Verglichen mit der 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 Verstärker hängen – teils in Kombination mit weiteren Steuerungen zur Bewegungsführung oder auch schon mal mit einem ausgewachsenen IPC ‚inside‘ – geschützt von der Außenwelt im Schaltschrank. Die Verbindung zu den Motoren wird bei diesem Aufbau sternförmig installiert. Weil bei der zentralen Servotechnik die Verlustwärme zentral an einem Ort entsteht, ist eine wirksame Schaltschrank-Klimatisierung notwendig.
Die dezentrale Servotechnik folgt dem Grundprinzip, die Motorregelung aus dem zentralen Schaltschrank herauszulösen, um diese Aufgabe räumlich direkt einem Prozess zuzuordnen. Diese Architektur macht robuste Technik mit hoher Schutzart notwendig und kommt häufig bei räumlich verteilten Einzelachsen zum Einsatz. Die Vorteile liegen vor allem beim geringeren Installationsaufwand insbesondere in puncto Motor­kabel. Zwei weitere Vorteile sind das bessere EMV-Verhalten sowie die großflächige Verteilung der Verlustwärme, was den Aufwand für Schaltschrank-Klimatisierungen entsprechend reduziert.

Gerade im Verpackungsmaschinenbau und bei Anlagen der Lebensmittel- und Getränkeindustrie ist die Tendenz erkennbar, statt meterlanger Schaltschrankwände eher kleine Einheiten in hoher Schutzart im Maschinengestell direkt zu verbauen. Der fortschreitende Trend zur Modularisierung von Produktionseinrichtungen macht gerade diese Arbeitsweise mit der schlüssigen Verteilung oder Zusammenfassung von Funktionen notwendig. Diese Aussage wird auch von der Tatsache untermauert, dass Anlagen in der Produktion in der Regel immer aus einem Hauptprozess und vielen sich daran angrenzenden Nebenaufgaben bestehen. Letztere sind zum Beispiel in Form von Fördertechnik, Sortierern oder Handling-Einheiten als variabel miteinander kombinierbare Module aufgebaut. Damit sind die Weichen für ein beliebiges Erweitern von Anlagen gestellt. Vor diesem Hintergrund zeigt die Praxis, dass ein dezentraler Aufbau vor allem bei räumlich verteilten Einzelantrieben vorteilhaft sein kann. Der Umkehrschluss bedeutet, dass bei Maschinenmodulen mit synchronisierten Achsen auf engstem Raum der zentrale Aufbau mit Schaltschrankreglern das Mittel der Wahl ist.

Dezentrale Technik – ein Rechenbeispiel

Die Einsparpotenziale der dezentralen Technik lassen sich am Beispiel einer realen Maschine mit acht Positionierachsen aus dem Bereich Metallumformung deutlich machen. Bisher war der zentrale Aufbau gekennzeichnet von Schaltschrank-umrichtern, geschirmten Kabeln zwischen Motoren und Reglern sowie einer weiteren Leitung für das Rückführungssystem. Die erste Achse ist fünf Meter vom Schaltschrank entfernt, jede weitere jeweils drei Meter weiter. Der Verkabelungsaufwand summiert sich bei den acht ­Positionierachsen auf 248 Meter. Ist ­stattdessen die Kombination aus einem ­Versorgungsmodul im Schaltschrank und acht dezentralen Servoreglern im Einsatz, reduziert sich die Länge auf 34 Meter.

Die Berechnung: Fünf Meter Hybridkabel mit Leistungsversorgung und Feedback zwischen Versorgungsmodul und dem nächstgelegenen dezentralen Servoregler. Dazu addieren sich jeweils noch einmal drei Meter zur Anbindung der weiteren sieben Achsen – macht 21 Meter. Bleibt noch die Versorgung der Motoren: Diese sind rund einen Meter von den dezentralen Servoreglern entfernt eingebaut. Weil die beispielshafte Lösung mit einer Einkabel-Anschlusstechnik ausgestattet ist, sind lediglich weitere acht Meter Leitung notwendig. Zusammengerechnet bringt der Einsatz der dezentralen Servoregler allein bei der Installation eine Ersparnis von 86 % – von 248 auf 34 Meter Kabel.

Mehr Ordnung im Kabelsalat: Sind Servoantriebsregler in unmittelbarer Nähe zu den Motoren im Einsatz (rechts im Bild), kann die aufwen­dige Sternver­drahtung aus einem zentralen Schaltschrank heraus entfallen. Die Installation wird übersichtlicher.

© Kollmorgen

Diese Zahlen geben eine Vorstellung davon, welche Effizienzgewinne gerade bei OEMs in puncto Kabelkosten, Montage und Installation möglich sind. Noch gravierender fallen diese aus, wenn die Achsen zusätzliche I/Os aufweisen. Statt 372 Metern Kabel werden dann nur noch 42 Meter benötigt – was einer Einsparung von 89 % entspricht.
Ein weiterer Gewinn der Verlagerung der Antriebe in die Maschine resultiert aus dem Minus an Verlustleistung im Schaltschrank. Dieser Effekt sorgt für einen Minderbedarf an Klimatisierung  und resultiert damit direkt in Einsparungen sowohl beim OEM als auch beim Endanwender. Da eine Schaltschrank-Klimatisierung geringer dimensioniert werden kann oder sogar komplett entfällt, sinken die Kosten für Hardware und den späteren Betrieb – was letztlich auch die Energie-Effizienz steigert.
Die Beispielrechnungen zeigen, dass die dezentrale Servotechnik in Kombination mit der Einkabel-Anschlusstechnik zwischen Motor und Regler enorm Platz spart. Dieser Umstand lässt sich trefflich nutzen für kleinere Kabeltrassen, leichtere Schleppketten, knappere Durchführungen – oder einfach auch für mehr Designfreiheit bei der Entwicklung neuer Maschinen. Letztere ergibt sich vor allem daraus, dass die verteilte Technik im Vergleich zu räumlich fixierten Zentralschaltschränken die Modularisierungsmöglichkeiten erweitert. Auf diese Weise können OEMs neue Anlagen aus bereits entwickelten Modulen konzipieren – was unter dem Strich das Engineering effizienter macht.

