Industriekommunikation

Energieeffizienz verbessert

Drehzahlgeregelte Antriebe setzen sich in industriellen Anwendungen mehr und mehr durch. Vorteile wie überlegene Energie-Effizienz und hohe Dynamik sprechen für sich. Allerdings liegt bei drehzahlgeregelten Antrieben die Spitzenlast, die das elektrische System einer Maschine aushalten muss, oft deutlich höher - bei den Servopressen der Schuler AG etwa ist sie rund fünfmal so hoch wie bei vergleichbaren mechanischen Schwungradpressen. Um den Anforderungen an Kabel und Leitungen Rechnung zu tragen, hat Lapp Kabel eine neue Generation Motorenleitungen entwickelt.

In einer Servopressenlinie der Schuler AG mit einer Presskraft von 100.000 kN sind im Schnitt rund 55 Kilometer Leitungen verlegt. Dabei handelt es sich vorwiegend um Datenkabel, BUS-Leitungen, Steuerleitungen und Leistungskabel für die Motoren. (Bild: Schuler)

In einer Servopressenlinie der Schuler AG mit einer Presskraft von 100.000 kN sind im Schnitt rund 55 Kilometer Leitungen verlegt. Dabei handelt es sich vorwiegend um Datenkabel, BUS-Leitungen, Steuerleitungen und Leistungskabel für die Motoren. Allein in einer Servopressenlinie für die Automobilindustrie sind rund 160 Antriebe im Einsatz, darunter 17 Hauptantriebe mit einer Leistung von jeweils 450 kW Nennleistung. Bei bewegten Antrieben sorgen schleppkettentaugliche Ölflex Servo FD Leitungen für den zuverlässigen Betrieb. Viele davon in geschirmter Ausführung, um Störeinflüsse benachbarter Leitungen und anderer Stromverbraucher zu reduzieren. Effizienz wird bereits bei der Produktion der Leitungen erzielt. Die Kabelwerke von Lapp verwenden exzellentes Kupfer, das einer Reinheit von mindestens 99,9 % entspricht. Durch die Optimierung der Prozesse in der Produktion, wird zudem höchste Genauigkeit beim Leitungswiderstand erzielt. Während früher Widerstandsschwankungen bei der Verarbeitung des Kupfers berücksichtigt werden mussten, ist dies in den heutigen Produktionsprozessen nicht mehr nötig.

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Effizienz mit Servoleitungen

Die Nachfrage nach Ölflex Servo FD Leitungen steigt nicht nur bei Schuler, sondern generell im Maschinen- und Anlagenbau. Denn die Servoleitungen sind die "Lebensadern" moderner elektrischer Antriebe, mit denen deutliche Steigerungen von Effizienz und Produktivität möglich sind. Um die Produktivität zu steigern, sind die Werkzeuge moderner Maschinen heute auf hohe Verfahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen sowie lange Verfahrwege ausgelegt. Die schnellere Beschleunigung der Werkzeuge bringt natürlich auch höhere Anforderungen an Energieführungssysteme und deren Komponenten wie Leitungen, Energieketten und Tragorgane mit sich. Zug-, Schub-, Biegungs- und Torsionsbelastungen müssen mit dem Wunsch nach maximaler Lebensdauer bei geringerem Platzbedarf, reduziertem Gewicht und verringertem Mindestbiegeradius vereint werden.

Das "Herz" des Energieführungssystems ist die Servoleitung. Moderne Servoleitungen erfüllen die Voraussetzungen, um elektrische Antriebe in immer mehr Anwendungen einsetzen zu können, und die Königsdisziplin für Servoleitungen sind hochdynamische Anwendungen mit besonders hohen Verfahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen. Da eine hohe Beweglichkeit gefordert ist, nehmen viele Anwender an, dass Servoleitungen aus hochelastischen Materialien bestehen müssen. Genau das Gegenteil ist aber der Fall: hochelastische Materialien würden sich bei der Beschleunigung dehnen und bei der Abbremsung stauchen. Eigenschwingungseffekte und ein erhöhter Stress auf das gesamte System wären die Folgen. Also müssen möglichst eigensteife Materialien zum Einsatz kommen. Als Material für die Isolation hat sich hierbei besonders Polypropylen bewährt, das eine hohe Festigkeit und sehr gute elektrische Isolationseigenschaften aufweist. Diese Eigenschaften erlauben es, insgesamt weniger Material zu verwenden, wodurch die Leitung schlanker, leichter und flexibler wird. Das geringere Gewicht hat zudem zur Folge, dass auch kleinere Energieketten mit weniger Masse verwendet werden können. Die geringeren bewegten Massen machen sich wiederum in reduziertem Energieverbrauch für Beschleunigung und Bremsung bemerkbar. Auch die Platzersparnis trägt über die Lebenszeit einer Maschine hinweg zu einer erhöhten Gesamteffizienz bei.

