Trendinterview: Intelligente Frequenzumrichter ersetzen die SPS

Trendinterview: Antriebssysteme als integraler Bestandteil der Industrie 4.0

Frequenzumrichter Trendinterview: Intelligente Frequenzumrichter ersetzen mittelfristig die SPS

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Im zweiten Teil der Trendbefragung der elektro AUTOMATION erläutern die Branchenexperten welche Rolle Kommunikationsprotokolle wie OPC UA TSN bei der technischen Entwicklung von Frequenzumrichtern spielen und erörtern, ob Umrichter mittelfristig die Steuerungsebene überflüssig machen und Steuerungsaufgaben dezentral übernehmen werden.

Interview: Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur elektro AUTOMATION

elektro AUTOMATION: Die Digitalisierung verlangt zwingend nach einer Kommunikation zwischen Produkten, Systemen und Maschinen. Klassischerweise erfolgt dies bei Frequenzumrichtern über diverse Feldbussysteme. Welche Rolle spielt diesbezüglich OPC UA TSN – das sich nach neuesten Erkenntnissen durchaus auch für die Antriebssynchronisation eignet?

Torsten Blankenburg (Sieb & Meyer): Der mit OPC UA TSN begonnene Weg geht in die richtige Richtung, da hierdurch eine deterministische Datenkommunikation auf OPC UA-Basis möglich ist. Zusätzlich bleibt jedoch weiterhin die Herausforderung standardisierte Datenmodelle für spezifische Geräteklassen zu definieren, sodass ein herstellerunabhängiger Datenaustausch ohne aufwendige Protokollanpassungen möglich ist.

Michael Burghardt (Danfoss Drives Deutschland): Für die Kommunikation hat OPC UA das Potenzial, eines der kommenden Schlüsselprotokolle zu werden. Wir unterstützen die Entwicklung aktiv. TSN wird aus unserer Sicht in dem Kontext eine wichtige Rolle spielen.

Davide Cesaretti (Lenze): Bei Frequenzumrichtern spielt TSN vorerst eine untergeordnete Rolle, da wir die Performance, die TSN bietet, in den typischen Umrichter-Applikationen eigentlich nicht benötigen. Auch ist im Bereich OPC-UA TSN noch sehr viel in Bewegung. Für uns ist entscheidend, dass unsere Umrichter in der Lage sind, in einer OPC-UA TSN-Umgebung zu funktionieren. Was sich jedoch durchsetzen wird, ist OPC-UA als standardisierte Schnittstelle in die IoT-Welt. Heute spricht man bereits von OPC-UA bis zum Sensor Level.

Fred Donabauer (ABB): ABB hat sich mit Herstellern von Automatisierungs- und Informationstechnologie verständigt, OPC UA TSN als einheitliches Protokoll für die Kommunikation im industriellen Internet der Dinge bis zur Steuerungsebene zu forcieren. Diese auf offenen Standards basierende Lösung ermöglicht, dass in industriellen Anwendungen die Geräte unterschiedlicher Hersteller vollständig kompatibel zueinander sind. Die Partnerunternehmen streben an, OPC UA TSN in künftigen Produktgenerationen zu unterstützen.

Alberto Fuentes (Omron): Die Controller von Omron sind standardmäßig für den Einsatz in Ethercat-Netzwerken vorgesehen und unterstützen zudem auch OPC-UA-Funktionen. Anstatt unsere Komponenten alle für OPC-UA via TSN aufzurüsten, arbeiten wir derzeit an einer Gesamtlösung auf übergeordneter Ebene. Denn in unseren Controllern werden alle Daten von verschiedenen Komponenten wie etwa Frequenzumrichtern durch unsere Automatisierungsplattform SYSMAC mit höherer Netzwerkgeschwindigkeit und einfacherer Konfiguration erfasst, ohne dass spezielle Ethercat-Switches erforderlich sind. Dieses Verfahren ähnelt vielen Sensoren wie beispielsweise Smart Swatch, die uns heute im Alltag begleiten. Sie haben keinen direkten Zugang zum Internet, aber sie verbinden sich mit Smartphones und diese sorgen dafür, dass die Informationen an Cloud-Dienste gesendet werden.

