Frequenzumrichter Wie Arduino Open-Source-Werte in maximale Motoreffizienz umwandelt

Anbieter zum Thema

Farnell GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die Effizienz von Elektromotoren und zugehörigen Geräten zu optimieren, bietet eine großartige Chance für Energieeinsparungen und reduziert dabei nicht nur die Betriebskosten, sondern auch den CO₂-Fußabdruck.

Einerseits machen Elektromotorsysteme, die oft veraltet und ineffizient sind, einen erheblichen Anteil von 70 Prozent des Stromverbrauchs in Branchen aus, die auf Motoren und Antriebe angewiesen sind. Andererseits hat die Internationale Energieagentur (IEA) betont, dass eine über 40-prozentige Reduktion der Treibhausgasemissionen, die zur Einhaltung des Übereinkommens von Paris bis 2040 und zur Erreichung der Klimaziele erforderlich ist, durch verbesserte Energieeffizienzmaßnahmen erzielt werden kann. Angesichts der Abermillionen von motorgetriebenen Systemen, die derzeit in verschiedenen Branchen weltweit verwendet werden, können die positiven Auswirkungen von Anlagen mit höherem Wirkungsgrad nicht außer Acht gelassen werden.

Frequenzumrichter und die Zukunft der Effizienz

Frequenzumrichter (FUs) treiben Elektromotoren an, indem sie die Frequenz und Spannung der Stromversorgung variieren. Sie sind in der Fertigungsstätte nunmehr sehr häufig anzutreffen – überall ist die Variation von Motordrehzahlen unerlässlich, z. B. bei Pumpen, Ventilatoren und Fördersystemen. Diese Arten von Steuerungen, die sich mit Schwerpunkt auf Energieeffizienz kontinuierlich weiterentwickeln, werden mit fortschrittlichen Algorithmen und Funktionen ausgestattet, welche ihre Präzision und Flexibilität verbessern. Die bessere Überwachung und Steuerung von Drehzahl, Drehmoment und Gesamtleistung des Motors führen zu einer höheren Effizienz und einem niedrigeren Verbrauch sowie zu einem geringeren Verschleiß im Laufe der Zeit. All dies trägt zur Optimierung der Motorleistung und zur Senkung der Betriebskosten bei.

Darüber hinaus spielen FUs im industriellen Internet der Dinge (IIoT) mit Industrie 4.0- und Industrie-5.0-Systemen, die Fernüberwachung, Echtzeitanalysen und vorausschauende Wartung ermöglichen, eine immer wichtigere Rolle. Die von FUs erfassten Daten können somit dazu verwendet werden, die Leistung und Zuverlässigkeit des Systems insgesamt weiter zu verbessern. Und da Cybersicherheit ein kritischer Punkt für jedes vernetzte oder intelligente Industriesystem ist, werden Strategien wie Verschlüsselung, Authentifizierungsprotokolle und andere Maßnahmen umfassend umgesetzt, damit die Integrität und Vertraulichkeit der zwischen FUs und Steuersystemen ausgetauschten Daten gewährleistet ist.

Schließlich wird die Integration von FUs in bestehende Systeme durch Upgrades oder Erweiterungen immer einfacher, da Hersteller modulare und skalierbare FU-Designs entwickeln, die mehr Flexibilität bei der Konfiguration bieten und große und kleine Unternehmen dabei unterstützen, sich auch in Zukunft an sich ändernde Anforderungen anzupassen.

Wenn FUs und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSen) in industriellen Automatisierungssystemen zusammenarbeiten, können verschiedene Prozesse und Komponenten überwacht und so gesteuert werden, dass der Betrieb möglichst effizient und zuverlässig läuft. Dabei werden Daten, die von Sensoren am Netzwerkrand, Steuersignalen und Rückkopplungsschleifen stammen, für Anpassungen und Optimierungen in Echtzeit genutzt. Darüber hinaus können SPSen von FUs stammende Daten verarbeiten und potenzielle Probleme identifizieren, bevor diese zu Ressourcenverschwendung und ungeplanten Ausfallzeiten führen.

