Entscheidend dabei ist die sinnvolle Verteilung der Funktionen zur Bewegungsführung und zur Antriebsregelung auf Steuerung und Antrieb. Steuerungen und Antriebe sind in vielen Maschinen und automatisierten Anlagen die wichtigsten Automatisierungselemente. Gerade in Anlagen der Fördertechnik oder bei der Materialhandhabung ist es üblich, dass eine SPS 50 bis 200 Antriebe mit Befehlen versorgt. Sofern die Antriebsanwendung keine dynamischen Aufgaben auszuführen hat, ist das Zusammenspiel von Steuerung und Antrieben recht einfach. Die Steuerung gibt einen Sollwert für die Drehzahl vor. Der Antrieb hat mit seiner Regelung diesem Sollwert zu folgen. Einfache Funktionen wie ein Hochlaufgeber im Antrieb sorgen dafür, dass eine Sollwert-Änderung so umgesetzt wird, wie es die Dynamik des Antriebs und der Mechanik zulassen. Komplexere Funktionen zur Bewegungsführung sind in diesem Fall nicht nötig. Diese Situation ändert sich, wenn der Antrieb eine dynamische Aufgabe ausführen muss. Das beste Beispiel hierfür ist ein Positioniervorgang. Zum Positionieren muss der Antrieb zunächst beschleunigt werden. Danach fährt er mit konstanter Geschwindigkeit, um dann zum genauen Anfahren der Zielposition rechtzeitig abzubremsen.

Für die Vorgabe der Sollwerte für diesen Positioniervorgang ist jetzt ein Sollwertgenerator erforderlich, der ausgehend von einem Startkommando und Parametern über den Positioniervorgang (maximale Beschleunigungen und Geschwindigkeiten, anzufahrende Zielposition) die zyklischen Sollwerte für die Geschwindigkeit und den Winkel des Antriebs berechnet. Besonders kritisch ist dabei die Ermittlung des Bremszeitpunktes, da dieser vom Restweg abhängt. Wird dieser nicht korrekt bestimmt, lässt sich die Zielposition nicht auf Anhieb korrekt anfahren. Ausgleichsbewegungen und entsprechende Zeitverluste zum Erreichen der Zielposition sind die Folgen.

Drei Kategorien für die Softwarefunktionen

Die gesamten Softwarefunktionen für das Zusammenspiel von Steuerung und Antrieb für solche dynamischen Antriebsaufgaben lassen sich in drei Teile aufsplitten:

• Die Ablaufsteuerung (Logic Control), die zum Beispiel den Startbefehl für das Positionieren gibt und auf die Rückmeldung bei Erreichen der Zielposition reagiert. Diese Ablaufsteuerung wird für mehrere Antriebe in der Regel von der SPS-Steuerung ausgeführt.
• Die Bewegungsführung (Motion Control), die abgeleitet von den Befehlen der Ablaufsteuerung die Sollwerte für den Bewegungsablauf berechnet.
• Die Antriebsregelung (Drive Control), welche die Sollwerte von der Bewegungsführung so auswertet, dass der Antrieb diesen bestmöglich folgt. Die Ausführung der Antriebsregelung erfolgt immer im Umrichter.

Während bei der Ablaufsteuerung und Antriebsregelung eindeutig ist, wo diese ausgeführt werden, existieren für die Bewegungsführung mehrere Möglichkeiten, die ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben. Dabei gilt es zu beachten, dass es sich bei der Bewegungsführung um eine reine Software-Aufgabe handelt, die letztendlich nur die entsprechende Rechenleistung benötigt. Andererseits ist diese Software bei der Mehrzahl der einfachen, nicht dynamischen Antriebsaufgaben überflüssig. Ergo ist es unwirtschaftlich, die notwendigen Ressourcen für diese Funktion immer in der Steuerung oder im Umrichter vorzuhalten. Letztendlich verändern aber auch der Fortschritt der Mikroelektronik und damit die Verfügbarkeit preiswerter Rechenleistung die Randbedingungen, wie diese Funktion am sinnvollsten und wirtschaftlichsten realisierbar ist.

Positioniersteuerungen - gestern und heute

In der Vergangenheit gab es getrennte Positioniersteuerungen, die zwischen die SPS-Steuerung und den Umrichter geschaltet wurden. Diese Positioniersteuerungen stellten damit für die Bewegungsfunktion eine eigene Hardware und Rechenleistung zur Verfügung. Allerdings verursachten diese Lösungen hohe Kosten, weshalb sie mittlerweile fast vollständig von der Bildfläche verschwunden sind. Stattdessen hat es sich als wirtschaftlicher erwiesen, diese Softwarefunktionen entweder in der Steuerung oder im Antrieb in den dort ohnehin vorhandenen Mikrorechnern auszuführen.

