Dezentrale Servotechnik

Einsparpotenziale durch dezentrale Antriebssysteme von Kollmorgen

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Mit dezentraler Servotechnik lassen sich im Maschinen- und Anlagenbau Einsparpotenziale bei der Installation erzielen. Weitere Vorteile sind reduzierte Wärmelasten im Schaltschrank und eine übersichtlichere Antriebsarchitektur. Heißt das, dass dezentral im Prozess platzierte Servoumrichter – losgelöst vom Motor oder als integrierte Lösung – per se die bessere Technik darstellen?

Dr. Arne Linder, Produktmanagement, Kollmorgen, Ratingen

Inhaltsverzeichnis

1. Die zentrale Ausgangslage
2. Die dezentrale Alternative
3. Einsparungen bei Installation und Montage
4. Technische Vorteile durch sinkende Komplexität
5. Dezentrale Antriebstechnik als Hybridlösung

 

Ob es für Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau vorteilhaft ist, dezentrale Antriebssysteme einzusetzen, hängt von mehreren Faktoren ab, zum Beispiel welche Architektur aus kaufmännischer wie technischer Sicht die beste ist. Häufig geht es um Mischarchitekturen und das Nebeneinander beider Systeme. Damit wird spätestens jetzt der Ruf nach Integration laut. Die beiden Welten lassen sich am einfachsten miteinander verbinden, wenn die Grundgesamtheit an Eigenschaften möglichst groß ist. Standardisierte Geräteplattformen sind deshalb der richtige Weg.

Die zentrale Ausgangslage

Im Vergleich zur horizontalen Fördertechnik, bei denen dezentrale Frequenzumrichter schon seit Jahren zum gewohnten Bild gehören, bestimmt bei Applikationen mit hochdynamischer und präziser Motion-Control nach wie vor zentrale Servotechnik die Optik im Maschinenbau. Die Servoverstärker hängen geschützt von der Außenwelt im Schaltschrank. Die Verbindung zu den Motoren wird bei diesem Aufbau sternförmig installiert. Da bei der zentralen Servotechnik die Verlustwärme zentral an einem Ort entsteht, ist eine wirksame Schaltschrankklimatisierung notwendig.

Die dezentrale Alternative

Bei der dezentralen Servotechnik wird die Motorregelung aus dem zentralen Schaltschrank herausgelöst, um diese Aufgabe räumlich direkt einem Prozess zuzuordnen. Diese Architektur macht robuste Technik mit hoher Schutzart notwendig und kommt häufig bei räumlich verteilten Einzelachsen zum Einsatz. Die Vorteile liegen beim geringeren Installationsaufwand – insbesondere in puncto Motorkabel. Weiterer Vorteil ist die großflächige Verteilung der Verlustwärme, was den Aufwand für Schaltschrankklimatisierungen reduziert.

Einsparungen bei Installation und Montage

Die Einsparpotenziale der dezentralen Technik werden anhand einer realen Maschine mit acht Positionierachsen aus dem Bereich „Metallforming“ deutlich. Bisher war der zentrale Aufbau gekennzeichnet von Schaltschrankumrichtern, geschirmten Kabeln zwischen Motoren und Reglern sowie einer weiteren Leitung für das Rückführungssystem. Die erste Achse ist 5 m vom Schaltschrank entfernt, jede weitere 3 m weiter. Der Verkabelungsaufwand summiert sich bei den acht Positionierachsen auf 248 m. Ist stattdessen die Kombination aus Kollmorgen-Versorgungsmodul AKD-C im Schaltschrank und acht dezentralen Servoreglern vom Typ AKD-N im Einsatz, reduziert sich die Länge auf 34 m – eine Ersparnis von 86%. Die Zahl verdeutlicht, welche Effizienzgewinne gerade bei OEMs in puncto Kabelkosten, Montage und Installation möglich sind. Noch gravierender fallen diese aus, wenn die Achsen zusätzliche I/Os aufweisen. Statt 372 m werden dann nur noch 42 m benötigt – was Einsparungen von 89% entspricht. Durch die Verlagerung der Antriebe in die Maschine resultiert ein Minus an Verlustleistung im Schaltschrank. Dieser Effekt sorgt für einen Minderbedarf an Klimatisierung – und damit für Einsparungen sowohl beim OEM als auch beim Endkunden. Da eine Schaltschrank-Klimaanlage geringer dimensioniert werden kann oder sogar komplett entfällt, sinken die Kosten für Hardware und den späteren Betrieb.

