Das Zusammenwirken von Dezentral und Zentral
Hybride Automatisierungslösungen: Welche Antriebsarchitektur zum Einsatz kommt, ist heute keine dogmatische Frage mehr
Flexibilität unterstützt im Maschinen- und Anlagenbau den Trend zur Modularität - und umgekehrt. Modularisierung wiederum bildet die Grundlage, um individuelle Aufgaben passgenau zu lösen, ohne dabei immer wieder neu eine aufwändige Entwicklung zu starten. Folglich sind es flexibel miteinander kombinierbare Prozessmodule, die durch ihre Kombinierbarkeit - sozusagen aus einem Baukasten heraus - den Lösungsraum deutlich erweitern. Deshalb sind bei der Antriebstechnik simple Systeme gefragt, die aufgrund ihrer Einfachheit im Gesamtverbund Optimierungen mit sich bringen. Welche Rückschlüsse lassen sich daraus für die elektrische Servotechnik ziehen und was bringen dezentrale Lösungen?
Bild: AMK Arnold Müller GmbH & Co. KGDie elektrische Servotechnik rückt im Zusammenhang mit dezentralen Konzepten immer dichter an den Ort der Aufgabe. Bei AMK hat dies zur Entwicklung einer Reihe von dezentralen Geräten unter dem Dach Amkasmart geführt. Hierbei handelt es sich um Servowechselrichter, die von einem zentralen Einspeisemodul direkt aus dem DC-Zwischenkreis versorgt werden sowie um Geräte mit integrierter Einspeisung. Die dritte Variante lässt sich mit einem 'All-Inclusive-Modell' vergleichen: Servomotor mit integrierter Lageerfassung, Servoregler, Leistungselektronik und Echtzeit-Feldbusschnittstelle.
Zentral bei höheren Leistungen
Ohne Frage: Die Einsatzmöglichkeiten dezentraler Servotechnik sind groß. Allerdings gibt es nach wie vor Aufgaben, die sich besser mit zentraler Technik realisieren lassen. Hier sind in erster Linie die Hauptantriebe zu nennen, die für zentrale Maschinenprozesse mehr Leistung benötigen, als die dezentrale Technik zur Verfügung stellt: Walzen- oder Rollenantriebe, Hubwerke sowie Schweiß- und Schneideinrichtungen. Spätestens jetzt wird deutlich, warum die Zukunft im Maschinen- und Anlagenbau von hybriden Aufbauten geprägt sein wird. Das Neben- und Miteinander zentraler sowie dezentraler Technik wird den Normalfall darstellen. Effizienzgewinne gibt es folglich dann, wenn beide Lösungen ihre Vorteile voll ausspielen können. Bei den zentralen Reglern sind dieses unter anderem Kompaktheit, Rückspeisefähigkeit, skalierbare Funktionalität, optionale Flüssigkeitskühlung und die sparsame Installation bei der Einkabellösung mit nur einem Kabel zum Motor. Nur wenn hybride Umsetzungen - also das bedarfsgerechte Nebeneinander von zentraler und dezentraler Motorenregelung - ohne Einschränkungen bei den Schnittstellen möglich ist, sind Antriebsaufgaben innerhalb modular aufgebauter Maschinen wirklich passgenau ausrüstbar. Die dezentralen Antriebslösungen Amkasmart lassen sich vor diesem Hintergrund mit der kompletten Produktpalette der zentralen Antriebstechnik von AMK kombinieren. Die Plattform eröffnet maximalen Freiraum, konstruktiv unterschiedliche Geräte ohne Restriktionen miteinander zu kombinieren. Die dazugehörige Steuerung gibt es passend obendrauf. Ein weiterer Entwicklungsschritt in Richtung effektive hybride Automatisierung wurde durch die Leistungsstärke heutiger Kommunikationssysteme möglich. Die Unterteilung von Maschinen und Anlagen in die bekannten Ebenen der Automatisierungspyramide war letztlich eine Folge begrenzter Feldbuskommunikation sowie limitierender Rechenleistung zentraler Steuerungen. Echtzeit-Ethernet-Systeme wie Ethercat, Powerlink, Sercos oder Profinet erlauben aufgrund ihrer Bandbreite Topologien, die im Grunde genommen keinen Einschränkungen unterliegen. Werden an dieser Stelle auch noch die dramatisch gestiegenen Prozessorleistungen in die Betrachtung aufgenommen, dann folgt nach einem Verteilen der Steuerungstechnik in Maschinen heute fast schon wieder ein Zentralgedanke. Dieser Wandel bringt den Effekt mit, dass mit übergeordneten Anlagensteuerungen gearbeitet wird, dezentrale Ansätze aber ebenfalls zum Tragen kommen - und zwar elektromechanisch. Die Kosteneinsparungen liegen dabei vor allem bei der Verkabelung sowie dem Schaltschrankbau inklusive Klimatisierung.