Henning Höhnert (Siemens): Siemens setzt bereits auf den sich rasant ausbreitenden offenen Kommunikationsstandard Industrial Ethernet – mit Profinet auf Feldebene und OPC UA ab der Steuerungsebene. Aber Siemens geht dabei noch einen Schritt weiter: mit dem Ethernet-basierten TSN für reservierte Bandbreiten, Quality-of-Service-Mechanismen, eine geringe Übertragungslatenz und gleichzeitige Übertragung mehrerer Protokolle, die auch echtzeitfähig sein können, in industriellen Netzwerken. TSN ermöglicht eine noch robustere und zuverlässigere Ethernet-Kommunikation zwischen Maschinen und Anlagen auch unter hoher Netzwerklast.

Andreas Kling (LTI Motion): OPC UA TSN stellt prinzipiell eine interessante Technologie dar, mit der wir uns aktiv beschäftigen. Für die Integration auf Feldebene ist es allerdings noch zu früh. Eine Akzeptanz auf der Feldebene ist erst dann zu erwarten, wenn es definierte Geräteprofile gibt. Nicht alle heute eingesetzten Kommunikationschips sind TSN-fähig. Hier sind also Redesigns erforderlich, was die Ausbreitungsgeschwindigkeit zusätzlich reduzieren, den Einsatz von OPC UA TSN in der Feldebene aber nicht aufhalten wird.

Matthias Kummert (Bosch Rexroth): Bosch Rexroth setzt konsequent auf offene Standards und deckt mit der Multi-Ethernet-Schnittstelle bei den Frequenzumrichtern die gebräuchlichsten Ethernet-Protokolle in der Automatisierung ab. Der Anwender wählt das entsprechende Protokoll einfach in der Software aus. Zukünftig wird Bosch Rexroth auch OPC UA TSN auf Antriebsebene unterstützen. Dieser Standard wird in der Fabrik der Zukunft eine große Bedeutung bei der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation haben und den nahtlosen Datenfluss vom Aktor bis in die Cloud übernehmen.

Thomas Peters (KEB Automation): OPC UA TSN ist meiner Ansicht nach wichtig, um eine herstellerneutrale und interoperable Lösung im Bereich der Kommunikation zu stärken. So können Daten in der industriellen Produktion mit einem einheitlichen, offenen Standard übertragen werden. Für welche Applikationen im Bereich der Antriebstechnik sich diese Übertragung eignet, muss sich später in der Praxis zeigen.

Niels Wessel (Schneider Electric): OPC UA TSN spielt eine entscheidende Rolle für die Zukunft der Kommunikation von Komponenten untereinander. Diese wird dadurch einheitlich und deterministisch: Daten jeglicher Art – egal ob zeitkritisch oder nicht – können über dasselbe physikalische Transportmedium, also Ethernet, transportiert werden.

Karlheinz Wirsching (Baumüller): Für die Kommunikation sehen wir einen Trend bei OPC UA. Die neue Technologie OPC UA TSN eignet sich jedoch eher für einfache Anwendungen in der Antriebssynchronisation wie Förderbänder. Für komplexe Anwendungen – wie z.B. Wickler, Gantry-Achse, Robotik – bieten nach aktuellem Stand auch weiterhin nur die Ethernet-basierten Feldbussysteme wie Ethercat den Vorteil, dass sie die hohen Genauigkeiten und Synchronitäten gewährleisten, die der Prozess der Maschine erfordert.

elektro AUTOMATION: Im Rahmen von Industrie 4.0 werden auch Frequenzumrichter „intelligenter“. Ist es denkbar, das Umrichter in absehbarer Zeit die Steuerungsebene überflüssig machen und Steuerungsaufgaben dezentral übernehmen?

Blankenburg (Sieb & Meyer): Auch hier bei diesem Thema ist eine Betrachtung spezifischer Anwendungsfelder notwendig. Wie im Fall unserer Antriebsplattform SD3, kann die zur Verfügung stehende Rechenleistung zur Realisierung von lokalen beziehungsweise dezentralen Steuerungsaufgaben perfekt genutzt werden, sodass auf eine übergeordnete SPS, z.B. im Anwendungsbereich der Schraubtechnik, verzichtet werden kann. Ein kompletter Verzicht einer übergeordneten Steuerungsebene durch die ausschließliche Nutzung dezentraler Steuerungskapazitäten ist aus meiner Sicht vorerst aufgrund der damit verbundenen Komplexität bei der Systemprojektierung und -wartung jedoch in Frage zu stellen.