Verteilung der Softwarefunktionen: Die Bewegungsführung kann entweder Controller-based von einer Steuerung oder Drive-based direkt vom Antrieb ausgeführt werden.

© Lenze

Teilweise existieren noch Positionierregler-Baugruppen für SPS-Steuerungen, aber auch diese befinden sich im Rückzug. In einigen Fällen erfolgt die Berechnung der Bewegungsführung direkt im SPS-Programm. Nachteilig dabei ist die Funktionsweise der SPS, die zum einen die hierfür notwendige Wortverarbeitung nicht immer optimal unterstützt, und zum anderen üblicherweise eine zyklische Programmausführung mit einem entsprechenden Jitter in den Programmlaufzeiten hat. Zwar ist es auf diese Weise möglich, den Antrieb in Abständen von etwa 10 ms mit Sollwerten zu versorgen, womit etliche Positionieranwendungen realisierbar sind; allerdings sinkt dabei die Anzahl der von einer SPS ansteuerbaren Antriebe, weil die Berechnung der Sollwerte für die Positionierabläufe zwangsläufig einen nennenswerten Anteil der SPS-Rechenleistung kostet. Insgesamt handelt es sich hierbei demnach um kein optimales Gesamtpaket. Bei anderen Lösungen wird die Software der SPS-Steuerung um Funktionsblöcke ergänzt, in denen Positioniervorgänge gekapselt sind. Innerhalb dieser Funktionsblöcke, die häufig der PLCopen-Standardisierung folgen, geschieht die Berechnung der Positionierabläufe nicht mehr mit den SPS-Programmiersprachen, sondern in Teilen der SPS-Firmware. Dadurch lässt sich ein deutlich besseres Führungsverhalten für die Sollwerte der Antriebe erreichen.

Nachteilig bei diesem Ansatz ist, dass einerseits ein zeitlich streng deterministisches Kommunikationssystem zwischen Steuerung und Antrieb erforderlich ist, damit die zyklischen Sollwerte auch zeitgenau von der Steuerung zum Antrieb übertragen werden. Die meisten der für die Kommunikation einer SPS mit ihren I/Os vorgesehenen Kommunikationssysteme weisen dieses deterministische Zeitverhalten nicht auf. Andererseits benötigen diese Funktionsblöcke sehr viel Rechenleistung. Meist ist diese Variante somit leistungsfähigen Steuerungen vorbehalten und die Anzahl der ansteuerbaren Antriebe ist begrenzt.

Positionieren mit dem Frequenzumrichter

Außer in der Steuerung lässt sich die Software zur Bewegungsführung auch im Antrieb ausführen - vorausgesetzt es steht hierfür eine ausreichende Rechenleistung in der Steuerelektronik zur Verfügung.

Insgesamt bietet die Ausführung der Bewegungsführung im Antrieb eine Reihe von Vorteilen: Die zeitgenaue Übertragung der Sollwerte in die Antriebsregelung bereitet keine besondere Mühe. Zudem ist hierfür kein entsprechendes Kommunikationssystem erforderlich. Aus Sicht der SPS verhält sich ein Antrieb mit eingebauten Positionierfähigkeiten wie andere I/Os - es sind lediglich Befehle auszuführen und Rückmeldungen zu liefern. Der Antrieb wertet das Gebersystems des Motors bereits für seine Antriebsregelung aus. Damit stehen die entsprechenden Messwerte auch für den Positioniervorgang (Erkennen von Schleppfehlern, Erfassen von Positionen zu Markensignalen) zur Verfügung. Bislang waren Antriebe mit eingebauter Positionierfähigkeit den intelligenten Servoantrieben vorbehalten. Hierfür gibt es mehrere Gründe:

• Servoantriebe haben traditionell eine höhere Rechenleistung, weil diese im Vergleich zu Frequenzumrichtern bereits für die Antriebsregelung und Anwendungsfunktionen vonnöten ist.
• Servoantriebe werten die Gebersignale des Winkelgebers am Motor aus, während Frequenzumrichter in der Regel geberlos arbeiten.
• Servoantriebe sind auf eine hohe Dynamik optimiert.

