aber Hiperface DSL derzeit noch nicht. Was wir aber schon geschafft haben, ist Biss Line mit FEC auf einem mittelgroßen FPGA zu integrieren. Bei den derzeitigen Controller-Entwicklungszyklen steht spätestens in 18 Monaten auch hierfür ein Microcontroller mit einem vernünftigen Preis zur Verfügung. Die Frage bezüglich Hiperface DSL auf einem Microcontroller ist daher nicht ob, sondern nur wann dies möglich sein wird.

Jonas Urlaub (Kübler): Wer die Linux-Zeit mitgemacht hat, versteht unter Open Source allerdings etwas ganz anderes als wir. Wir müssen sicherstellen, dass auch zukünftig ein Drehgeber aus dem Hause A mit einem Drehgeber aus dem Hause B funktioniert. Ein Protokoll darf niemals still stehen, sondern muss - den sich ständig ändernden Anforderungen entsprechend - mitwachsen. Geführtes Open Source bedeutet, dass nicht jeder irgendetwas an einem Standard ändern kann, sodass er auf einmal inkompatibel wird. Stand heute sehen wir das ausschließlich bei SCS Open Link sicher gestellt. Dort haben wir einen sehr klaren und gut definierten Standard, bei dem wir sagen können: Dort gibt es einiges an Freiheiten, aber an den wichtigen Stellen halt nicht. Es gibt derzeit viele Biss-Implementierungen am Markt, die nicht kompatibel mit anderen Biss-Lösungen sind, weil es viele herstellerspezifische Varianten gibt.

Dr. Christoph Nolting (Siemens): Ein Beispiel ist SSI. Wir bieten für direkte Messsysteme SSI-Adaptermodule an. Es gibt mindestens ein halbes Dutzend Varianten und der Kunde muss selbst herausfinden, welche SSI-Version er hat.

Rolf Wagner (Sick Stegmann): Als wir als Erfinder von SSI das Protokoll 1983 auf den Markt brachten, haben wir leider genau diesen Fehler gemacht, den wir jetzt allerdings nicht wiederholen. Deswegen haben wir Hiperface DSL so konzipiert, dass durch Verwendung eines encrypted IP Cores Dialekte von vornherein ausgeschlossen werden und somit für unsere Kunden kein Wildwuchs an Protokollen entstehen kann.

Pohany: Bei allen drei Einkalbellösungen ist eine neutrale Zertifizierungsstelle in der Implementierung bzw. Diskussion. Open Source bedeutet hier nicht, dass jeder daran ´rumbasteln´ darf, wie er möchte, sondern dass es ein Protokoll gibt, das basierend auf strikten Regeln auch anderen Marktteilnehmern zur Verfügung steht. Diese Regeln sind wichtig, weil wir die Systemverantwortung gegenüber den Anwendern haben.

Flocke: Wir haben bei Biss mehrere Profile definiert, da es z.B. hochauflösende, aber auch normale Drehgeber gibt. Allerdings ist bei allen Profilen der Physical Layer fix und wird nicht verändert. Auch bei Biss gibt es einen Vertrag, den ein Lizenznehmer unterschreiben muss. Ändert er etwas daran, darf er es nicht mehr Biss nennen.

Kann bei Hiperface DSL oder SCS auch weitere Drehgeberhersteller noch Lizenzen bekommen?

