Quo vadis: Weiterentwicklung der Servoregler

Die Servoantriebstechnik ist derzeit die präziseste und energieeffizienteste Art, Massen kontrolliert zu bewegen. Unter diesen Gesichtspunkten ist der Einsatz von Servoreglern eine gute Lösung. Analysiert man die Antriebstechnik von Produktionsmaschinen detailliert, zeigt sich unmittelbar, dass in den meisten Fällen eine Koexistenz von hochgenauen beziehungsweise hochdynamischen und eher einfachen Bewegungsaufgaben vorliegt. Betrachtet man beispielsweise mechanische oder thermische Umformungsprozesse, Formatverstellungen in Druckmaschinen oder eine angegliederte Fördertechnik in Verpackungsmaschinen, steht man vor der Entscheidung, sie mit oder ohne Servoregler zu realisieren. Immer häufiger werden solche Aggregate aus Gründen der Durchgängigkeit der Automatisierungslösung ebenfalls mit Servoantrieben ausgeführt. Das liegt einerseits an der zunehmenden Gewichtung des Bewertungskriteriums im Evaluierungsprozess und andererseits an der Tatsache, dass die ökonomische Schere zwischen Servoreglern und Alternativprodukten wie Schrittmotoren und Frequenzumrichtern immer weiter zusammenklappt. Verstärkt wird diese Tendenz durch die rasante Weiterentwicklung der Servoregler, die sich immer weiter vom reinen Aktor hin zum Aktor mit integrierter Sensorik bewegen. Als einfaches Beispiel sei hier eine zunehmend genauere unterlagerte Kraft- bzw. Drehmomentmessung erwähnt. Dadurch entfallen zusätzliche Komponenten wie Kraftmessdosen. Das Produkt Acoposmulti von B&R ist unter diesen Gesichtspunkten entwickelt worden. Getrieben von der Idealvorstellung einer schaltschranklosen Maschine in Modulbauweise mit hoher Flexibilität finden sich am Markt unterschiedliche Konzepte. Alle haben das Ziel, der \’vollkommenen\’ Maschine so nah wie möglich zu kommen. Welche Trends sich daraus ableiten und welche Randbedingungen dabei zu berücksichtigen sind, wird im Folgenden diskutiert. Kosteneinsparung Die Kosteneinsparung durch Energieeffizienz gewinnt durch die gegenwärtige Entwicklung der Energiekosten immer mehr an Bedeutung. Betrachtet man zunächst nur den Antriebsstrang aus Servoregler, Motor und mechanischen Übertragungselementen, zeigt sich, dass der Servoregler erheblich zur effizienten Nutzung der elektrischen Energie beiträgt. Das geschieht einerseits durch den Aufbau der Hardware und andererseits durch die Softwarefunktionalität. Der Wirkungsgrad der Antriebe hat sich im Laufe der Zeit durch den Einsatz moderner Halbleiterschaltelemente, so genannte IGBTs, ständig verbessert. Nach wie vor dominieren jedoch die Verluste und die damit einhergehende Wärmeentwicklung die Schaltschrankdimensionierung. Abhilfe schafft hier die so genannte Cold-Plate-Kühltechnik von Acoposmulti. Sie transportiert die anfallende Verlustwärme mit Hilfe von Wasser aus dem Schaltschrank. Im einfachsten Fall wird die Wärmeenergie an die Umgebungsluft abgegeben oder in einen vorhandenen Kühlkreislauf eingespeist. Das entlastet die Fertigungshallen mit der anfallenden Verlustwärme der Antriebe. Der Gesamtwirkungsgrad dieser Anordnung ist signifikant höher als bei herkömmlichen Kühlaggregaten und somit energieeffizienter. Während herkömmliche Umrichter mit kleinem Total Power Factor (TPF) eine höhere Effektivstromaufnahme aufweisen und es dadurch zu unnötigen Verlusten