Analog Tipp Motorsteuerungen für die vierte industrielle Revolution

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Wie entwickeln sich Motorsteuerungs-Architekturen und ihre Funktionen weiter, um den Bedürfnissen der Industrie 4.0 zu entsprechen? Das reicht von einfachen, nur mit dem Netz verbundenen Motoren bis hin zu komplexen mehrachsigen Servo-Antriebslösungen.

Für die Industrie ist eine agile Fertigung mit rekonfigurierbaren Produktionslinien nötig, da geringe Volumina mit hoher Produktvielfalt notwendig werden. Komplexe, sich ständig wiederholende und häufig gefährliche Tätigkeiten können von industriellen und kollaborativen Robotern (Cobots) erledigt werden.

Dieser Wandel im Produktionsmuster hat zu einem gesteigerten Bedarf nach komplexerer kundenspezifisch anpassbarer, autonomer und intelligenter Automatisierungs-Hardware im Herzen der Motorsteuerungssysteme geführt. Systeme wie Förderbänder und Handhabungsmaschinen müssen smarter werden, mehr Bewegungsachsen besitzen sowie schnell und einfach wieder neu zu konfigurieren sein.

Drehzahlregelungen können Zugriff auf Maschinendaten in Form von Spannungen, Strömen, Position, Temperatur, Leistung und Energieverbrauch liefern, kombiniert mit externen Sensoren zur Überwachung von Vibrationen und weiteren Prozessvariablen. Mit einem konvergierten IT/OT-Ethernet-Netzwerk sind Einblicke durch den Zugriff auf Motor- und Maschinendaten einfacher möglich und können mit leistungsstarkem Cloud-Computing und Künstlicher Intelligenz analysiert werden.

Damit werden die Produktionsabläufe optimiert und der aktuelle „Gesundheitszustand“ der Geräte in der gesamten Produktionsanlage überwacht. Diese Optimierung des Fertigungsflusses reduziert zudem noch den Energieverbrauch in einer smarten Fertigung.

Bei Bewegungssteuerungssystemen werden gemischte Ethernet-Kommunikationsprotokolle allmählich von TSN-Systemen (Time-Sensitive Network) abgelöst.

Moderne Produktionsanlagen enthalten eine Mischung aus einfacheren und komplexeren Motorsteuerungssystemen (Bild 1). In ihnen werden einfache mit dem Netz verbundene Wechselrichter immer mehr durch vernetzte und mit integrierten Sensoren ausgestattete synchronisierte Systeme ersetzt.

Mit dem Stromnetz verbundener Motor: Diese grundlegende Bewegungssteuerung läuft mit einer relativ festen Drehzahl. Echte Applikationen mit einer festen Drehzahl sind in der Industrie aber sehr begrenzt. Sie werden jedoch weiter in Situationen eingesetzt, in denen der Motorbetrieb nur periodisch erfolgt und die Kosten für einen regelbaren Antrieb nicht gerechtfertigt sind (z.B. periodisch genutzte Lüfter, Pumpen, Ventile und Aktoren, die alle nur einen geringen Leistungsbedarf haben).

Umrichtergespeiste Motoren: Das Hinzufügen eines einfachen Frequenzumrichters zur Motorsteuerung erlaubt eine signifikante Verminderung des Energieverbrauchs, weil der Motor immer mit der optimalen Drehzahl für die angeschlossene Last und die Anwendung läuft. Pumpen, Lüfter, Gebläse und größere Steuerungssysteme wie Arbeitsplattformen sind typische Applikationen.

Regelbare Antriebe: Für Bewegungssteuerungen mit höherer Leistung erlaubt ein regelbarer Antrieb die akkurate Steuerung von Drehmoment, Drehzahl und Position. Um dies zu erzielen, sind Strom- und Positionsmessungen dem Frequenzumrichter hinzugefügt. Förderbänder, Wickel-, Druck- und Extrusionsanlagen sind typische Beispiele, die einen regelbaren Antrieb benötigen.

Servo-Antriebe: Synchronisierte Mehrachsen-Servo-Antriebe werden in den meisten komplexen Antriebsapplikationen eingesetzt. Werkzeugmaschinen und CNC-Maschinen erfordern die Synchronisation mehrerer Achsen, mit einer extrem genauen Rückmeldung der Position. Präzisionsbearbeitungs-Maschinen und die additive Fertigung sind Schlüsselanwendungen für Mehrachsen-Servo-Antriebe.

Industrielle Roboter/Cobots/Mobile Roboter: Industrielle Roboter benötigen Mehrachsen-Servo-Antriebe, kombiniert mit mechanischer Integration und fortschrittlichen Maschinensteuerungs-Algorithmen, um eine komplexe räumliche 3-D-Positionierung zu erzielen. Kollaborative Roboter (Cobots), die auf den industriellen Robotern aufbauen und zusätzlich Leistungs- und Kraftbegrenzungs- (PFL = Power and Force Limiting) sowie Sicherheitsfunktionen verwenden, erlauben es, dass ein Mitarbeiter sicher zusammen mit dem Roboter arbeiten kann.

Mobile Roboter haben zusätzlich noch eine Lokalisierungserkennung und Kollisionsvermeidung. Die Anwendungen, die von Robotersystemen ausgeführt werden, wachsen ständig, angefangen bei der traditionellen Automobil-Produktion über die Handhabung, Palettierung, Pick-and-Place bis hin zu Verpackung und Logistik. (kr)

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