Um diesen Anforderungen an Servoleitungen Rechnung zu tragen, hat Lapp Kabel mit der Ölflex Servo FD 796 CP die neue Generation Motorenleitungen entwickelt. Die Premium-Leitung ersetzt gleich sieben Servo-Motorenleitungen und beschert den Nutzern viele zusätzliche Vorteile. Gerade bei schnellem Vielfach-Positionswechsel brilliert die neue Premiumleitung von Lapp in Energieführungsketten mit einem Beschleunigungsvermögen von bis zu 50m/s², bei Geschwindigkeiten bis zu 5m/s und Verfahr-Weglängen bis zu 100 m. Damit ermöglicht sie ein deutlich schnelleres und effizienteres Arbeiten als bisherige Schleppkettenleitungen. Zudem können die anteiligen Hochlauf- und Bremszeiten um bis zu 96% reduziert werden. Das heißt, die neue Premiumleitung spart Zeit und erhöht die Produktivität, bei höchster Lebensdauer und geringem Platzverbrauch und Gewicht. Dank einer kapazitätsarmen Polyolefin-Isolierung punktet die Ölflex Servo FD 796 CP durch geringere EM-wirksame Ableitströme bei gleichzeitig sehr hoher Durchschlags- und Spannungsfestigkeit. Sie ist halogenfrei und flammwidrig und verfügt über alle wichtigen Approbationen wie UL AWM, CSA AWM und VDE. Bei Bedarf gibt es die Servomotorleitung auch mit zusätzlich abgeschirmten Signalstromkreisen zum Zweck der Temperaturüberwachung der Motorwicklung und/oder einer optional einsetzbaren elektromagnetischen Bremse. Auf der kommenden Messe SPS IPC Drives 2012 wird das Servoleitungs-Portfolio von Lapp weiter ergänzt.

Die Ölflex Servo FD 796 CP und P haben zudem vergrößerte Leiterquerschnitte. Das erhöht die Energieeffizienz und reduziert die Wärmeverluste, die anfallen, wenn Kabel und Leitungen im Grenzbereich ihrer maximal zulässigen Dauertemperatur betrieben werden. Hintergrund: Allein eine Leitertemperaturerhöhung von 70 auf 90 Grad erhöht den Ohmschen Widerstand um 7%. Entsprechend stiegen auch die Energiekosten.

Gefertigt wird die neue im Stuttgarter Kabelwerk von Lapp. Um die Qualitätsstandards nachhaltig zu garantieren, hat der Hersteller zusätzlich in neue Schleppkettenleitungs-Prüfanlagen im eigenen Testzentrum investiert. Dort werden Leitungen extrem hohen dynamischen Wechselbiegebelastungen ausgesetzt: In der neuen Prüfanlage sind Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 10m/s und Beschleunigungen von bis zu 100m/s² möglich.

Um auftretende Spannungsspitzen bei elektrischen Antrieben besser abzufedern, hat Lapp auch die mehrfach gelistete flexible VFD Leitung Ölflex VFD with Signal im Programm. Durch eine zusätzliche, leicht leitende Aderisolation ("Lapp Surge Guard"), können sich Spannungsspitzen wie sie etwa beim Anfahren von Maschinen vorkommen auf eine größere Fläche verteilen. Durchschläge und Lichtbögen, die zur Zerstörung der Leitung führen können, werden dadurch vermieden.

Effizienz durch Automatisierung

Erhebliches Einsparpotenzial bietet auch moderne Automatisierungstechnik. Kaum zu glauben, aber wahr: Untersuchungen zu Folge sind in Deutschland noch ca. 70 Prozent der Automatisierungslösungen klassisch parallelverdrahtet. In Nordamerika sind es sogar noch 80 Prozent. Mit steigendem Automatisierungsgrad einer Maschine wächst aber auch der Verkabelungsaufwand. Je mehr Kabel, desto größer der Aufwand in Produktion, Projektierung, Installation und Wartung. Aber auch Transport und Bevorratung im Lager sind wichtige Kosten- und Energieeffizienzfaktoren.