Burghardt (Danfoss Drives Deutschland): Definitiv. Rechenleistung wird immer günstiger und eine Anbindung an ein Netzwerk wird für viele Komponenten in der Zukunft Standard sein. Warum sollen dann nicht auch Steuerungsaufgaben in dem Netzwerk realisiert werden? Sicherlich sind den Anwendungen Grenzen gesetzt, aber mit der zu erwartenden Entwicklung ist das ein realistisches Szenario für viele Anwendungen. Der Umrichter ist prädestiniert für diese Aufgabe. Für die Steuerung von Antrieben wird er für die Regelung benötigt und gleichzeitig hat er Zugriff auf Daten eines Schlüsselelements in der Automation: Auf den Motor. Er verfügt bereits heute über vielzählige Kommunikationsprotokolle und die Rechenleistung wächst ständig.

Cesaretti (Lenze): Frequenzumrichter werden in der Tat immer intelligenter, da auch immer mehr Rechenleistung zur Verfügung steht. Auch kommen aktuell viele Umrichter auf den Markt, die eine integrierte SPS enthalten. Es gibt sicher Fälle, bei denen die integrierte SPS die übergeordnete SPS ersetzen kann. Dass dies jedoch generell die Steuerungsebene überflüssig macht, wird sicherlich nicht der Fall sein.

Höhnert (Siemens): Bei einigen Anwendungen können heute bereits Stromrichter Aufgaben übernehmen, für die man früher eine SPS benötigt hätte. Bei Siemens bietet die Produktreihe Sinamics diverse Möglichkeiten, um Steuerungsaufgaben zu übernehmen. Bei größeren Anwendungen wird die Intelligenz der Umrichter eher zur Entlastung der Steuerungsebene führen. So können besonders zeitkritische Anwendungen dezentral im Antrieb gerechnet werden.

Kling (LTI Motion): Auch in Zukunft wird es sowohl zentrale als auch dezentrale Steuerungsarchitekturen geben. In Anwendungen mit geringem Bedarf an Rechenleistung für Steuerungsaufgaben und einfacher Visualisierung können dezentrale Steuerungslösungen oftmals wirtschaftlich eingesetzt werden. Bei komplexen Anwendungen, wie z. B. Robotern und CNC-Maschinen, muss die Motion Control Aufgabe zwingend zentral gelöst werden. Generell kann man sagen, je komplexer eine Steuerungsaufgabe ist, desto eher wird man sie zentral lösen.

Kummert (Bosch Rexroth): Rexroth ist ein Pionier für die verteilte Intelligenz und bietet seit vielen Jahren Frequenzumrichter mit integrierten Ein- und Mehrachssteuerungen an. Maschinenhersteller nutzen sie häufig, um ihre Maschinen zu modularisieren. Unabhängig von einer übergeordneten Steuerung übernehmen die Antriebe selbstständig Bewegungsaufgaben für bis zu zehn Achsen. Mit der Software-Technologie Open Core Interface for Drives können Anwender sogar Funktionen in Hochsprachen programmieren, zum Beispiel für eigene Inbetriebnahme-Tools, Bedienoberflächen, Diagnose-App etc. die parallel zur SPS auf Kernfunktionen des Antriebs zugreifen. So können Anwender bei Messmaschinen den Prozess und die Bewegungen einheitlich mit LabVIEW umsetzen.

Peters (KEB Automation): Frequenzumrichter werden seit Jahren immer intelligenter. Im Zuge von Industrie 4.0 wird diese Entwicklung weiter vorangetrieben. Eine Intelligenz, die Steuerungsaufgaben übernimmt, wird es weiterhin geben. Ob diese eher zentral oder dezentral untergebracht ist, spielt dabei keine Rolle.

Fred Donabauer (ABB): Schon heute übernimmt der Frequenzumrichter viele Funktionen, die früher nur in der SPS möglich waren. Die höhere Rechen- und Speicherkapazitäten erlauben es, den modernen Frequenzumrichter nicht nur zu parametrieren, sondern auch flexibel zu programmieren; vergleichbar mit einer SPS beispielsweise mit der IEC61131-Programmierung. Somit lassen sich besonders die antriebsnahen und zeitkritischen Technologiefunktionen ohne Zusatzhardware direkt im Frequenzumrichter realisieren, was nicht zuletzt auch die SPS entlastet. Es gibt jedoch übergeordnete Funktionen zur Koordination mehrerer Maschinen oder von Anlagenteilen, die nach wie vor von einer SPS übernommen werden. Eine SPS bietet eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen und kann je nach Anforderung der Aufgaben flexibel skaliert werden. Einige Aufgaben werden also in den Frequenzumrichter verlagert, eine SPS wird in vielen Anwendungen aber unverzichtbar sein.

