Siemens 6FX2001-5QP24 Multi-Turn Absolutwertgeber

27-Bit | PROFIBUS DP-V2 | 10–30 VDC | 6000 U/min | Klemmflansch | Isochroner Modus | SINUMERIK / SIMOTION / SINAMICS / SIMATIC

Positionsdaten, die einen Stromausfall überstehen

Die meisten Drehgeber beantworten dieselbe Frage: Wo ist die Welle gerade? Absolutwertgeber beantworten eine schwierigere: Wo war die Welle, als der Strom ausfiel, und wo ist sie jetzt, nachdem alles wieder eingeschaltet wurde? Der Siemens 6FX2001-5QP24 ist ein Multi-Turn Absolutwertgeber, der speziell für diese zweite Frage entwickelt wurde – er liefert sofort nach dem Einschalten des Systems ein echtes 27-Bit-Positionswort über PROFIBUS DP-V2, ohne Referenzfahrt, ohne Nullpunktlauf und ohne verlorene Maschinenzeit.

Dieser als Direktmontage-Nachrüst-Drehgeber für die Produktfamilien SINUMERIK, SIMOTION, SINAMICS und SIMATIC konzipierte Geber ist eine Siemens-systemgeprüfte Komponente – kein generischer PROFIBUS-Geber, der zufällig funktioniert. Dieser Unterschied ist wichtig bei Werkzeugmaschinen, Druckmaschinen und Verpackungsanwendungen, bei denen die Inbetriebnahmezeit und die Kosten für die Systemzertifizierung reale Kostenfaktoren sind.

Technische Spezifikationen

Die 27-Bit-Architektur: Was sie auf dem Werksgelände tatsächlich bedeutet

Die Angabe 27 Bit steht für das gesamte Positionswort, das dieser Geber überträgt – nicht einfach nur 27 einzelne Spuren auf einer Codescheibe. Die optische Abtastung des Gebers liest 13 Bit innerhalb einer einzigen Umdrehung (entspricht 8.192 diskreten Positionen pro Umdrehung) und fügt dann einen 14-Bit-Mehrumdrehungszähler hinzu, der die Anzahl der vollständigen Umdrehungen unabhängig verfolgt. Multipliziert man die beiden Werte, kann der Geber die absolute Wellenposition über 16.384 vollständige Umdrehungen ohne Mehrdeutigkeit melden.

Für eine Kugelgewindespindelachse mit 10 mm Steigung entsprechen 16.384 Umdrehungen 163 Metern Linearweg – weit mehr als jede praktische Maschinenachse. Der Mehrumdrehungsbereich dient dazu, die absolute Achsposition unabhängig davon zu kennen, wo die Maschine beim Ausschalten geparkt wurde. Beim Neustart liest die CNC die aktuelle Position direkt aus dem PROFIBUS-Datenwort des Gebers. Keine langsame Referenzfahrt, keine Eingriffe des Bedieners, keine verlorene Spindelaufwärmzeit, die auf den Abschluss von Nullpunktläufen wartet.

Die parametrierbare Auflösung ist ebenso praktisch. Die volle Auflösung von 8.192 Positionen eignet sich für hochpräzise Konturanwendungen, aber derselbe Geber kann für eine gröbere Auflösung in Anwendungen konfiguriert werden, bei denen die Busbandbreite oder Zykluszeit begrenzt ist – jeder Wert von 1 bis 8.192 pro Umdrehung ist gültig und kann über den PROFIBUS-Parameterkanal ohne Hardwareänderung eingestellt werden.

PROFIBUS DP-V2: Mehr als nur ein Datenbus

Standard PROFIBUS DP (Version 1) überträgt Prozessdaten zyklisch – der Geber sendet sein Positionswort, die Steuerung liest es, nächster Zyklus. PROFIBUS DP-V2 fügt zwei für die Bewegungssteuerung wichtige Funktionen hinzu.

Die erste ist der isochrone Modus. Im isochronen Betrieb werden der Messzyklus des Gebers und die PROFIBUS-Datenübertragung mit dem Interpolationszyklus der Steuerung synchronisiert. Positionsdaten treffen mit einem präzisen, wiederholbaren Intervall an der Steuereinheit ein – das Jitter in der Positionsmesszeit, das sonst Rauschen in Geschwindigkeitsberechnungen verursachen würde, wird eliminiert. Für Hochgeschwindigkeits-Servoachsen mit engen Anforderungen an den Geschwindigkeitsregler ist der Unterschied zwischen asynchroner und isochroner Positionsrückmeldung in der Positioniergenauigkeit messbar.

Die zweite ist der azyklische Parameterkanal. Dieser ermöglicht die Online-Parametrierung – das Ändern der Auflösung des Gebers, der Endschalterpositionen oder anderer Konfigurationsparameter, während das System läuft, ohne den Geber vom Bus zu entfernen oder die zyklische Datenübertragung zu unterbrechen. Für Mehrachssysteme, bei denen einzelne Achsen während der Prozessentwicklung Auflösungsänderungen benötigen könnten, entfällt so eine Wartungsmaßnahme, die sonst zu Maschinenstillstand führen würde.

