Bereits in der Antike setzten die Menschen auf mechanische Systeme. Noch heute kommen in Produktionsanlagen häufig mechanische Kraftübertragung und Bewegungskoordination zum Einsatz – die Basis für kostengünstige und leistungsfähige Maschinen. Komplexe Bewegungssteuerungen erfordern allerdings einen extrem hohen mechanischen Aufwand. Zudem unterliegen mechanische Systeme einem gewissen Verschleiß, das Spiel der Komponenten nimmt zu. Ein weiterer Nachteil rein mechanischer Systeme liegt in der geringen Flexibilität, die heute allerdings eine der wesentlichen Forderungen an moderne Produktionstechnik ist. Zudem erfordern sie meist einen höheren Umbauaufwand, was wirtschaftlich eine Umstellung für verschiedene Produkte in nur geringem Maße sinnvoll macht. Moderne Produktionssysteme für höchste Leistung und maximale Flexibilität benötigen andere Techniken und Verfahren. Gesucht ist eine möglichst kostengünstige Lösung, mit der sich verschiedene Antriebsaufgaben umsetzen lassen. In vielen Fällen reichen dafür Standardprodukte der Komponentenhersteller. Anlagenbauer und Betreiber planen ihre Anlage um diese Komponenten herum, da diese aufgrund höherer Stückzahlen meist kosteneffektiver sind. Unter bestimmten Bedingungen jedoch kann es zahlreiche Vorteile bringen, die Anlage anzupassen oder eine spezielle Komponente zu entwickeln. Häufig lassen sich Standardkomponenten, wie Frequenzumrichter, einfach und schnell in die Anlage integrieren. Sie garantieren eine einfache Beschaffung sowie eine hohe Kosteneffizienz. Das Inbetriebnahme- und Servicepersonal ist meist mit den Komponenten vertraut, sodass zusätzlicher Schulungsaufwand entfällt. Globale Lieferanten wie Danfoss stellen ein weltweites Netz an kompetenten Servicemitarbeitern und eine gute Versorgung mit Ersatzteilen sicher. Auch Standardkomponenten können heute begrenzt individuell an die jeweilige Anwendung angepasst werden, ebenso wie Motoren in gewissen Grenzen an die jeweilige Kundenapplikation angepasst sein können. Die Übergänge zwischen standard- und kundenspezifischen Antriebslösungen sind heute fließend.
Kundenspezifischer Antrieb? – Wirtschaftlichkeit entscheidet
Lassen sich Standardkomponenten nicht ausreichend anpassen, um die geforderte Antriebslösung wirtschaftlich oder technisch umzusetzen, kann eventuell die Entwicklung einer kundenspezifischen Lösung helfen. So kommen in der Automation immer häufiger leistungsfähige Kompaktantriebe zum Einsatz. Es sind meist kleinere Komplettsysteme bestehend aus Motortechnik, moderner Steuerelektronik und der notwendigen Sensorik. Sie rechnen sich allerdings erst ab einer bestimmten Stückzahl oder bei ganz speziellen Anforderungen, die den hohen Aufwand für die Entwicklung rechtfertigen. Ausschlaggebend für die Entscheidung für oder gegen einen kundenspezifischen Antrieb ist letztendlich der Wert des daraus generierten Kundennutzens, das heißt der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. So sind die Mehraufwendungen der kundenspezifischen Lösung gegenüber ihren Vorteilen genau abzuwägen. Entscheidend sind dabei Faktoren wie Entwicklungs- und Materialkosten, Energiepreise, Installations- und Inbetriebnahmeaufwendungen, Servicekosten und Ausfallsicherheit, aber auch nicht monetäre Vorteile wie die Erhöhung der Bedienerfreundlichkeit, Verbesserung des Designs oder eine Reduzierung der Baugröße. Wichtig ist die Wahl eines kompetenten Partners, der möglichst alle Komponenten entwickeln, produzieren und montieren kann. Dies gewährleistet eine vollständige Kontrolle über alle Prozesse und die Qualität. Bei international agierenden Firmen sollte auch der Lieferant global aufgestellt sein, um Service und Ersatzteilversorgung auf allen relevanten Märkten sicherzustellen.
