Auf dem Weg zur Smart Factory spielen die Antriebstechnik und ihre Steuerung eine tragende Rolle. Die dazu notwendige Digitalisierung muss in allen Bereichen erfolgen, einschließlich der Motoren. Als Smart Drive sind sie nicht mehr reine Befehlsempfänger, die einfach nur ihre Kraft zur Verfügung stellen, sondern intelligente Partner in der Automationskette. Dabei wird die Abgrenzung zwischen Sensor und Aktor immer weiter aufgeweicht und sogar ein eigener ‚Ermessensspielraum‘ geschaffen.

Ein Beispiel dafür ist Predictive Maintenance, dabei werden beispielsweise Motoren- und Vibrationsgeräusche der rotierenden Welle vom Smart Drive selbst erfasst und ausgewertet, um einen sich anbahnenden Lagerschaden vorzeitig zu erkennen. Dadurch werden lange Ausfallzeiten vermieden, da ein mögliches defektes Teil frühzeitig getauscht werden kann. Darüber hinaus können Unfälle vermieden werden, da beispielsweise ein plötzliches Blockieren eines Lagers oder ein klemmender Schlitten einer CNC-Fräse rechtzeitig bemerkt und die Maschine gestoppt wird, bevor diese Schäden nimmt oder im schlimmsten Fall ein Personenschaden verursacht.

Durch die Verlagerung der Intelligenz in den Motor werden diese nicht nur smarter, sondern auch effizienter – nicht nur in Bezug auf ihre Daten und Kennwerte, sondern auch in Bezug auf ihre Leistungsaufnahme: Durch Sanftanlauf oder Drehzahlabsenkung kann Energie gespart werden, und auch ein Ausgleich der Netzlast und damit die Vermeidung ungewollter Spannungseinbrüche (Browns Out) ist möglich.

Der Einfluss von Kommunikationsmitteln

Smart Drives werden immer intelligenter und verwischen die Grenze zwischen Sensor und Aktor. © TQ-Group

Eine dazu komplementäre Entwicklung ist TSN (Time Sensitive Network). Diese Erweiterung von Ethernet adressiert vor allem die Übertragung mit sehr geringer Latenz und hoher Verfügbarkeit. Mögliche Anwendungsgebiete sind konvergente Netzwerke mit Echtzeit-Steuerströme und Echtzeit-Audio-/Videoströmen, die beispielsweise in Industrieanlagen zur Steuerung und Überwachung eingesetzt werden.

Einen weiteren Freiheitsgrad für die Einsatzmöglichkeiten von Smart Drives sind Funknetzwerke. Es gibt eine Vielzahl an industriellen Wireless-Lösungen, die zum Einsatz kommen können, beispielsweise bei beengten Platzverhältnissen, wo eine zusätzliche Verdrahtung nicht möglich ist. Standards wie WLAN, NFC und Bluetooth sind daher in der Industrie weitverbreitet und tragen zur schnellen drahtlosen Datenübertragung bei.

Der Kommunikationsaufwand verkleinert sich allerdings, je smarter der Antrieb ist: Er reduziert die zu übertragenden Daten, in dem komplexe Entscheidungen vor Ort getroffen werden. Mit Künstlicher Intelligenz (KI) lässt sich der Handlungsspielraum weiter vergrößern. Neben der bereits erwähnten Predictive Maintenance können beispielsweise auch plötzlich auftretende Anomalien erkannt werden. Durch gezielte Verlagerung der Intelligenz hin zum Device werden so übergeordnete Steuerungen entlastet und bekommen nur das Ergebnis mitgeteilt.

Anforderungen an integrierte Elektronik

Dazu muss die Elektronik einige Eigenschaften erfüllen, die anhand der Texas Instruments Mikrocontroller/CPU AM243x (Cortex R5F MCU) und AM64xx (Cortex A53 CPU) und deren Funktionalitäten verdeutlicht werden soll. Diese Pin-kompatiblen Bausteinfamilien von TI dienen als Basis für eine skalierbare Smart-Drive-Plattform: Von einem Cortex-R5F-Kern mit 800 MHz Takt bis hin zu den AM64x-Derivaten mit zwei Cortex-A53- (1 GHz) und vier Cortex-R5F-Kernen, bieten diese beiden Familien ein sehr breites Spektrum an Skalierbarkeit und Anpassbarkeit an die Anforderungen des Motors.

Die TQ-Group nutzt die Pin-Kompatibilität für ein gemeinsames Moduldesign, um die volle Skalierbarkeit erhalten zu können. Das heißt, beide CPU-/MCU-Familien können je nach Anforderungen beziehungsweise als Bestückungsvariante für das jeweilige Basis-Design der Steuerelektronik verwendet werden. Dies spart nicht nur Zeit, sondern auch Ressourcen, da ein Design für eine Steuerplatine mehrfach verwendet werden kann.

Beide CPU-/MCU-Familien bieten 9 × PWM (Pulsweitenmodulation), welche die Grundlage für Motorenansteuerung ist, und somit die Möglichkeit bis zu neun Motoren gleichzeitig anzusteuern. Zusätzlich sind 18 Sigma-Delta-Filter vorhanden, die typischerweise zur Strommessung bei Motorenansteuerungen verwendet werden. Diese sind Teil der PRU-ICSS (Programmable Real-time Unit – Industrial Communication Sub System) und ermöglichen die Echtzeiteigenschaften der Bausteine. AM64x/AM243x besitzen jeweils zwei PRUs, die diverse vorzertifizierte Feldbus-Protokolle unterstützen, darunter Profinet IRT/ RT, Ethernet/IP, Ethercat, TSN und viele weitere gängige Ethernet-basierte Systeme. Jede der beiden PRUs besitzt zwei dedizierte Gigabit-Ethernet-Ports, die für echtzeitfähige oder normale Gigabit-Ethernet-Verbindungen benutzt werden können und rückwärtskompatibel sind zu langsameren Geschwindigkeiten wie 10/100 Mbits. Somit stehen diesen Plattformen bis zu vier echtzeitfähige Gigabit-Ethernet-Ports sowie ein Gigabit-Ethernet-Port der CPU zur Verfügung. Positionsbestimmung der Lage oder Winkel einer rotierenden Welle im Motor kann über die Multipositions-Protokoll-Encoder-Schnittstelle (6×) gemessen und bestimmt werden. Ein weiteres wichtiges AM64x/AM243x-Feature für ein Smart Drive ist der 12-bit A/D-Umsetzer, der analoge Signale von einfachen Sensoren direkt digitalisieren und auswerten kann.

Die Prozessor-/Mikrocontroller-Familien eignen sich somit ideal für den Einsatz in Smart Drives. Ein relevanter Aspekt ist jedoch der Platzbedarf, da es nicht immer nur um hallenfüllende Motoren geht: Mit Embedded Modulen wie dem TQMa64xxL/TQMa243xL, welche mit 38 mm × 38 mm etwa der Größe einer halben Kreditkarte entsprechen, lässt sich die Miniaturisierung der Steuerungstechnik vorantreiben.