Der 6FX2001-5QP24 unterstützt beide Funktionen und erreicht eine maximale Busrate von 12 Mbit/s mit einer Buszykluszeit von 20 µs pro Geber – schnell genug für anspruchsvolle Anwendungen mit hoher Zyklusrate.

Klemmflanschmontage: Hinweise zur mechanischen Installation

Die Klemmflanschmontage des 6FX2001-5QP24 verwendet einen Klemmring zur Befestigung des Geberkörpers an der Maschinenstruktur, wobei die Welle direkt in eine Kupplung eingeführt oder direkt von der Maschinenwelle angetrieben wird. Die Haube und die radiale PG-Kabelverschraubung schützen die PROFIBUS-Kabelverbindung vor Verunreinigungen und bieten Zugentlastung, wobei die PG-Verschraubung radial ausgerichtet ist, um Installationen zu ermöglichen, bei denen ein axialer Kabelaustritt mit benachbarten Komponenten kollidieren würde.

Die Wellenbelastungsgrenzen unterscheiden sich je nach Drehzahl. Unter 6.000 U/min verträgt die Welle bis zu 40 N Axiallast und 110 N Auslegerlast – ausreichend für starre Kupplungen in den meisten Anwendungen. Bei Drehzahlen über 6.000 U/min (dieser Geber ist für maximal 6.000 U/min ausgelegt, daher gelten die höheren Belastungsgrenzen bei höheren Drehzahlen) reduzieren sich die Grenzwerte auf 10 N axial und 20 N Auslegerlast, was die erhöhte Lagerbelastung durch kombinierte radiale und axiale Belastung bei Drehzahl widerspiegelt. Für die Kupplungsauslegung ist eine Faltenbalg- oder Scheibenkupplung, die Wellenfehlausrichtungen kompensiert, ohne radiale Kräfte auf die Geberwelle zu übertragen, Standardpraxis.

Das Trägheitsmoment des Rotors von 1,9 × 10⁻⁶ kg·m² ist gering genug, dass der Geber in den meisten Direktmontagekonfigurationen eine vernachlässigbare reflektierte Trägheit zur angetriebenen Welle hinzufügt.

Systemkompatibilität: Vier Siemens-Plattformen, ein Geber

Der 6FX2001-5QP24 trägt die Bezeichnung Siemens-systemgeprüft für vier Plattformen gleichzeitig. Dies ist keine Marketingaussage – es spiegelt wider, dass die PROFIBUS DP-V2-Gerätebeschreibungsdateien, die PNO-Zertifizierung und die Parameterstruktur des Gebers gegen die Antriebs- und Bewegungssteuerungssoftware jeder Plattform validiert wurden.

SINUMERIK CNC – Wird als direktes Messsystem an linearen oder rotierenden Maschinenachsen oder als Motor-Encoder in Konfigurationen verwendet, bei denen Motor-Encoder und Positions-Encoder separate Geräte sind. Kompatibel mit SINUMERIK 840D sl und 828D Systemen über S120-Hardware.

SIMOTION – Geeignet für koordinierte Mehrachsanwendungen in Verpackungs-, Druck-, Verarbeitungs- und Montagemaschinen, bei denen eine präzise Positions synchronisation über Achsen hinweg erforderlich ist. Der isochrone PROFIBUS-Modus synchronisiert die Erfassung von Positionsdaten mit dem Bewegungssteuerungszyklus von SIMOTION.

SINAMICS – Kompatibel als externer Geber in SINAMICS S120 und S150 Antriebskonfigurationen, liefert Positionsrückmeldung von der Lastseite eines Getriebes oder einer Maschinenachse anstelle der Motorwelle – entscheidend für die Eliminierung von Getriebespiel aus dem Positionsregelkreis.

SIMATIC – Wird in Anwendungen zur Positionsüberwachung, Nockensteuerung und Prozessautomatisierung eingesetzt, bei denen die absolute Wellenposition als Prozessdaten innerhalb einer SPS-basierten Systemarchitektur benötigt wird.

Häufig gestellte Fragen

F1: Was ist der Unterschied zwischen diesem 6FX2001-5QP24 Multi-Turn Geber und einem Single-Turn Absolutwertgeber der gleichen 6FX2001-Serie?

