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Analog Devices

Bürklin GmbH & Co. KG

RECOM Power GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Bessere Algorithmen liefern Ergebnisse schneller

Es lässt sich gut erkennen, dass Energieeffizienz in Systemen für die Fertigungsautomatisation ein mehrdimensionales Problem mit vielen Stellschrauben und Parametern darstellt. Analog Devices betrachtet daher vordringlich folgende Aspekte:

Erstens die Erhöhung des Durchsatzes im System bzw. der bearbeiteten Stückzahlen der Anlage pro Stunde. Dies erfordert neue Algorithmen, die in geringerer Rechenzeit Ergebnisse liefern, Positionierungszeiten der Werkzeuge verkürzen und höhere Geschwindigkeiten des Werkzeugkopfes ermöglichen.

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Zweitens in der Anwendung die bestmöglich Ausnutzung der Energie durch Stromsparmaßnahmen im gesamten Inverter oder Servoantrieb, der Reduktion von Verlusten im Bereitschaftsbetrieb, Ausnutzung der Bremsenergie und einer besseren Vernetzung der Prozessmodule innerhalb der Fertigungsanlage.

Dritter Fokus ist nicht nur die Entwicklung neuer Komponenten wie beispielsweise höher integrierte, leistungsfähigere und stromsparende Prozessoren. Auch neue Gate-Treiber stehen im Mittelpunkt, die in aktuellen Systemen arbeiten, aber speziell für neue Hochvolt-IGBTs ausgelegt sind und schließlich Komponenten für Active Front Ends zur Rückspeisung der Bremsenergie.

Betrachten wir die Möglichkeiten zur Verbesserung des Fertigungssystems nun etwas genauer: Bessere Algorithmen liefern schnellere Ergebnisse und können so den Durchsatz im System erhöhen, was den Energieaufwand pro Werkstück reduziert. Modell basiertes Design ermöglicht dabei die Simulation und die Optimierung der Parameter noch bevor aufwendige Messungen an der Hardware durchgeführt werden müssen.

Neue Reglerstrukturen kombinieren langsame aber hochpräzise Ergebnisse mit schnellen Anteilen geringerer Genauigkeit und erhöhen die Dynamik der Sprungantwort des Systems deutlich. Für einzelne Achsen gibt es bereits verschiedene Modelle; Analog Devices stellt solche auch für zwei unabhängige Achsen auf einem Prozessor zur Verfügung. Die Umsetzung des Modells in einen ausführbaren Programmcode des Embedded-Systems wird bei der Erstellung optimiert, sodass noch ausreichend Prozessor-Ressourcen für neue Ideen und Ansätze zur Verfügung stehen, wie etwadie Reduktion von Drehmomentschwankungen des Motors oder Vibrationsanalysen zur Vermeidung von Schwingungen.

Die schnellere Positionierung des Werkzeugkopfes erfordert deshalb genauere Eingangswerte bei höheren Abtastraten. Neue Analog-Digital-Umsetzer mit höheren Auflösungen ohne Verzerrungen (ENOB), sowohl mit sukzessiver Approximation (SAR) als auch in Sigma-Delta-Technologie, stehen dem Entwicklungsingenieur zur Verfügung.

Wichtig neben neuen Algorithmen ist aber auch die Leichtbauweise und Reduktion der Massenträgheit speziell im Kabelbaum: leichtere mobile Systeme können schneller gedreht oder verschoben werden. Zur Bewegung wird weniger Energie benötigt, was dünnere Kabel ermöglicht. Besser gesicherte Kommunikationsprotokolle und die Kommunikation auf Versorgungsleitungen ermöglichen einfachere, dünnere und nicht abgeschirmte Kabel, was zu weiteren Gewichtseinsparungen führt.

Früher benötigte lokale, ineffiziente Spannungsversorgungen können jetzt durch Fernspeisung des Feldgerätes ersetzt werden. Die industrielle Vernetzung der einzelnen Baugruppen mittels Industrial Ethernet reduziert den Verkabelungsaufwand deutlich und erlaubt höheren Datendurchsatz und Synchronisation des Systems. Die Erfassung zusätzlicher Messgrößen fällt leichter und die schnelle Weitergabe dieser Daten komplettiert den Einblick in den Zustand der Fertigungsanlage und reduziert so Stillstands- und Ausfallzeiten.

Die genannten Verbesserungen erlauben Strom zu sparen, allerdings steckt ein großer Verlustfaktor weiterhin im Inverter: Bereitschaftszeiten ohne Stromsparmaßnahmen verbrauchen viel Energie. Durch eine höhere und intelligente Integration des Fertigungssystems lassen sich Betriebszeiten mit hoher Aktivität richtig einplanen und in Zeiten des Nichtgebrauchs des Antriebs entsprechende Stromsparmechanismen aktivieren. Zusammen mit schneller schaltenden IGBTs und eingeschalteter Leistungsfaktorkorrektur verringern sich nicht nur die Wirkleistungsverluste, sondern auch Anteile von Blind und Scheinleistung, welche das Netz belasten und dickere Kabel erfordern.

Beschleunigte Elemente in der Fertigungsanlage müssen oft auch wieder abgebremst werden, um an der vorgesehenen Position zum Stehen zu kommen. In vielen Fällen wurde bisher ein Bremswiderstand eingeschaltet, der die Energie der Bewegung beim Abbremsen in Verlustwärme umsetzte. Der moderne Vier-Quadranten-Antrieb erlaubt ein schnelleres Abbremsen, produziert aber ohne Netzrückspeisung zusätzliche Verluste. Sogenannte Active Front Ends adressieren dieses Problem indem sie dem lokalen Versorgungsnetz die rückgewonnene Energie wieder zurückspeisen.

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