Mit Feldbussystemen können dagegen bis zu 496 binäre Sensoren mit einem einzigen Buskabel verkabelt werden, das alle Ebenen verbindet. Das spart Platz und Zeit bei der Planung und Installation und reduziert den Ressourcenverbrauch. Das Lapp AS-Interface Bus-Leitungssortiment ermöglicht einen einfachen Einstieg für Kunden, die von der klassischen Parallel-Verdrahtung auf die wirtschaftlichere Feldbustechnologie umsteigen wollen.

Ideal dafür ist die neue Unitronic AS-Interface Long Distance (2,5mm2) für die Kommunikation auf der Sensor/Aktor-Ebene. Sie besticht durch ihren größeren Ader-Querschnitt von 2,5mm2, ihre Interoperabilität mit anderen Standard AS-Interface-Leitungen und durch ihren PUR oder Gummi (EPDM) Außenmantel, der die Leitung besonders robust macht. Neu sind auch eine rote, ölresistente Unitronic AS-Interface Leitung zur Kennzeichnung von besonderen Hilfsspannungen innerhalb des AS-Interface-Netzwerks, ein EPIC Data PROFIBUS Vollmetall Industriesteckverbinder passend zu den fertig konfektionierten PROFIBUS M12 Leitungen , sowie 8-polige M12 Sensor-Aktor Leitungen und positionierbare Wanddurchführungen. Die Kunden bekommen von Lapp Kabel mittlerweile die komplette Verdrahtung ¿ für Maschinen, Sensoren und Steuerung. Diese Bandbreite ist einzigartig.

Neu aufgestellt hat Lapp den Bereich der Lichtwellenleiter unter der Marke Hitronic mit einem erweiterten und verbesserten Portfolio. Solche Glasfaserleitungen werden vor allem in der Telekommunikation verwendet, aber auch überall dort, wo große Datenmengen anfallen, extreme Reichweiten nötig sind und gefährlicher Funkenflug verhindert werden soll. So wurde bei den bisherigen Produkten die mechanische Belastbarkeit sowie das Preis-Leistungs-Verhältnis optimiert. Dazu kommen Neuheiten für industrielle Outdoor-Anwendungen: Für die Daten-Fernübertragung wurden die Hitronic HQN 1500 Outdoor Cable und Hitronic HVN 5000 Outdoor Cable neu spezifiziert. Sie können direkt in der Erde verlegt werden und sind besonders robust. Auch eine mechanisch verstärkte Variante mit zusätzlicher Armierung für harsche Anwendungen und Nagetierschutz (Hitronic HQW Armoured Outdoor Cable) steht zur Verfügung. Für die direkte, drittrangige Verbindung in Gebäuden sowie für die Verbindung mit Endgeräten kommt das Hitronic Breakout Cable zum Einsatz.

Im Bereich der industriellen Ethernetverkabelung hat Lapp zum Beispiel den feldkonfektionierbaren Epic Data Cat.6A 10G Steckverbinder, der für den erhöhten Bandbreitenbedarf von 10-Gigabit-Ethernet und für Übertragungsfrequenzen bis 500 MHz in der Industrie- und Gebäudevernetzung ausgelegt ist. Durch sein Zinkdruckgussgehäuse ist der Steckverbinder besonders robust und rundum abgeschirmt. Eine zusätzliche Staubschutzkappe schützt das Steckgesicht und verhindert Verschmutzungen sowie Beschädigungen beim Transport, beziehungsweise im nicht gesteckten Zustand.

Generell gilt: Da bei Datenleitungen in dynamischen Anwendungen geringere Massen beschleunigt werden als bei Steuerleitungen, ist auch der Energieverbrauch deutlich geringer. Bei Lichtwellenleitern ist die Gewichts- und Energieersparnis nochmals höher als bei Kupferleitern.