Single-Turn Absolutwertgeber der 6FX2001-Serie liefern eine Auflösung von 13 Bit (8.192 Positionen) innerhalb einer Umdrehung – die Position ist innerhalb dieser Umdrehung absolut, aber der Geber kann nicht feststellen, wie viele volle Umdrehungen stattgefunden haben. Nach dem Einschalten nach einer Wellenbewegung bei ausgeschaltetem Strom kann ein Single-Turn Geber nur die Winkelposition innerhalb der aktuellen Umdrehung melden, nicht die Gesamtposition. Der 6FX2001-5QP24 Multi-Turn Geber fügt den 14-Bit-Umdrehungszähler hinzu, der bis zu 16.384 volle Umdrehungen verfolgt, wodurch das vollständige 27-Bit-Positionswort bei jedem Einschalten unabhängig von der Wellenhistorie gültig ist. Für jede Achse, die sich bei ausgeschaltetem Strom physisch mehr als eine Umdrehung bewegen kann – was praktisch alle linearen Achsen von Werkzeugmaschinen einschließt – ist die Multi-Turn-Version die richtige Wahl.

F2: Benötigt dieser Geber einen externen PROFIBUS-Abschlusswiderstand an seinem Knoten?

Ja, PROFIBUS RS 485 erfordert eine ordnungsgemäße Bus-Terminierung an beiden physischen Enden des Kabelsegments. Wenn der 6FX2001-5QP24 das letzte Gerät im PROFIBUS-Segment ist, muss das Abschlusswiderstandsnetzwerk (typischerweise im Stecker integriert) aktiviert werden. Wenn es sich um ein Gerät in der Mitte des Busses handelt, sollte die Terminierung deaktiviert werden. Eine falsche Terminierung verursacht Signalreflexionen, die die Fehlerraten erhöhen, insbesondere bei 12 Mbit/s. Die radiale PG-Kabelverschraubung nimmt Standard-PROFIBUS-Stecker mit integrierter schaltbarer Terminierung auf, was dies in den meisten Installationen vereinfacht.

F3: Kann die Auflösung des Gebers nach der Installation geändert werden, ohne ihn aus der Maschine zu entfernen?

Ja – der azyklische Parameterkanal von PROFIBUS DP-V2 unterstützt die Online-Parametrierung des 6FX2001-5QP24, während der Geber montiert und am Bus angeschlossen bleibt. Die Auflösung pro Umdrehung (1–8.192), die Gesamtauflösung (1–16.384 Umdrehungen), die Endschalterpositionen und die Geschwindigkeitssignal-Konfiguration sind alle online parametrierbar. Dies ist besonders nützlich während der Maschineninbetriebnahme, wenn die Achsauflösung angepasst werden kann, um den Steuerungsanforderungen zu entsprechen, ohne eine Wartungsdemontage durchzuführen. Parameter werden über die azyklischen Dienste des PROFIBUS-Masters (DS Read/Write) unter Verwendung der PNO Encoder Profile V4.1-Parameterdefinitionen des Gebers geschrieben.

F4: Welcher Kupplungstyp wird für die Montage dieses Gebers an einer Maschinenwelle empfohlen?

Siemens und die Praxis der Geberindustrie empfehlen eine flexible Kupplung – Faltenbalg- oder Mehrscheiben-Typ –, die Wellenfehlausrichtungen (sowohl Winkel- als auch Parallelversatz) kompensiert, ohne die daraus resultierenden Radialkräfte auf die Geberwelle zu übertragen. Die Geberwelle ist für eine Auslegerlast von 110 N bei Drehzahlen bis zu 6.000 U/min ausgelegt, aber chronische, durch Fehlausrichtung verursachte Radialbelastungen beschleunigen den Lagerverschleiß und verkürzen die Lebensdauer des Gebers. Eine korrekt ausgewählte flexible Kupplung absorbiert die Fehlausrichtung, anstatt sie weiterzuleiten. Starre Kupplungen sind nur dort angebracht, wo die Wellen-Koaxialität über den gesamten Temperaturbereich der Maschine mit engen Toleranzen garantiert werden kann.

F5: Ist der 6FX2001-5QP24 ein direkter Ersatz für ältere SINUMERIK Absolutwertgeber, die früher mit SIMODRIVE 611 Systemen verwendet wurden?

Der 6FX2001-5QP24 verwendet PROFIBUS DP-V2 als Schnittstelle. Frühere SINUMERIK Absolutwertgeber, die mit SIMODRIVE 611 verwendet wurden, nutzten oft andere Schnittstellenstandards – einschließlich der proprietären Siemens-Geberschnittstelle oder SSI – anstelle von PROFIBUS. Ein direkter Plug-in-Ersatz ist nicht möglich, ohne zu überprüfen, ob die Zielsteuerung PROFIBUS DP-V2-Geber-Eingang unterstützt und die Antriebshardware für externe PROFIBUS-Geberrückmeldung konfiguriert ist. Im Kontext eines SIMODRIVE 611 zu SINAMICS S120 Upgrades ist dieser Geber mit der S120-Hardware unter Verwendung der entsprechenden S120-Steuereinheit-Konfiguration voll kompatibel. Die Überprüfung der Schnittstellenkompatibilität auf Steuerungsebene ist der entscheidende erste Schritt vor jedem Geber-Austausch.