Bild 01: Die Motorsteuerung hat sich von netzgekoppelten Motoren mit fester Drehzahl zu intelligenten Motorsteuerungssystemen mit mehrachsigen Servomotor-Roboteraktoren entwickelt. (Quelle: Analog Devices Inc.; Grafik: etz)
Es gibt viele fortschrittliche Technologien und Lösungen auf Systemebene, die die Umstellung auf eine intelligente Motorsteuerung ermöglichen. Allerdings sind die technisch Verantwortlichen bei der Zusammenstellung des Systems oft auf sich allein gestellt. Diese Situation ändert sich jedoch, denn jetzt sind umfassende Lösungspakete verfügbar, welche die Entwicklung moderner Motion-Control-Lösungen ermöglichen. Dazu gehören Komponenten zur isolierten Stromerfassung und Positionsrückmeldung für die mehrachsige Steuerung von Motordrehzahl und –drehmoment sowie Sensoren zur Überwachung des Maschinenzustands, um ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren. Außerdem sind Highspeed-Schnittstellen vorhanden, die den Datenaustausch zwischen Maschinen und übergeordneten Steuerungsund Verwaltungsnetzen erleichtern. Lösungen von Analog Devices [1], die von DigiKey [2] vertrieben werden, ermöglichen die intelligente Motorsteuerung, einschließlich Stromversorgungs-, Sensor- und Netzwerkkomponenten.
Warum eine intelligentere Motorsteuerung erforderlich ist
Elektromotoren sind für die industrielle Motorsteuerung von grundlegender Bedeutung und verbrauchen bis zu 70 % der in der Industrie verwendeten Energie. Dieser Anteil des industriellen Stromverbrauchs entspricht etwa 50 % des weltweiten Stromverbrauchs. Aus diesem Grund wurden viele Anstrengungen unternommen, um die Effizienz der Motorsteuerung zu erhöhen, wobei die intelligente Motorsteuerung viele Vorteile mit sich bringt.
Frühere Motorsteuerungen basierten auf einfachen, an das Stromnetz angeschlossenen Motoren, die sich zu den heutigen hochentwickelten Mehrachsen-Servomotor-Roboteraktoren entwickelt haben. Diese evolutionäre Entwicklung folgt der zunehmenden Komplexität, die erforderlich ist, um das höhere Maß an Effizienz, Leistung, Zuverlässigkeit und Autarkie zu erreichen, das in der intelligenten Fertigung erforderlich ist (Bild 1).
Zu den verschiedenen Arten der Motorsteuerung gehören:
- feste Drehzahl: Die ältesten und einfachsten Motorsteuerungen basieren auf netzgekoppelten 3-Phasen-Wechselstrommotoren, die mit einer festen Drehzahl arbeiten. Die Schaltanlage bietet Ein-/Aus-Steuerung und Schutzschaltungen. Jede erforderliche Leistungsreduzierung wird mechanisch erreicht.
- Wechselrichter-gesteuerter Motor: Durch das Hinzufügen eines Gleichrichters, eines Zwischenkreises und einer dreiphasigen Wechselrichterstufe wird eine variable Frequenz und eine variable Spannungsquelle geschaffen, die an den Motor angelegt wird, um eine variable Drehzahlregelung zu ermöglichen. Dieser umrichtergesteuerte Motor ermöglicht eine erhebliche Senkung des Energieverbrauchs, da der Motor mit der für die Last und die Anwendung optimalen Drehzahl läuft.
- Antrieb mit variabler Drehzahl (VSD): Der VSD wird für Anwendungen verwendet, die eine zusätzliche Präzision bei der Steuerung von Motordrehzahl, -position und -drehmoment erfordern, indem Strom- und Positionssensoren in den grundlegenden spannungsgeregelten Umrichterantrieb integriert werden.
- Servobetriebenes System: Mehrere VSD können zu mehrachsigen, servogesteuerten Systemen synchronisiert werden, um noch komplexere Bewegungen für Anwendungen wie CNC-Werkzeugmaschinen zu erreichen, bei denen eine extrem genaue Positionsrückmeldung erforderlich ist. Bei der CNC-Bearbeitung werden in der Regel fünf Achsen koordiniert, es können aber auch bis zu zwölf Achsen für koordinierte Bewegungen verwendet werden.
Roboter: industriell, kollaborativ und mobil
Industrieroboter kombinieren mehrachsige Motorsteuerung mit mechanischer Integration und fortschrittlicher Steuerungssoftware, um eine dreidimensionale Positionierung über typischerweise sechs Achsen zu ermöglichen.
Kollaborative Roboter (Cobots) sollen sicher an der Seite von Menschen arbeiten. Sie bauen auf industriellen Roboterplattformen auf, indem sie Sicherheitssensoren sowie Leistungs- und Kraftbegrenzungsfunktionen integrieren, um einen funktional sicheren Roboterkollegen zur Verfügung zu stellen. Ebenso verwenden mobile Roboter eine funktional sichere Maschinensteuerung. Sie fügen den Roboter zusätzlich Merkmale wie Lokalisierungssensorik, Routenkontrolle und Kollisionsvermeidung hinzu.
In jeder Phase der Entwicklung von Motorsteuerungssystemen hat die Komplexität zugenommen – oft erheblich. Es gibt vier Schlüsselfaktoren, die intelligente Antriebssysteme beeinflussen:
reduzierter Energieverbrauch,
- agile Produktion,
- digitale Transformation und
- geringere Ausfallzeiten für eine maximale Nutzung der Anlagen.
Die Einführung hocheffizienter Motoren und verlustärmerer Frequenzumrichter sowie die Ergänzung von Motorsteuerungsanwendungen mit Intelligenz sind Schlüsselfaktoren zur Erreichung einer höheren Energieeffizienz.
Eine agile Produktion setzt schnell rekonfigurierbare Produktionslinien voraus. Diese Flexibilität ist erforderlich, um auf die schwankende Verbrauchernachfrage nach einer breiten Palette von Produkten in kleineren Mengen reagieren zu können, was eine anpassungsfähigere Produktionsstruktur erfordert. Industrieroboter spielen eine zentrale Rolle bei der Ausführung komplexer und sich wiederholender Vorgänge und erhöhen so den Durchsatz und die Produktivität.
Die digitale Transformation beinhaltet die Fähigkeit, Bewegungssteuerung und umfangreiche Sensordaten aus der gesamten Produktionsanlage zu vernetzen und diese Daten in Echtzeit auszutauschen. Diese Vernetzung ermöglicht Cloud-basiertes Computing und Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI) zur Optimierung von Fertigungsabläufen und zur Verbesserung der Anlagenauslastung.
Die Anlagennutzung dient als Grundlage für neue Geschäftsmodelle und konzentriert sich auf die Produktivität der Fabrikanlagen und nicht nur auf die Kosten der Erstinstallation. Systemanbieter sind zunehmend daran interessiert, Dienstleistungen auf der Grundlage der Betriebszeit oder Produktivität dieser Anlagen in Rechnung zu stellen. Dieser Ansatz nutzt vorausschauende Wartungsdienste, die sich auf die Echtzeitüberwachung jeder einzelnen Maschine stützen, um die Produktivität zu steigern und ungeplante Ausfallzeiten zu minimieren.