Antriebsarchitekturen Servo-Antriebstechnik: Zentral oder dezentral?

Aufbau einer dezentralen Servoantriebsarchitektur mit Servoreglern des Typs AKD-N, unterschiedlichen Motortypen und Einkabelanschlusstechnik
Aufbau einer dezentralen Servoantriebsarchitektur mit Servoreglern des Typs AKD-N, unterschiedlichen Motortypen und Einkabelanschlusstechnik

Mit dezentraler Servo-Antriebstechnik lassen sich Einsparpotenziale bei der Installation erzielen. Weitere Vorteile sind geringere Wärmelasten im Schaltschrank und eine übersichtlichere Antriebsarchitektur. Lässt sich daraus schließen, dass dezentrale Servoumrichter per se die bessere Technik sind?

Immer wieder wird im Leben die Frage nach A oder B mit C beantwortet. Ähnlich verhält es sich mit dem Thema, ob im Maschinenbau zentrale oder dezentrale Servo-Antriebstechnik sinnvoller ist. Welche Architektur ist aus kaufmännischer und technischer Sicht die geeignetste für welche Applikation? Wenn statt A oder B die Antwort auch hier C lautet, dann geht es um Mischarchitekturen und das Nebeneinander beider Systeme - es wird also der Ruf nach Integration laut. In diesem Fall lassen sich die beiden Welten am einfachsten miteinander verbinden, wenn die Grundgesamtheit an Eigenschaften möglichst groß ist. Standardisierte Geräteplattformen sind deshalb der richtige Weg.
 
Zentrale Ausgangslage und dezentrale Alternative
 
Im Vergleich zur horizontalen Fördertechnik, bei der dezentrale Frequenzumrichter schon seit Jahren zum gewohnten Bild gehören, bestimmt bei Applikationen mit hochdynamischer und präziser Motion Control nach wie vor zentrale Servotechnik das Bild im Maschinenbau. Die Servoverstärker hängen - teils in Kombination mit weiteren Steuerungen zur Bewegungsführung, teils mit integriertem IPC - geschützt von der Außenwelt im Schaltschrank. Die Verbindung zu den Motoren wird bei diesem Aufbau sternförmig installiert. Weil zentrale Servotechnik die Verlustwärme zentral an einem Ort entstehen lässt, ist eine wirksame Schaltschrankklimatisierung nötig. Die dezentrale Servotechnik löst die Motorregelung aus dem zentralen Schaltschrank heraus, um sie räumlich direkt einem Prozess zuzuordnen. Diese Architektur erfordert robuste Technik mit hoher Schutzart und ist häufig bei räumlich verteilten Einzelachsen zu finden. Die Vorteile liegen vor allem im geringeren Verkabelungs- und Installationsaufwand. Zwei weitere Vorteile sind das bessere EMV-Verhalten sowie die großflächige Verteilung der Verlustwärme, was den Aufwand für die Schaltschrankklimatisierung entsprechend reduziert. Gerade im Verpackungsmaschinenbau und in Anlagen der Lebensmittel- und Getränkeindustrie zeigt sich der Trend, statt meterlanger Schaltschrankwände kleinere Einheiten mit hoher Schutzart im Maschinengestell direkt zu verbauen. Die zunehmende Modularisierung von Produktionseinrichtungen legt diese Methode mitsamt einer schlüssigen Verteilung oder Zusammenfassung von Funktionen nahe, zumal Anlagen in der Produktion meist aus einem Hauptprozess und vielen daran angrenzenden Nebenaufgaben bestehen. Die Nebenprozesse sind etwa in Form von Fördertechnik, Sortern oder Handling-Einheiten als flexibel miteinander kombinierbare Module aufgebaut. Damit sind die Weichen für eine beliebige Erweiterung von Anlagen gestellt. Ein dezentraler Aufbau kann folglich vor allem bei räumlich verteilten Einzelantrieben vorteilhaft sein. Der Umkehrschluss bedeutet, dass bei Maschinenmodulen mit synchronisierten Achsen auf engem Raum der zentrale Aufbau mit Schaltschrankreglern das Mittel der Wahl ist.

Kosteneinsparungen bei Installation und Montage
 
Die Einsparpotenziale der dezentralen Technik lassen sich anhand einer realen Maschine mit acht Positionierachsen aus dem Bereich »Metalforming« verdeutlichen. Bisher umfasste der zentrale Aufbau Schaltschrankumrichter, geschirmte Kabel zwischen Motoren und Reglern sowie eine weitere Leitung für das Rückführsystem. Die erste Achse ist 5 m vom Schaltschrank entfernt, jede weitere 3 m mehr. Der Verkabelungsaufwand summiert sich bei den acht Positionierachsen auf 248 m. Ist stattdessen eine Kombination aus einem Versorgungsmodul im Schaltschrank, etwa dem AKD-C von Kollmorgen, und acht dezentralen Servoreglern vom Typ AKD-N desselben Herstellers im Einsatz, reduziert sich die Länge auf 34 m. Die Berechnung: 5 m Hybridkabel mit Leistungsversorgung und Feedback befinden sich zwischen dem Versorgungsmodul und dem nächstliegenden dezentralen Servoregler. Hinzu kommen jeweils nochmal 3 m zur Anbindung der weiteren sieben Achsen - macht 21 m. Bleibt die Versorgung der Motoren, die rund 1 m von den dezentralen Servoreglern des Typs AKD-N entfernt eingebaut sind. Weil die Kollmorgen-Lösung mit einer Einkabelanschlusstechnik ausgestattet ist, sind lediglich weitere 8 m Leitung nötig. Zusammengerechnet bringt der Einsatz der dezentralen Servoregler allein bei der Installation eine Ersparnis von 86 Prozent - von 248 auf 34 m. Diese Zahlen zeigen, welche Effizienzgewinne gerade bei OEMs in puncto Kabelkosten, Montage und Installation möglich sind. Noch gravierender fallen die Effizienzvorteile aus, wenn die Achsen zusätzliche I/Os haben. Statt 372 m sind dann nur noch 42 m nötig, was Einsparungen von 89 Prozent entspricht. Durch die Verlagerung der Antriebe in die Maschine entsteht zudem weniger Verlustleistung im Schaltschrank, was den Bedarf an Klimatisierung verringert und damit direkt für Einsparungen sowohl beim OEM als auch beim Endkunden sorgt. Weil eine Schaltschrank-Klimaanlage geringer dimensioniert werden kann oder sogar komplett entfällt, sinken die Kosten für Hardware und späteren Betrieb, was letztlich auch die Energieeffizienz steigert.