Ein Servoantrieb erreicht seine hohe Dynamik auf folgende Weise: durch den Einsatz von Motoren mit niedriger Massenträgheit - in der Regel Synchron-Servomotoren mit Permanentmagneten -, durch rückgeführten Betrieb (Auswertung eines Winkelgebers am Motor) sowie über die Servoregelung. Soviel zur Technik. Der Blick auf die Kosten macht allerdings deutlich, dass Servoantriebe gerade im kleinen Leistungsbereich erheblich teurer als Frequenzumrichter sind. Folglich ist die Frage berechtigt, ob es für Positionieraufgaben nicht preiswertere Lösungen gibt?

Eine genaue Analyse, ob die genannten Punkte für die Realisierung von Positionieranwendungen wirklich erforderlich sind, führt zu folgender Erkenntnis: Für viele Applikationen ist die hohe Dynamik, die nur mit Synchronservomotoren erreichbar ist, nicht notwendig. Stattdessen sind bei allen Positioniervorgängen, die länger als etwa 0,5 Sekunden dauern, Standard-Drehstrommotoren verwendbar. Diese lassen sich ebenso mit Gebern ausrüsten. Gerade Hersteller von Getriebemotoren sind es gewohnt, eine hohe Anzahl von Optionen für die B-Seite der Motoren anzubieten - neben verschiedenen Gebersystemen zum Beispiel auch Bremsen und Fremdlüfter. Damit bietet der Baukasten von Getriebemotoren auf jeden Fall die Voraussetzungen für die Realisierung von Positionierantrieben.

Vektorregelung ist Standard

Nicht zuletzt ist die Rechenleistung in Frequenzumrichtern mit der Verfügbarkeit von preiswerten Mikrorechnern kontinuierlich gewachsen. Heute ist es Standard, dass ein Frequenzumrichter neben der U/f-Steuerung eine Vektorregelung anbietet. Die für diese Vektorregelung notwendige Rechenleistung ist dabei sogar höher als für eine Servoregelung, da umfangreiche Motormodelle zu berechnen sind. Die heute in Frequenzumrichtern installierte Rechenleistung ist dementsprechend auf jeden Fall in der Lage, auch eine Servoregelung mit der Auswertung des Motor- Gebers auszuführen.

Damit fällt letztlich eine entscheidende Hürde, die einem Einsatz von Frequenzumrichtern für Positionieraufgaben bislang im Wege stand. Um allerdings die notwendigen Softwarefunktionen und Schnittstellen nicht in jedem Umrichter vorhalten zu müssen, bietet sich die Verwendung eines modularen Konzeptes an, wie es etwa Lenze bei der Umrichterreihe Inverter Drives 8400 realisiert hat. Der Leistungsteil steht bei dieser Frequenzumrichter-Familie für die verschiedenen Motorleistungen zur Verfügung und enthält sämtliche Regelungsfunktionen, die in engem Zusammenspiel mit der Leistungselektronik und der dort vorhandenen Sensorik arbeiten müssen. Die Rechenleistung an dieser Stelle reicht aus, um sowohl sensorlose Regelungsverfahren als auch eine vollständige Servoregelung auszuführen. Die Steuerteile, welche die Anwendungsfunktionen und Signalschnittstellen enthalten, brauchen nicht mehr in den verschiedenen Baugrößen entwickelt zu werden, sondern können sich an den Applikationen orientieren.

Im Fall der Lenze-Frequenzumrichter kommt ein so genanntes „StateLine"-Steuerteil für klassische, nicht dynamische Umrichteraufgaben zum Einsatz. Der Steuerteil „HighLine" enthält in Ergänzung hierzu die Schnittstellen für das Gebersystem und die Softwarefunktionen, die auch für Positionieraufgaben geeignet sind. Die Funktionen der Steuerteile bauen aufeinander auf, so dass der Anwender diese ohne große Einarbeitungshürden beziehungsweise im Rahmen überschaubarer Entwicklungsschritten beliebig mischen kann.

So entsteht ein Antriebsbaukasten, der den klassischen Anwendungsraum des Frequenzumrichters deutlich erweitert und für Anwendungen öffnet, die bislang Servoantrieben vorbehalten waren. Positioniervorgänge werden ausgeführt, ohne dass hierfür besondere Ergänzungen in der SPS-Steuerung notwendig sind. Für viele Aufgaben in hoch automatisierten Anlagen, in denen Material gefördert und gehandhabt wird, ist dieses Antriebskonzept eine optimale Architektur.

Autor: Dr. Edwin Kiel ist Leiter Innovation bei Lenze, Hameln.