Bücher: Bei SCS Open Link gibt es ein Konsortium aus den Firmen Kübler, Baumer und Hengstler, das begonnen hat die Technologie gemeinsam auf den Markt zu bringen. Wir haben uns bewusst darauf geeinigt, dass wir anfangs diese Gruppe klein halten, da wir gegenseitig testen wollten, wie alles funktioniert. Ob z.B. die Dokumente, die erstellt wurden wirklich Einsatz-tauglich sind oder wo wir noch nachbessern müssen? Seit diesem Jahr werden wir auch für die vielen neuen Anfragen neue Zugänge schaffen. Wir haben dabei die Biss Lizenzmodelle auf SCS Open Link übertragen. Es gibt z.B. ein User-Agreement, das speziell dafür gedacht ist, dass Antriebshersteller Nutzungsrechte sicher zugestanden bekommen. Auf der anderen Seite haben wir, um unsere eigenen Aufwände entsprechend abzudecken, auf der Slave-Seite Mitbewerbern die Möglichkeit geschaffen, dieses System ebenfalls zu nutzen. Wenn ein ASIC-Hersteller zu Biss kommt, gibt es auch einen entsprechenden Lizenzvertrag, der bisherige Aufwendungen abbildet.

Wie sieht es bei Hiperface DSL aus?

Wagner: Es gibt ein klares Commitment von Sick, weitere Drehgeberhersteller mit Hiperface DSL Lizenzen auszustatten. So hat sich Baumer für Hiperface DSL entschieden und wir sind derzeit in Kontakt mit mehreren europäischen, aber auch asiatischen Herstellern, die sich ebenfalls dafür interessieren.

Herr Nolting, Sie kennen als Antriebshersteller die verschiedenen Ansätze. Hätten Sie sich gewisse Systeme vielleicht schon früher gewünscht?

Nolting: Wir haben uns um die Jahrtausendwende dazu entschieden, mit unserer eigenen Systemschnittstelle DriveCliq die einzelne Antriebskomponenten zu verbinden und diese auch für die Anbindung von Gebern zu nutzen. Damals hat der ein oder andere gesagt: Ist es nicht übertrieben bei DriveCliq mit 100MBit Ethernet einen Geber anzubinden? Heute würde ich sagen: Die Zeit hat uns recht gegeben. Wir haben eine große installierte Basis und wenn nun die Anforderungen einer Industrie 4.0 kommen, können wir sie damit bedienen. Wenn der Markt es fordert, ist es vorstellbar, auch andere Schnittstellen einzusetzen. Aber das ist dann immer mit einem Zusatzaufwand verbunden. Kein OEM wünscht sich Zusatzmodule und Kästchen, die er im Schaltschrank unterbringen muss.

Wagner: Das primäre Interesse eines Reglerherstellers ist es nicht, viele Schnittstellen zu entwickeln, zu validieren und zu supporten, sondern eine robuste und bewährte Schnittstelle zu haben, die auch von anderen Herstellern angeboten wird. Das war auch ein Grund, warum wir Hiperface DSL schon im Mai 2017 aufgemacht haben. Ein anderer Grund war die Offenheit in Richtung Industrie 4.0. Zudem bekommen unsere Anwender so Zugang zu einem breiteren Produktportfolio.

Marko Hepp (Biss Association): Gerade kleinere Drive-Hersteller müssen viele Schnittstellen anbieten, weil dies bei der Systemkonzeption für die unterschiedlichen Kunden notwendig ist.

Wächst der Markt für Einkabellösungen auf Kosten der Zweikabelsysteme oder gibt es einen neuen Markt?

Wagner: Für mittlere und kleinere Servomotoren ganz bestimmt, weil der Vorteil auf der Hand liegt: Kostenersparnis und einfaches Handling. Allerdings denke ich wird es je nach Triade unterschiedliche Geschwindigkeiten bei der Ablösung geben.

Paulus: Da noch nicht alle Kunden soweit sind, wird es noch einige Zeit dauern, bis sich Einkabellösungen komplett durchgesetzt haben. Doch gerade bei Neuentwicklungen werden vielfach Einkabellösungen eingesetzt.