in den Zuleitungen und Transformatoren kommt, sorgt die aktive Leistungsversorgung des Acoposmulti für die effiziente Nutzung der eingesetzten Energie. Alle Leistungsversorgungsmodule des Acoposmulti besitzen zudem die Fähigkeit der Netzrückspeisung und vermeiden dadurch eine Umwandlung kinetischer Bremsenergie in Wärme. Im Gegensatz zu konventionellen Geräten entfällt die durch Bremswiderstände verursachte Hitzeentwicklung völlig. Ein Aufwärmen des Schaltschrankes bzw. der Umgebung durch Bremsenergie wird durch die integrierte Netzrückspeisung elegant und umweltschonend vermieden. Ein nicht uninteressanter Faktor im Vergleich der TCOs von Anlagenbetreibern. Sicherheit als Systembestandteil Mittlerweile verfügen die am Markt befindlichen Servoregler über einfache Formen zertifizierter Sicherheitsfunktionen. Als Beispiel sei hier die Funktion \’Safe Torque off\’ (STO) erwähnt. Herkömmliche Geräte setzen auf verschleißbehaftete Lösungen wie Relais mit zwangsgeführten Kontakten. Moderne Antriebskonzepte wie Acoposmulti gehen hier den Weg einer verschleißfreien Realisierung. Damit bleiben Betätigungsintervalle im Sekundentakt, wie sie beim manuellen Einlegen von Teilen auftreten, ohne Folgen auf die Gerätelebensdauer. Nicht unwesentlich in diesem Zusammenhang ist die erreichte Sicherheitskategorie. Um für alle Aufgaben gerüstet zu sein, erreicht Acoposmulti das Performance Level e nach ISO13849-1 bzw. SIL3 nach EN61508 bzw. EN62061. Den Marktanforderungen entsprechend arbeiten die Hersteller von Servoreglern an umfassenden Sicherheitsfunktionen wie \’Sicherer Halt\’ und \’Sicherer Betriebshalt\’, \’Sicher begrenztes Schrittmaß\’ und \’Sichere begrenzte Absolutlage\’, \’Sicher begrenzte Geschwindigkeit\’ und \’Sichere Drehrichtung\’ (SS2, SLS, SBC). Diese Ansätze der Sicherheitstechnik haben schnelle Reaktionszeiten sowie offene und sichere Feldbusse. Dabei erfolgt das Aktivieren von Funktionen wie \’Sicher begrenzte Geschwindigkeit\’ (SLS) direkt über das Netzwerk. Eine Verdrahtung der sicherheitsrelevanten Signale zum Servoregler ist somit nicht mehr notwendig. Die Informationen werden über sichere digitale Ein- und Ausgänge dort gesammelt, wo sie entstehen. Dann werden sie über eine sichere Zentraleinheit, der Safe Logic, an die betroffenen Sensoren bzw. Aktoren, in diesem Fall den Servoregler, verteilt. Hierfür nutzt das Acoposmulti-Antriebssystem Powerlink Safety. Motek Halle 7 Stand 7505 Motorintegrierte Servoregler Beim Wunsch eines jeden Maschinenbauers, Motoren direkt, also ohne zusätzliche Komponenten, im Schaltschrank zu betreiben, handelt es sich wohl um die zukunftsweisendste Technik am Markt. Gängige Konzepte lagern den Servoregler in den Motor aus. Die Leistungsversorgung erfolgt klassisch im Schaltschrank. Derzeit ist das Angebot noch auf kleine Leistungen beschränkt, sodass abhängig von der notwendigen Leistungsbandbreite der eingesetzten Motoren diese Technik nur teilweise zum Einsatz kommen kann. Abhängig von den angewandten individuellen Bewertungskriterien gerät der Einsatz dieses aktuellen Standes der Technik zur Philosophiefrage. Direktantriebstechnik Der Paradigmenwechsel bei den Konstrukteuren von klassischen Motor-Getriebekombinationen hin zur Direktantriebstechnik ist in vollem Gange. Durch den Wegfall zusätzlicher mechanischer Übertragungselemente