Wessel (Schneider Electric): Wenn Steuerungen überflüssig werden, dann nur bedingt. Intelligente Umrichter können die Steuerungsebene allerdings deutlich entlasten, z.B. indem das Abfragen von Datenpunkten reduziert wird. Da moderne Steuerungen Ethernet auf ihrer Backplane integriert haben, können Daten direkt vom Frequenzumrichter abgerufen werden.

Wirsching (Baumüller): Steuerungsintelligenz mit Motion Control direkt im Antrieb ist bereits heute gängige Praxis. Sie bietet beispielsweise die Möglichkeit, hochkomplexe Bewegungen zu realisieren. Im Umrichter arbeiten die Steuerungen dabei hochsynchron mit den Reglern, entlasten die zentrale PLC und führen zu Produktivitätssteigerung durch die verbesserten Dynamiken. Eine übergeordnete Steuerung wird es trotzdem weiterhin geben, z. B. für die Synchronisation der einzelnen Maschinenmodule.

www.abb.de

www.baumueller.de

www.boschrexroth.com

http://drives.danfoss.de

www.keb.de

www.koerber-automation.com

www.lenze.com/de

www.lti-motion.com

https://industrial.omron.de

www.schneider-electric.de

www.sieb-meyer.de

www.siemens.com

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Torsten Blankenburg, Vorstand Technik von Sieb & Meyer
Bild: Sieb & Meyer

„Die Herausforderung bleibt, standardisierte Datenmodelle für spezifische Geräteklassen zu definieren, sodass ein herstellerunabhängiger Datenaustausch ohne aufwendige Protokollanpassungen möglich ist.“


Michael Burghardt, Head of Product Marketing Danfoss Drives Deutschland
Bild: Danfoss Drives Deutschland

„Für die Kommunikation hat OPC UA das Potenzial, eines der kommenden Schlüsselprotokolle zu werden.“


Fred Donabauer, Leiter Produktmanagement LV Drives, ABB Automation Products
Bild: ABB

„ABB hat sich mit führenden Herstellern von Automatisierungs- und Informationstechnologie verständigt, OPC UA TSN als einheitliches Protokoll für die Kommunikation im industriellen Internet der Dinge bis zur Steuerungsebene zu forcieren.“


Alberto Fuentes, Drives Product Manager, Omron
Bild: Omron

„Anstatt unsere Komponenten alle für OPC-UA via TSN aufzurüsten, arbeiten
wir derzeit an einer Gesamtlösung auf übergeordneter Ebene.“


Henning Hoehnert, Leitung Produkt Portfolio Management für Niederspannungsumrichter und Motoren, Siemens
Bild: Siemens

„Bei einigen Anwendungen können heute bereits Stromrichter Aufgaben übernehmen, für die man früher eine SPS benötigt hätte. Bei Siemens bietet die Produktreihe Sinamics diverse Möglichkeiten, um Steuerungsaufgaben zu übernehmen.“


Andreas Kling, Produktmanager Control Systems, LTI Motion
Bild: LTI Motion

„Auch in Zukunft wird es sowohl zentrale als auch dezentrale Steuerungsarchitekturen geben.“


Thomas Peters, Produktmanager Drives, KEB Automation
Bild: KEB Automation

„Frequenzumrichter werden seit Jahren immer intelligenter. Im Zuge von Industrie 4.0 wird diese Entwicklung weiter vorangetrieben.“


Niels Wessel, Product Manager Process Drives DACH, Schneider Electric
Bild: Schneider Electric

„OPC UA TSN spielt eine entscheidende Rolle für die Zukunft der Kommunikation von Komponenten untereinander. Diese wird dadurch einheitlich und deterministisch.“


Davide Cesaretti, Executive Vice President Business Unit Drives, Lenze
Bild: Lenze

„Bei Frequenzumrichtern spielt TSN vorerst eine untergeordnete Rolle,
da wir die Performance, die TSN bietet, in den typischen Umrichter-Applikationen eigentlich nicht benötigen.“


Matthias Kummert, Produktmanager Antriebe, Bosch Rexroth
Bild: Bosch Rexroth

„Bosch Rexroth setzt konsequent auf offene Standards und deckt mit der Multi-Ethernet-Schnittstelle bei den Frequenzumrichtern die gebräuchlichsten Ethernet-Protokolle in der Automatisierung ab.“


Karlheinz Wirsching, Leiter Technischer Vertrieb Antriebselektronik, Baumüller
Bild: Baumüller

„Bei Baumüller ist Steuerungsintelligenz mit Motion Control direkt im Antrieb bereits heute gängige Praxis. Sie bietet etwa die Möglichkeit, hochkomplexe Bewegungen zu realisieren.“

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