Effizienz für Raffinerien

Ressourcenschonend sind auch die Öl- und Gasleitungen von Camuna Cavi, einem Unternehmen der Lapp Gruppe mit Sitz in Italien. Statt wie üblich für diese Branche Leitungen mit einem bis zu zwei Millimeter dicken Bleimantel einzusetzen, hat Camuna Cavi eine Raffinerie-Leitung entwickelt, bei der auf den Einsatz von Blei völlig verzichtet werden kann. Stattdessen werden die Leiter mit einem dünnen Aluminiumband sowie zwei Mantellagen aus Polyethylen und Polyamid versehen. Das macht das Kabel preisgünstiger und leichter, die Installation wird leichter und der um ein Drittel reduzierte Biegeradius erhöht die Flexibilität. Die größte Effizienz wird allerdings allein durch den optimierten Aufbau der Leitung erzielt. Im Vergleich zum konventionellen Bleikabel können in den neuen AL/HDPE/PA Leitungen bei gleichem Außenquerschnitt mehr Leiter untergebracht werden. Dadurch können auch mehr Geräte angeschlossen werden und die zu verlegenden Kabel benötigen rund 30 Prozent weniger Platz. Kurzum: Die Leitung erbringt mehr Leistung und wiegt 50 Prozent weniger als ein Kabel mit Blei. Ganz zu schweigen von den Gesundheitsrisiken die mit Blei verbunden wären, reduziert das geringere Gewicht auch die Transportkosten.

Effizienz für Nordamerika

In den USA dürfen Leiter, Kabel und Leitungen in Fabriken nicht den Gefahren einer Beschädigung durch mechanische, chemische oder thermische Effekte ausgesetzt sein. Deshalb werden in amerikanischen Fabriken Kabel und Leitungen zum besseren Schutz üblicherweise in geschlossenen Kabelkanälen, Rohren oder Schläuchen verlegt. Kabel auf offenen Kabelpritschen (Cable Trays), Kabelwannen oder Gitterrinnen, die an der Gebäudestruktur befestig sind, müssen hierfür extra zugelassen sein. In industriellen Betriebsstätten, wo Wartung und Instandhaltung durch entsprechend qualifiziertes Personal sichergestellt ist, dürfen gelistete Kabel mit "-ER = exposed Run" Zusatz- Approbation auch ohne zusätzlichen mechanischen Schutz wie beispielsweise durch Schläuche bis hin zum elektrischen Betriebsmittel verlegt werden. Hierfür bietet Lapp Kabel ein umfangreiches Programm an Leitungen mit -ER Zusatz. Das sind die Steuerleitungen Ölflex Tray II, Ölflex Control TM, Ölflex sowie die Datenleitung Unitronic 300. Vorteile für den Anwender sind eine schnellere, unkomplizierte und bis zu 40% kostengünstigere Verkabelung. Neben den wirtschaftlichen Aspekten für die Hersteller müssen für die Verlegung keine Rohre oder Schächte mehr transportiert werden. Der Energieaufwand wird reduziert.

Ein Ausblick

In den Forschungslabors der Lapp Gruppe wird kontinuierlich an effizienteren Verbindungslösungen geforscht. Zwei der wichtigsten Themen, an denen im Moment geforscht wird und zu denen in den nächsten Jahren Standardprodukte auf den Markt kommen sollen, sind die Erhöhung der Leitfähigkeit und eine deutliche Reduktion der Dicke der Isolationsmaterialien.

Der Spezialist für Kabel- und Verbindungstechnik

Die Lapp Gruppe mit Sitz in Stuttgart ist einer der führenden Anbieter von integrierten Lösungen und Markenprodukten für Kabel- und Verbindungstechnik. Zum Portfolio der Gruppe gehören Kabel und hochflexible Leitungen, Industriesteckverbinder und Verschraubungstechnik, kundenindividuelle Konfektionslösungen, Automatisierungstechnik und technisches Zubehör. Zu ihren Kernmärkten zählen der Maschinen- und Anlagenbau sowie der Geräte- und Apparatebau. Wichtige Wachstumsbranchen sind die Bereiche Erneuerbare Energie, Mobility sowie Life Sciences. Die Unternehmensgruppe wurde 1959 gegründet und befindet sich bis heute vollständig in Familienbesitz. Im Geschäftsjahr 2010/11 erwirtschaftete sie einen konsolidierten Umsatz von 847 Mio. Euro. Lapp beschäftigt weltweit rund 3.000 Mitarbeiter, verfügt über 15 Fertigungsstandorte und 41 Vertriebsgesellschaften und kooperiert mit rund 100 Auslandsvertretungen. kf

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