Smart und vielseitig: Intelligente Servoantriebe

Jürgen Dlugosch, Baumüller Nürnberg GmbH

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Baumüller Antriebe bieten intelligente Software für servohydraulische Anwendungen

Wie intelligente Servoantriebe Produktionsprozesse optimieren können.

Kaum eine Maschinenkomponente hat durch den Trend zur Digitalisierung einen solchen Schub erhalten wie die Servoantriebe. Es ist bereits eine ganze Generation neuer Servoantriebe entstanden, die sich vor allem durch eines von ihren Vorgängern unterscheidet: ihre Selbständigkeit. Der Nürnberger Antriebs- und Automatisierungsspezialist Baumüller hat bereits seit Anfang der 1990er Jahre eine antriebsintegrierte PLC auf dem Markt und bietet verschiedene Plattformen für die Verlagerung von Funktionen in den Antrieb. Aber was heißt Intelligenz im Antrieb eigentlich? Und wann ist der Einsatz von intelligenten Servoantrieben sinnvoll?

Inhaltsverzeichnis

Was bedeutet Intelligenz im Antrieb?

Intelligenz im Antrieb oder auch Drive Intelligence bedeutet, dass Funktionen, die bisher in der zentralen Steuerung abliefen, im Servoantrieb angesiedelt sind. Neben den Regelungsaufgaben übernimmt der Servoantrieb dann Steuerungsfunktionen, optimiert sich im Betrieb selbstständig, ist IoT-fähig und schafft so einen Mehrwert für Maschinenbauer und Maschinenbetreiber gleichermaßen. Zwei Schlagworte stehen dabei im Mittelpunkt: die Vernetzbarkeit und die Selbständigkeit. Vernetzbarkeit bedeutet, dass die Antriebe über Bussysteme mit anderen Aktoren, Sensoren, zentralen Steuerungselementen und der Cloud vernetzt werden können. Selbständigkeit meint, dass der Antrieb in der Lage ist, Daten, die er selbst oder andere Systemteilnehmer erfassen, lokal zu sammeln und zu verarbeiten. Auf Basis dieser Daten kann er Entscheidungen treffen, um Aktionen auszuführen oder Informationen weiterzuleiten.

Bei welchen Anforderungen ist es sinnvoll, die Intelligenz in den Antrieb zu verlagern?

Modularisierung

Modularisierung wird durch intelligente Antriebstechnik erst ermöglicht. Immer häufiger werden Maschinen modular aufgebaut, um beispielsweise die einzelnen Module an unterschiedlichen Orten fertigzustellen und zu testen. Sind die Maschinenmodule gekapselt, kann die Inbetriebnahme getrennt voneinander erfolgen, eine Inbetriebnahme der fertigen Gesamtanlage ist nicht nötig. Die übergeordnete Steuerung kommuniziert nur noch mit den intelligenten Servoantrieben der Maschinenmodule und nicht mehr mit einzelnen Systemkomponenten. Baumüller bietet die passende Hardware und Software für modulare Maschinen und stellt für viele Funktionalitäten sogar vorprogrammierte, gekapselte Modulbibliotheken zur Verfügung. So können einzelne Funktionen schnell, fehlerfrei und ohne Programmier-Know-how in Betrieb gebracht werden.

Hohe Verfügbarkeit und Energieeffizienz

Baumüller bietet zahlreiche antriebsintegrierte Funktionen, um beispielsweise den Energieverbrauch des Antriebssystems zu erfassen, zu dokumentieren und zu optimieren

Für die Überwachung der Verfügbarkeit des Antriebssystems ist der Einsatz dezentraler Intelligenz sinnvoll. Zum Beispiel kann durch Schwingungsanalysen über die Firmware das System auch ohne externe Sensorik überwacht und so Probleme frühzeitig erkannt werden. Besteht dann noch eine Verbindung in eine Cloud oder zu einem Edge PC, kann das System zum Beispiel über OPC-UA IoT-fähig werden. Dann kann der Maschinenhersteller seinen Kunden erweiterte Services anbieten und sich damit neue Geschäftsmodelle erschließen.
Eine weitere Möglichkeit, die Daten aus dem Antrieb zu nutzen, ist die Verbesserung der Energieeffizienz. Intelligente Umrichter sind in der Lage, ohne zusätzliche Hardware den Energieverbrauch zu messen und die maximale Auslastung der elektrischen Antriebe bei Leistungsspitzen zu überwachen. Mit diesen Informationen lassen sich Einsparpotenziale und die optimale Antriebsdimensionierung ermitteln oder Warnschwellen bei einer ungewollten Veränderung des Produktionsprozesses einstellen. Dies optimiert den Energiebedarf und damit den CO₂ Footprint, stabilisiert und optimiert die Prozesse und rechnet sich obendrein.