Komplexität trifft variable Achsenanzahl und modulare Maschinenstruktur
Kompaktantriebe sind Antriebssysteme, die Motor und Antriebselektronik in einem Gehäuse zu einer Einheit verbinden. Sie kommen vor allem bei mehreren Achsen oder komplexen Bewegungsabläufen zum Einsatz. Lässt die Maschine oder Anlage eine Dezentralisierung der Antriebstechnik zu, kommen verkürzte Montagezeiten sowie Platz- und Kostenersparnis voll zum Tragen. Arbeiten die Kompaktantriebe mit permanent erregtem Synchronmotor als Direktantrieb entfällt auch das Getriebe. Auch für die Energieeffizienz leistet diese Art der Kompaktantriebe aufgrund ihrer guten Energiebilanz einen wesentlichen Beitrag. Permanenterregte Synchronmaschinen (PM) bieten sehr gute elektrische Eigenschaften, da der volle Motorstrom für die Momentenbildung zur Verfügung steht. Wesentlich ist auch die Automatisierungstopologie der Maschine oder Anlage. Kompaktantriebe machen nur da Sinn, wo hohe Komplexität auf eine variable Anzahl der Achsen und eine modulare Maschinenstruktur trifft. Danfoss bietet mit dem ISD410 ein solches System mit am Motor integrierter Steuerelektronik an, das eine hohe Flexibilität, schnelle Montage und robuste Antriebe bietet. Komplexe Bewegungsabläufe müssen für eine autonome Abarbeitung durch die Antriebe mathematisch beschrieben sein. Dies geschieht meist durch die Implementierung von mathematischen Spline-Funktionen höherer Ordnung. Die Kurvenform ergibt sich dabei aus den Koeffizienten für diese Funktionen, die schnell und einfach an die Steuerung des Servos zu übertragen sind. Ein Vorteil der komplett in die lokale Steuerung des Kompaktantriebes implementierten Bewegungssteuerung ist somit die Entlastung des Bussystems.Ein typisches Steuerungssystem besteht aus einem Embedded und meist einem Touchpad für eine einfache Dateneingabe. Dazu kommen die notwendigen Schnittstellen für die Kommunikation mit der Programmierplattform, die standardmäßig mittels IEC 61131-3 zu programmieren sein sollte. Danfoss setzt in seinem System auf einen Embedded-Power-PC mit dieser Programmiersprache und wahlweise einem Touchscreen. Optimal ist, wenn bereits innerhalb der Software grundlegende Funktionen wie das Lesen und Schreiben von Nachrichten zu den einzelnen Antrieben in Bausteinbibliotheken hinterlegt sind. Der Anwender ruft diese Funktionen in seiner Applikation auf und übergibt lediglich die Ein- und Ausgangsvariablen der Funktionen.
Gute Zukunftsaussichten für integrierte Servotechnik
Eine sehr günstige Variante für eine effiziente Ansteuerung stellt der CAN-Bus dar. Viele Controller haben eine CAN-Bus-Schnittstelle direkt integriert. Ein weiterer Aspekt ist die hohe Verfügbarkeit von CAN-Bus-Knoten in der Automatisierungstechnik. Durch die genormte Schnittstelle CAN Open DS 402 ist die Adaption an vorhandene Steuerungen mit wenig Aufwand zu realisieren. Im besten Fall ist der Kommunikationsaufwand innerhalb des Systems gering und die Netzlast niedrig, da die integrierte Intelligenz bei Kompaktantrieben nur die Übertragung kleiner Datenpakete mit einem Leitwert erfordert. Wichtig ist auch die Verdrahtung von Steuer- und Leistungskabeln. Ideal ist, wenn die Lösung bereits fertig konfektionierte Kabel bietet, die ein Durchschleifen von Versorgungs- und Steuerdrähten erlauben. So können eingesetzte Kompaktantriebe schnell und auch effektiv strangweise angeschlossen, gegen Überstrom abgesichert und über ein Hybridkabel mit dem übergeordneten Leitsystem verkabelt werden.Kompaktservos mit integrierter Bewegungssteuerung bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlicher Antriebstechnik. Vor allem bei Gruppen von Antrieben in Maschinen oder Anlagenteilen verfügt das System über ein sehr gutes Preis-/Leistungsverhältnis. Zudem lassen sich mit einem solchen dezentralen Konzept mit integrierten Kompaktantrieben auch komplexe Bewegungsabläufe flexibel steuern. Doch wenn die benötigte Leistung im Kompaktservo zu groß wird, sind auch den integrierten Lösungen Grenzen gesetzt. Denn wie bei jeder Innovation gilt: Soll diese realisiert werden, muss sie entscheidende wirtschaftliche oder aber technische Vorteile bringen. Daher wird sich die integrierte Servotechnik in jedem Fall innerhalb der Antriebstechnik etablieren und bietet schon heute einen interessanten Lösungsansatz für Applikationen mit zahlreichen Achsen mit flexiblen Aufgaben.☐
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