wie Getriebe oder Riemen sorgen sie für eine hohe Genauigkeit und verbessern den Wirkungsgrad. Doch die starre Verbindung ist nicht rückwirkungsfrei. Zwar ermöglicht sie häufig die direkte Beobachtung von Prozessgrößen ohne zusätzliche Sensorik, doch sämtliche unweigerlich vorhandenen Pendelmomente der Motoren werden ungefiltert in den Prozess eingeschleust. Moderne Servoregler wie Acoposmulti haben Verfahren, um die negativen Einflüsse zu kompensieren. Sie eignen sich daher hinsichtlich der Dynamik und Positioniergenauigkeit vor allem für den Einsatz von Direktantrieben, seien es Torque- bzw. Linearmotoren, bis hin zu ultradynamischen eisenlosen Linearmotoren. Aktor mit Sensorik Fortschrittliche Geräte leisten heute deutlich mehr als die einfache Messung eines Drehmoments. Vielfältige Prozessparameter können durch sensible Verfahren aus den im Servoregler vorhandenen Signalen gewonnen und damit überwacht werden. Gegen diesen Trend spricht das Bestreben mancher Hersteller, sämtliche Intelligenz aus dem Servoregler in die übergelagerte Steuerung zu stecken. Das ist zwar mit dem Kenntnisstand heutiger Technik möglich, aber man übersieht dabei leicht die technologische Weiterentwicklung. Moderne Servoregler tasten Signale im µs-Takt ab, analysieren sie in Echtzeit und reagieren sofort darauf. Betrachtet man neben den kommunizierten Abtastzeiten die nicht minder wichtigen Reaktionszeiten, erreichen auch die schnellsten derzeit am Markt befindlichen Netzwerke diese Geschwindigkeiten nicht. Preventive Maintenance Lückenlose Diagnose im gesamten Automatisierungsverbund ist der Schlüssel für eine schnelle Inbetriebnahme und einen effektiven Service. Klassisch werden Diagnosedaten \’post eventum\’ gesammelt. Zeitgemäße Servo­regler können zyklisch aufgezeichnete Daten beim Eintreten von Ereignissen zwischenspeichern und im Bedarfsfall auf sie zurückgreifen. Das ist ein unverzichtbarer Vorteil für einen raschen und nachhaltigen Service. Das Acoposmulti-Antriebssystem besitzt derartige Diagnosemöglichkeiten sowohl am Motorabgang als auch am Netzeingang. Dazu werden Daten über Strom- und Leistungsaufnahme, Wirkungsgrad der Maschine usw. erfasst und ausgewertet. Das ist nicht nur in den Zukunftsmärkten Asiens – mit ihren labilen Versorgungsnetzen – ein entscheidender Vorteil, um die Ursache für einen Anlagenstillstand sicher und schnell zu diagnostizieren. Die Entwicklung der so genannten \’intelligent maintenance\’, die heute bereits verfügbar ist, zur \’preventive maintenance\’ ist in vollem Gange. Erste Teilerfolge zeichnen sich ab, bis zur breiten Verfügbarkeit dieser Technologie sind jedoch noch einige Hürden zu nehmen. Automatisierungslösungen Ein Aspekt wurde bisher nicht berücksichtigt, da er einer gesamtheitlichen Betrachtung bedarf: Kunden wollen für ihre Automatisierungslösung möglichst einen Ansprechpartner. In diesem Fall sind die Verantwortlichkeiten klar geregelt. Weitere Synergieeffekte durch homogene Parametrier-, Programmier- und Diagnosewerkzeuge kommen hinzu. Kaum ein Hersteller tritt noch als reiner Anbieter von Servoreglern in Erscheinung. Dieser Trend ist inzwischen zu einem gewichtigen Entscheidungskriterium bei der Auswahl von Servoreglern herangewachsen und wird im Zuge der komplexer werdenden Aufgabenstellungen weiter an Bedeutung zunehmen.