AROL stoppt Ressourcenverschwendung

Genau das war das Ziel, das AROL – ein Hersteller von Verschließmaschinen mit Sitz in Canelli, Italien, mit derzeit über 25.000 installierten Geräten weltweit – erreichen wollte. Bei Produktionslinien, die bis zu 100.000 Flaschen pro Stunde verarbeiten, ist die Aufrechterhaltung der Geschwindigkeit und der kontinuierlichen Zuverlässigkeit ihrer Maschinen für den Betrieb von entscheidender Bedeutung. Alle Störungen oder ungeplanten Ausfallzeiten wirken sich nachteilig auf die Erfüllung von Produktionsquoten aus und sind kostspielig für die Kunden des Unternehmens.

Daher hat sich das F&E-Team von AROL dazu entschieden, diagnostische, prognostische und vorausschauende Wartungsfunktionen in eine intelligente Lösung zu integrieren, die in der Lage ist, Daten von industriellen Geräten und der Umgebung zu sammeln, und ein Maschinenüberwachungssystem zu erstellen, das auf drahtlosen Fernsensoren basiert, welche mit Batterie oder 24 V betrieben werden können.

Das Projekt war mit besonderen Herausforderungen verbunden, da es notwendig war, die Sensorknoten in rotierenden Verschlusstürmen zu montieren. Sie mussten auf kleinem Raum untergebracht werden, während die Verbindung mit der Kommunikationseinheit an der Basis der Linie erhalten bleiben musste. Außerdem musste ein Teil der Datenverarbeitung am Netzwerkrand durchgeführt werden, um eine Überlastung des Zentralsystems zu verhindern. Und natürlich musste die aufgerüstete Verschließmaschine smart gemacht werden, ohne wesentlich mehr zu kosten.

Zum Glück war eine Lösung verfügbar: Die Nutzung von Nicla Sense ME und der Portenta Maschinensteuerung (Machine Control) von Arduino Pro hat AROL dabei geholfen, eine funktionierende Lösung schneller voranzutreiben. Die Lösung sollte eine Herstellerbindung vollständig vermeiden und gleichzeitig die High-Speed-Produktionsanlagen des Unternehmens aufrüsten, sodass Datenüberwachung und Ergebnisse für die vorausschauende Wartung möglich sind.

Nicht weniger als 15 Verschlusstürme wurden jeweils mit einem Nicla Sense ME ausgestattet. Dank hochmoderner Sensoren von Bosch Sensortec bietet das System eine Vibrations- und Temperaturerfassung sowie die erforderliche Rechenleistung, um einen Teil der Daten direkt auf der Ebene der Sensorknoten zu verarbeiten. An der Basis der Maschine wurde eine Portenta Maschinensteuerung einfach auf einer DIN-Schiene montiert, wodurch die Kommunikation mit allen Sensoren über Bluetooth® gebündelt wurde.

Nicla Sense ME und Portenta-Steuerung

Das Nicla Sense ME von Arduino Pro (wobei „ME“ für „Motion“ (Bewegung) und „Environment“ (Umgebung) steht) ist ein kompaktes Modul, das mit einem intelligenten 9DoF-Bewegungssensor und einem 4DoF-Umgebungssensor mit KI-Funktionen Sensorik und Intelligenz an den Netzwerkrand bringt. Dank seiner hohen Rechenleistung reduziert das Modul die Latenzzeit und den Stromverbrauch, bietet mehr Datenschutz und benötigt weniger Bandbreite und das alles auf kleinstem Raum.

Die Maschinensteuerung Portenta von Arduino Pro ist ein vollständig zentralisiertes, stromsparendes industrielles Steuergerät zum Ansteuern von Geräten und Maschinen – ein „Gehirn“, das mit dem Arduino-Framework oder anderen Embedded-Entwicklungsplattformen mit dem Ziel programmiert werden kann, Echtzeitdaten von der Fertigungsstätte zu sammeln und die Fernsteuerung von Geräten zu unterstützen, bei Bedarf sogar aus der Cloud.

Im Fall von AROL war die Portenta aufgrund ihrer 32 Ein-/Ausgänge die beste Wahl, während weniger gegliederte Systeme von der besseren Flexibilität der neuen Opta Mikro-SPS-Lösungen von Arduino Pro profitieren können. Beide basieren auf demselben Dual ARM Cortex-Prozessor STM32H747XI und sind mit C++ in Arduino-Sketches programmierbar. Außerdem bieten sie die Flexibilität, eine oder alle der 5 traditionellen Automatisierungssteuerungssprachen, die durch die IEC 61131-3 definiert sind (Kontaktplan, Funktionsbausteinsprache, strukturierter Text, Ablaufsprache oder Anweisungsliste), zu integrieren.