Das Für und Wider von ­Hybridlösungen

Eine zweite Möglichkeit, Antriebe dezentral in einer Anlage zu platzieren, ist der Einsatz integrierter Lösungen. Hierbei handelt es sich um Einheiten aus Motor und Servoumrichter ohne gesonderte Leitungsverbindung dazwischen. Dieser Vorteil bringt in der Praxis allerdings auch Nachteile mit sich. Hybride Ansätze – die so genannten Huckepack-Lösungen – werfen bei der Auslegung der Antriebe immer die Frage auf, wie hoch das Derating ausfällt. Hierbei muss man wissen, dass ein Wechselrichter seine Leistung immer mehr reduziert, je höher die Umgebungstemperatur ansteigt. Damit schützt sich das Bauteil selbst vor Überhitzung. Dieser Zusammenhang sorgt in der Praxis dafür, dass Motoren größer als notwendig ausgelegt werden müssen. In diesen Fällen zählt dann ­weniger die tatsächlich notwendige als vielmehr die wirklich gelieferte Leistung innerhalb der für die Elektronik verträglichen Temperaturgrenzen.

Fördern typische Servo-Antriebsaufgaben wie das schnelle Beschleunigen und Abbremsen beim Positionieren die Verlustleistung, so kann die dabei entstehende Wärme zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Auslegung hybrider Lösungen werden. Die Einheiten  bekommen schlicht Probleme damit, die Wärme effektiv abzugeben. Das räumlich getrennte Nebeneinander weist an dieser Stelle das bessere Wärmeverhalten auf und verhindert damit das konstruktiv bedingte Derating. Dieser Effekt schafft die Grundlage für kleinere Motorenleistungen in Verbindung mit besserer Energie-Effizienz.
Darüber hinaus sind integrierte Kombinationen meist fokussiert auf einen Motorentyp, was die optimale Auslegung innerhalb einer Applikation limitiert, zumal diese Einheiten durch ihren Aufbau auch noch weniger flexibel im Einbau sind.

Integration heißt die Antwort

Abschließend noch ein Beispiel für den Einsatz von Servoantriebstechnik in der Lebensmittelverarbeitung. Lässt sich das Schneiden von Wurst und Käse als Hauptaufgabe eines so genannten Slicers bezeichnen, so dient das nachgeschaltete Abführband dem Materialfluss. Weil es bei diesem Prozess nicht ausschließlich darum geht, einen Wurststapel von A nach B zu bringen, sondern diesen vielmehr beim Transportieren auch noch in Schindeln zu portionieren, wird die Bedeutung der Servotechnik als Positionierantrieb an dieser Stelle deutlich. Klar wird darüber hinaus, dass es sich bei diesem Bandantrieb um eine zwar hochdynamische, aber immer noch um eine Einzelachse handelt.

Gehäuselose Direktantriebe lassen sich konstruktiv nicht direkt mit dezentralen Servoreglern als Huckepack-Lösung verbinden. Regler in unmittelbarer Nähe erschließen dann die Vorteile dezentraler Architekturen und der Direktantriebstechnik.

© Kollmorgen

Spätestens an dieser Stelle taucht die Frage auf, wie sich diese Antriebsachse mit ihrer ausgeklügelten Motion-Control-Funktionalität vernünftig in den Maschinenverbund mit nach wie vor notwendigen 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 verdeutlicht, dass es nicht um eine Antwort darauf 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. Mit anderen Worten: Es gilt, Technik zum Einsatz zu bringen, die in puncto Performance perfekt zur Aufgabe passt, die aber zudem übergreifend betrachtet sehr gut mit anderen Akteuren kombinierbar ist.

Autor: Dr. Arne Linder ist tätig im Bereich Produktmanagement bei Kollmorgen, Ratingen.

Ein Kabel genügt

Für die Anschlusstechnik der IP67-Servo-regler aus der AKD-N-Reihe setzt beispielsweise Kollmorgen ein 11 mm dünnes Hybridkabel ein, 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 AKD-C verfügen über zwei Strings, an die sich jeweils bis zu acht dezentrale Servoregler mit einer Leistung bis 4 kW anschließen lassen. Safe Torque Off als Gruppen- oder Einzelabschaltung gehört zur Grundausstattung der Geräte und wird ebenfalls über das Hybridkabel geführt. Und auch zwischen dem dezentralen Servoregler und seinem angeschlossenen Motor sind aufgrund einer neuen Einkabel-Anschlusstechnik nicht mehr zwei Leitungen – Motorkabel und Rückführung – notwendig.