Technische Vorteile durch sinkende Komplexität

Für die Anschlusstechnik der IP67-Geräte der Servoregler-Reihe setzt das Unternehmen ein 11 mm dünnes Hybridkabel ein, das die Versorgung über ein zentrales Einspeisemodul im Schaltschrank sicherstellt. Ebenfalls mit nur einem Kabel lassen sich die dezentral in einer Maschine platzierten Einzelregler per DC-Verbund ohne weitere Einspeisung miteinander verbinden – Kommunikation inklusive. Die Einspeisemodule AKD-C verfügen über zwei Strings, an die sich jeweils bis zu acht Servoregler mit einer Leistung bis je 5 kW anschließen lassen. Safe Torque Off als Gruppen- oder Einzelabschaltung gehört zum Serienumfang und wird ebenfalls über das Hybridkabel geführt. Ebenfalls nur ein Kabel ist ausreichend zwischen dem dezentralen Servoregler und seinem angeschlossenen Motor. Dank einer neuen Einkabelanschlusstechnik sind nicht mehr zwei Leitungen notwendig. Weil dezentrale Servotechnik gerade dann zum Einsatz kommt, wenn komplexe und positionsgenaue Bewegungen gefragt sind, finden sie sich häufig wieder als Teil von Positionier- und Handlingssystemen. Hieraus folgt, dass jede Leitung auch Platz in einer Schleppkette oder in einem Kabelkanal beansprucht.

Dezentrale Antriebstechnik als Hybridlösung

Eine zweite Möglichkeit, um Antriebe dezentral in einer Anlage zu platzieren, bieten integrierte Lösungen. Hierbei handelt es sich um Einheiten aus Motor und Servoumrichter, die ohne gesonderte Leitungsverbindung dazwischen zum Einsatz kommt. Dieser Vorteil bringt allerdings auch Nachteile mit sich. Hybride Ansätze werfen bei der Auslegung der Antriebe immer die Frage auf, wie hoch das Derating ausfällt. Ein Wechselrichter reduziert seine Leistung, je höher die Umgebungstemperatur wird. Damit schützt sich das Bauteil selbst vor Überhitzung. Dieser Zusammenhang sorgt dafür, dass Motoren größer als notwendig ausgelegt werden müssen. Fördern Servoantriebsaufgaben, wie das schnelle Beschleunigen und Abbremsen beim Positionieren, die Verlustleistung, kann die dabei entstehende Wärme zu einem Problem bei der Auslegung hybrider Lösungen werden. Das räumlich getrennte Nebeneinander weist an dieser Stelle das bessere Wärmeverhalten auf und verhindert damit das konstruktiv bedingte Derating. Dieser Effekt schafft die Grundlage für kleinere Motorenleistungen in Verbindung mit besserer Energieeffizienz. Zudem sind integrierte Kombinationen meist fokussiert auf einen Motorentyp, was die optimale Auslegung in einer Applikation limitiert, zumal die Einheiten durch ihren Aufbau weniger flexibel im Einbau sind. Weil sich die Servoregler mit jedem Servomotor sowie rotativen und linearen Direktantrieben verbinden lassen, sind die Designfreiheiten bei Performance und Leistung sehr gut.

Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge ein Beispiel für den Einsatz von Servoantriebstechnik in der Lebensmittelverarbeitung. Lässt sich das Schneiden von Wurst und Käse als Hauptaufgabe eines sogenannten Slicers bezeichnen, so dient das nachgeschaltete Abführband dem Materialfluss. Die hochdynamische Einzelachse des Bandantriebs mit ihrer Motion-Control-Funktionalität muss in die zentrale Lösung integriert werden. Der Antrieb des Slicers braucht eine Leistung, die sich dezentral nicht realisieren lässt. Dieser Aspekt macht deutlich, dass es nicht um eine Antwort geht, welche Antriebe die Aufgabe von ihrer Performance her am besten bewältigen. Sie können es alle gut. Die Aufgabe auf Herstellerseite besteht vielmehr darin, Produkte unterschiedlicher Welten zu harmonisieren. Die Reihe AKD-N basiert z.B. bewusst auf der „zentralen“ AKD-Plattform. Es gilt Technik zu Einsatz zu bringen, die in puncto Performance zur jeweiligen Aufgabe passt, die aber auch übergreifend betrachtet mit anderen Akteuren kombinierbar ist. jg

www.kollmorgen.com

Details zu den AKD-Servoverstärkern von Kollmorgen

hier.pro/xFp51



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