Antriebsarchitekturen

Servo-Antriebstechnik: Zentral oder dezentral?

6. November 2014, 11:34 Uhr | Dr. Arne Linder, Kollmorgen

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Sinkende Komplexität und mehr Designfreiheit

Dezentrale Installation
Mehr Ordnung im Kabelsalat: Wenn Servoantriebsregler in unmittelbarer Nähe zu den Motoren im Einsatz sind, kann die aufwändige Sternverdrahtung aus einem zentralen Schaltschrank heraus entfallen. Die Installation wird übersichtlicher.
© Kollmorgen

Für den Anschluss der IP67-Geräte der AKD-N-Reihe nutzt Kollmorgen ein 11 mm dickes Hybridkabel, 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 des Typs AKD-C verfügen über zwei Strings, an die sich jeweils bis zu acht AKD-N mit einer Leistung bis je 4 kW anschließen lassen. Safe Torque-Off als Gruppen- oder Einzelabschaltung gehört zur Serienausstattung und wird ebenfalls über das Hybridkabel geführt. Auch zwischen dem dezentralen Servoregler und seinem angeschlossenen Motor reicht ein Kabel aus - dank einer neuen Einkabelanschlusstechnik sind nicht mehr zwei Leitungen, Motorkabel und Rückführung, nötig. Weil Servotechnik gerade dann zum Einsatz kommt, wenn komplexe und positionsgenaue Bewegungen gefragt sind, ist sie häufig Teil von Positionier- und Handling-Systemen. Hieraus folgt, dass jede Leitung auch Platz in einer Schleppkette oder in einem Kabelkanal beansprucht. Die Modellberechnungen zeigen, dass die dezentrale Servotechnik in Kombination mit der Einkabelanschlusstechnik zwischen Motor und Regler viel Platz spart. Dieser Vorteil lässt sich trefflich nutzen für kleinere Kabeltrassen, leichtere Schleppketten, knappere Durchführungen - oder einfach für mehr Designfreiheit bei der Entwicklung neuer Maschinen: Die verteilte Technik bringt ja im Vergleich zu räumlich fixierten Zentralschaltschränken mehr Chancen zur Modularisierung. OEMs können so neue Anlagen aus bereits entwickelten Modulen konzipieren, was das Engineering effizienter macht.
 
Dezentrale Antriebstechnik als Hybridlösung
 
Eine zweite Möglichkeit, Antriebe dezentral in einer Anlage zu platzieren, bieten integrierte Lösungen. Hierbei handelt es sich um Einheiten aus Motor und Servoumrichter, die ohne Leitungsverbindung dazwischen auskommen. Dieser Vorteil bringt allerdings auch Nachteile mit sich. Hybride Ansätze - die so genannten »Huckepack-Lösungen« - werfen bei der Antriebsauslegung immer die Frage auf, wie hoch das Derating ausfällt. Hierbei ist zu wissen, dass ein Wechselrichter seine Leistung umso mehr reduziert, je höher die Umgebungstemperatur ansteigt, um sich selbst vor Überhitzung zu schützen. In der Praxis führt dies allerdings dazu, dass Motoren größer als nötig ausgelegt werden müssen, wobei dann weniger die tatsächlich nötige Leistung als vielmehr die wirklich gelieferte Leistung innerhalb der für die Elektronik verträglichen Temperaturgrenzen zählt.

Wenn typische Aufgaben von Servoantrieben wie das schnelle Beschleunigen und Abbremsen beim Positionieren die Verlustleistung steigern, kann die entstehende Wärme zu einem echten Problem bei der Auslegung hybrider Lösungen werden. Die Antriebseinheiten bekommen schlicht Probleme damit, die Wärme effektiv abzuführen. Eine räumliche Trennung ermöglicht dann das bessere Wärmeverhalten und verhindert konstruktiv bedingtes Derating, was die Basis für kleinere Motorleistungen in Verbindung mit höherer Energieeffizienz schafft. Darüber hinaus sind integrierte Kombinationen meist fokussiert auf einen Motorentyp, was die optimale Auslegung innerhalb einer Applikation erschwert, zumal sie durch ihren Aufbau auch noch weniger flexibel einbaubar sind. Weil sich die dezentralen Servoregler von Kollmorgen mit jedem Servomotor sowie rotativen und linearen Direktantrieben verbinden lassen, sind die Designfreiheiten groß.

Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge folgt hier noch ein Beispiel für den Einsatz von Servoantriebstechnik in der Lebensmittelverarbeitung. Ist das Schneiden von Wurst und Käse die Hauptaufgabe eines so genannten Slicers, so dient das nachgeschaltete Abführband dem Materialfluss. Weil es hier nicht nur darum geht, einen Wurststapel von A nach B zu bringen, sondern auch, ihn beim Transportieren in Schindeln zu portionieren, wird die Bedeutung der Servotechnik für die Positionierung deutlich. Klar wird auch, dass es sich bei dem Bandantrieb um eine zwar hochdynamische, aber immer noch um eine Einzelachse handelt. Spätestens hier taucht die Frage auf, wie sich diese Antriebsachse mit ihrer ausgeklügelten Motion-Control-Funktion sinnvoll in den Maschinenverbund mit nach wie vor nötigen zentralen Lösungen integrieren lässt. Der Antrieb des Slicers ist dafür ein gutes Beispiel, weil er eine Leistung braucht, die sich dezentral nicht realisieren lässt. Dieser Aspekt macht deutlich, dass es nicht darum 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 Serie AKD-N von Kollmorgen beispielsweise beruht ganz bewusst auf der »zentralen« AKD-Plattform. Es gilt, Technik einzusetzen, die in puncto Performance zur Aufgabe passt, aber auch übergreifend betrachtet mit anderen Akteuren kombinierbar ist.

Autor

Dr. Arne Linder ist Produktmanager bei Kollmorgen in Ratingen.


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