Vorteil einer Open-Source-Lösung

Der Open-Source-Ansatz von Arduino für Software und Hardware hebt das Unternehmen von allen anderen Akteuren im Technologiebereich ab. Was als philosophische Haltung begonnen hat, hat sich im Laufe der Zeit zur Quelle einer Vielzahl von Geschäftsvorteilen für professionelle Kunden auf der ganzen Welt entwickelt.

Wenn es um Herstellerunabhängigkeit, eine größere Interoperabilität und einen reduzierten Energieverbrauch geht, kann beispielsweise die Wahl der Produkte von Arduino die Effizienz einer Lösung dank des starken Fokus des Unternehmens auf Optionen mit geringem Verbrauch und kleinem Formfaktor weiter steigern. Die gesamte Nicla-Produktfamilie bringt zum Beispiel industrietaugliche Sensoren und Rechenleistung auf nur 22,86 mm x 22,86 mm (etwa die Größe eines Daumens!) unter.

Darüber hinaus macht das Angebot von Arduino Edge-Computing allgemein verfügbar. Die Verarbeitung von Daten am Ort des Geschehens ermöglicht die Art von Echtzeitüberwachung und -steuerung, von der wir gesehen haben, dass sie einen Unterschied für die Effizienz eines Systems machen kann. An und für sich trägt sie auch dazu bei, Energie direkt zu sparen, indem sie die an die Cloud gesendeten Daten reduziert und dadurch die Kosten für die Cloud-Nutzung senkt. Durch den Rückgriff auf das Ökosystem von Arduino und die offene Architektur wird Edge-Computing erschwinglicher – dank kostengünstiger Lösungen, welche die Stückliste optimieren – und zugänglicher für Entwickler, die von großer Benutzerfreundlichkeit, umfangreicher öffentlicher Dokumentation und Ressourcen sowie einer Vielzahl möglicher Programmiersprachen profitieren.

Im Allgemeinen entsprechen Produkte von Arduino weit verbreiteten Industrienormen. Außerdem fördern sie die Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräten und Systemen. Dies wiederum sorgt für eine bessere Kompatibilität und vermeidet Anbieterbindungen. Auf diese Weise wird eine Open-Source-Lösung zukunftssicher.

Die Flexibilität und die Möglichkeit zur Anpassung von Open-Source-Lösungen können besonders wertvoll sein, wenn FUs und SPS-Fähigkeiten in komplexe Automatisierungssysteme integriert werden, da sie die Feinabstimmung von Steuerungsalgorithmen, Schnittstellen und mehr ermöglichen. Dadurch ist es möglich, spezifische Projektanforderungen zu erfüllen und sich an einzigartige industrielle Prozesse anzupassen.

Wo Sicherheit und Zuverlässigkeit Priorität haben, können Open-Source-Lösungen mehr Transparenz bieten: Dadurch sind Entwickler in der Lage, Schwachstellen schneller zu identifizieren und zu beheben. Die Produkte von Arduino werden strengen Qualitätskontrollen unterzogen und nach höchsten Standards getestet. Die SPS Arduino Pro Opta wurde beispielsweise vor Kurzem einer Cybersicherheitsbewertung unterzogen, was zu Upgrades geführt hat, die sie zuverlässiger denn je machen.

Nicht zuletzt bedeutet die Wahl von Open-Source-Technologie für Motorsteuerungslösungen, Zugriff auf einen Pool an Know-how und Unterstützung von einer dynamischen Community zu erhalten – im Fall von Arduino sind das über 33 Millionen aktive Nutzer. Dies kann zu einer schnelleren Problemlösung, kontinuierlicher Verbesserung und der Verfügbarkeit einer Vielzahl von Ressourcen führen, einschließlich Foren, Dokumentation und beigesteuertem Code.

Unabhängig davon, ob Energieeinsparungen eine wichtige allgemeine Strategie zur Bekämpfung des Klimawandels oder eine Notwendigkeit zur Kostensenkung und Erhaltung des eigenen Wettbewerbsvorteils sind – die Optimierung der Motoreffizienz mit FUs in Kombination mit Steuerungen von Arduino bietet unter dem Strich eine Vielzahl von Vorteilen, die Sie nicht ungenutzt lassen sollten. (mk)

(ID:49984154)