Hohe Geschwindigkeit und Produktqualität

Wenn es um Produktivität und Safety geht, hat die Verlagerung der Intelligenz in den Antrieb einen weiteren großen Vorteil: Geschwindigkeit. Werden die über den Feldbus kommunizierten Datenmengen zu groß, dann können z.B. Sollwerte nicht mehr mit der nötigen Geschwindigkeit übertragen werden. Gerade bei sehr dynamischen Prozessen, z.B. in der Druck- oder Verpackungsindustrie, geht dies zu Lasten der Genauigkeit, der Dynamik und letztlich der Produktivität der Maschine. Wird die Intelligenz dezentral verteilt, werden über die Feldbuskommunikation zwischen Antrieb und zentraler Steuerung nur noch vorverarbeitete Daten oder sogar nur Statusmeldungen übertragen. Die eigentlichen Soll- und Istwerte der Motion Control und Safety-Aufgaben werden direkt innerhalb des Maschinenmoduls in viel schnelleren Zyklen verarbeitet.
Sind Safety-Funktionen direkt im Antrieb, entfallen also die entsprechenden Feldbus-Totzeiten, wenn z.B. STO ausgelöst wird. Dies kann dazu führen, dass Geschwindigkeit und Prozesszykluszeit der Maschine verbessert werden können, ohne dass das Risiko an der Maschine steigt. Auch wenn es nicht um Safety, sondern um die Synchronisation vieler dynamischer Antriebe geht, ist es sinnvoll, diese Feldbustotzeiten zu umgehen und die Sollwertvorgabe direkt über die Antriebe zu realisieren. Die schnellen Reaktionszeiten bringen z.B. auch Vorteile bei der Verarbeitung von Materialien mit schwankenden Materialeigenschaften. Die performante Kommunikation macht hier den Einsatz einer adaptiven Regelung möglich, die diese Materialunterschiede ausgleicht. Dadurch wird eine gleichbleibend hohe Qualität des Endproduktes bei hoher Produktionsgeschwindigkeit erreicht.

Vereinfachung von PLC-Projekten

Durch den Einsatz dezentraler Intelligenz werden PLC-Projekte weniger komplex. Bei einer zentralen Steuerung werden alle Berechnungen zentral durchgeführt. Das beginnt beim Hochfahren der Maschine über die Berechnung aller Soll-/Istwerte für jeden Motor und endet bei zusätzlichen Aufgaben wie der Datenerfassung und -verarbeitung für IoT. Ist die Maschine modular aufgebaut, können alle Aufgaben, die das jeweilige Maschinenmodul betreffen, im intelligenten Antrieb gerechnet werden. Dies reduziert die Komplexität des PLC-Projektes in der zentralen Steuerung erheblich. Gleichzeitig können so verschiedene Maschinenmodule individuell miteinander kombiniert werden.

Die Software-Funktion Smart Energy Monitoring wird mit der softdrivePLC des Baumüller Umrichters realisiert

Einsatz von KI

Künstliche Intelligenz wird in den kommenden Jahren aus den Produktionshallen dieser Welt nicht mehr wegzudenken sein. Grundlage für einen erfolgreichen Einsatz ist die richtige Bereitstellung der Daten. Intelligente Servoantriebe können durch die Nähe zum Prozess diese Daten schneller als die zentrale Steuerung zur Verfügung stellen, fungieren als Data Hub und ermöglichen so eine optimale Performance für KI-Anwendungen. Zusätzlich können in Verbindung mit externer Sensorik die Antriebe auch als Sensor Hub eingesetzt werden.

Schematische Darstellung eines servohydraulischen Master-Slave-Systems für Anwendungen mit einem hohen Leistungsbedarf

Intelligente Antriebe fungieren als Data Hub und liefern ohne externe Sensorik Daten z.B. für Condition Monitoring (links). Die Antriebe können in Kombination mit externer Sensorik auch als Sensor Hub eingesetzt werden und Daten z.B. von intelligenten Getrieben, erfassen

Die Plattformen

Die antriebsintegrierte Steuerung b maXX drivePLC übernimmt in den Servoantrieben der neuen b maXX 6000-Familie skalierbare Steuerungsaufgaben

Um Funktionen von der zentralen Steuerung in den Regler zu verlagern, bietet Baumüller zwei antriebsintegrierte Steuerungslösungen: Die b maXX softdrivePLC mit einer Zykluszeit von ≥62,5 μs sowie die b maXX drivePLC mit einer Feldbus-Zykluszeit von ≥250 μs. Die software-basierte b maXX softdrivePLC für Einachsanwendungen kombiniert Motion Control und SPS-Funktionalitäten und ist gemäß IEC 61131 programmierbar. Mit der b maXX drivePLC werden komplexere Motion Control-, Technologie- und Steuerungsfunktionen direkt im Drive möglich. Da die drivePLC auch als EtherCat-Master zur Steuerung weiterer Servoumrichter eingesetzt werden kann, kann die zentrale SPS entlastet oder verkleinert werden, oder sogar komplett entfallen.

Fazit

Die Verlagerung der Intelligenz von der Steuerung in den Servoantrieb kann die Lösung für viele Herausforderungen im Maschinenbau sein. Die Hard- und Software dafür ist verfügbar und der Übergang von der zentral zur dezentral projektierten Maschine ist unkompliziert möglich. Damit können Maschinen im Sinne einer schnelleren Time-to-Market modular und effizient aufgebaut werden und sind eine Investition in die Zukunft der Automatisierung für KI und IoT Anwendungen.