Urlaub: Nicht überall macht eine Einkabellösung Sinn, wie z.B. bei großen Motoren. Dennoch kann man auch dort Einkabelprotokolle verwenden. Egal ob ich einen Megawattantrieb habe oder einen kleinen Steppermotor. Die Schnittstelle kann theoretisch immer die gleiche sein. Vielen Endkunden fragen mittlerweile, warum ich eine digitale Schnittstelle inkremental weiterhin so ausführen muss, wenn ich theoretisch ein leistungsfähigeres System habe. Große Maschinenbauer und Endkunden sind schon viel weiter bei dem Thema weitere Sensoren in Systeme einzubinden und fordern eine performantere Schnittstelle für ganz andere Systeme.

Pohany: Wenn wir eine Einkabellösung nehmen, haben wir mehrere Teile. Das eine ist die digitale Schnittstelle, die wir zukünftig überall sehen werden. Das zweite ist das Protokoll, welches auch sicherheitszertifiziert werden kann, digital ist und die Protokollelemente beinhaltet und das weitere Daten beinhalten kann. Die Einkabeltechnologie sehe ich bei kleineren Servos als das, was definitiv kommen wird. In Europa deutlich stärker als in Asien, während ich es in den USA derzeit noch gar nicht sehe.

Flocke: Bei kleineren Motoren wird der Anteil an Einkabellösungen deutlich steigen und damit auch die Stückzahlen. Wir werden alles tun, um auch hier Chips wirtschaftlich anzubieten, sodass es zu einer weiteren Verbreitung der Einkabeltechnologie kommt. Ein Geber soll nicht nur deshalb ausgesucht werden, weil er eine gewisse Schnittstelle hat. Entscheidend ist die Robustheit und Datenverfügbarkeit der Schnittstelle. Niemand braucht eine Lösung, bei der es andauernd zu Störungen kommt.

Nolting: Wir haben auf der letzten Hannover Messe eine Motorenreihe mittlerer und kleiner Servomotoren mit Einkabeltechnik vorgestellt. Die Resonanz darauf war sehr gut, aber wir bieten diese Motoren auch weiterhin mit konventioneller Zweikabeltechnik an. Der OEM- oder Maschinenbauer kann selbst entscheiden, was er haben möchte.

Hepp: Interessant ist, dass es derzeit viele Anfragen nach Einkabellösungen aus Bereichen gibt, die mit dem bisherigen Markt kaum etwas zu tun haben. Es kommen z.B. viele Anfragen aus dem Bereich Roboter, die nicht aussehen wie ein Roboter (Handlingroboter...) oder Coboter. Für diese Firmen ist es wichtig, dass die Lösungen klein und leicht sind, aber auch standardisiert und flexibel umsetzbar.

Bücher: Auch bei den immer komplexeren Maschinen steigt der Bedarf an kleineren Servoantrieben, bei denen auch die Anschlusstechnik kompakt sein muss. Mit SCS Open Link haben wir eine Schnittstelle definiert, die unterschiedlichen physikalischen Möglichkeiten Rechnung trägt, sodass auch Resolver, magnetische oder optische Systeme, inkremental oder absolut, Singleturn oder Multiturnsysteme gleichermaßen abbildbar sind. Zudem sollten wir dringend über eine Software-Schnittstelle für Implementierungen auf der Antriebsseite nachdenken. SCS Open Link lässt sich innerhalb eines Tages implementieren. Wenn ich aber von Biss auf Hiperface DSL wechseln will und übermorgen auf ein DriveCliq oder SCS Open Link, schaffen wir mit solch einer neuen Schnittstelle einen deutlich größeren Nutzen für die Anwender, als wenn wir die Protokolle links und rechts herumdrehen.

Pohany: Ich habe mit Freude aufgenommen, dass Dr. Flocke bereit ist, alle ihm zur Verfügung gestellten offenen Protokolle, die in einen ASIC zu implementieren, der kostengünstiger ist, als das was wir derzeit auf Microcontroller machen können. Zudem habe ich weder von Hiperface DSL noch SCS Open Link ein Nein zu diesem Plan gehört. Also freue ich mich, wenn wir in zwei Jahren diese preisgünstigen Chips haben.

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