Bild: AMK Arnold Müller GmbH & Co. KGDezentral mit hoher Leistungsdichte
Möglich wird dieses Mischen unterschiedlicher Welten bei gleicher Funktion und Handhabung innerhalb einer hybriden Automatisierung durch eine Reihe technischer Rahmenbedingungen. Auf Geräteebene haben etwa neue Bauteile dafür gesorgt, die Leistungsdichte dezentraler Regler in einem Maß zu erhöhen, dass bei AMK heute Antriebsaufgaben bis 5kVA Bemessungsleistung wirtschaftlich abzubilden sind. Hinzu kommen neue Kühlkonzepte und ein ausgeklügeltes Wärmemanagement, was die Geräte kleiner macht. Galt es zudem noch vor Jahren Bremsenergie im großzügigen Stil in Widerständen zu verheizen, senken DC-Verbund und Rückspeisung heute zudem das Entstehen von Verlustwärme bei gleichzeitig besserer Energieeffizienz. Damit einher geht ein Minderaufwand für das Kühlen der Einzelgeräte und ganzer Schaltschränke - was sich wiederum direkt auf den Platzbedarf auswirkt.
Offene Schnittstellen fördern Hybride
Unabhängig davon, an welchen Stellen gerechnet und geregelt wird: Die Schnittstellen zwischen den modularen Funktionseinheiten müssen klar beschrieben und möglichst offen gehalten sein. Das Kirchheimer Unternehmen setzt deshalb auf die Flexibilisierung der Automatisierungstechnik und vor allem auch auf die Kombinierbarkeit der verschiedenen Systemarchitekturen ohne zusätzliche Verteilerboxen für den Zwischenkreis oder die Echtzeit-Ethernet-Kommunikation.
Fazit
Flexible Produktionen brauchen modulare Maschinen, die sich aufgrund ihrer Anpassungsfähigkei maßgeschneidert in bestehende Fertigungen einfügen lassen und Spielraum für künftige Umbauten und Erweiterungen lassen. Nach wie vor herrscht deshalb der Trend, Maschinen in ihre Teilprozesse aufzuteilen. Die Hardware folgt dieser Forderung mit Möglichkeiten verteilter Intelligenz, schneller Kommunikation sowie zentralen wie dezentralen Regelungen. Das, was noch fehlt, heißt Software. Die Vorteile der Modulbauweise mit der Möglichkeit, einmal entwickelte Teilprozesse möglichst häufig wiederverwenden zu können, lassen sich erst dann in Gänze erschließen, wenn die Software ähnlich strukturiert ist. Intelligente Steuerungen sind heute durchaus in der Lage, zu erkennen, welche Module in welcher Reihenfolge mit ihnen verbunden sind. AMK setzt mit der modularen Arbeitsweise aus gutem Grund bereits im frühen Engineering an. Die Programmierumgebung Aipex Pro macht es möglich, selbst komplexe Anlagen an einem zentralen Ort abzubilden und zu bearbeiten.
Flexibilität unterstützt im Maschinen- und Anlagenbau den Trend zur Modularität - und umgekehrt. Modularisierung wiederum bildet die Grundlage, um individuelle Aufgaben passgenau zu lösen, ohne dabei immer wieder neu eine aufwändige Entwicklung zu starten. Folglich sind es flexibel miteinander kombinierbare Prozessmodule, die durch ihre Kombinierbarkeit - sozusagen aus einem Baukasten heraus - den Lösungsraum deutlich erweitern. Deshalb sind bei der Antriebstechnik simple Systeme gefragt, die aufgrund ihrer Einfachheit im Gesamtverbund Optimierungen mit sich bringen. Welche Rückschlüsse lassen sich daraus für die elektrische Servotechnik ziehen und was bringen dezentrale Lösungen?
Bild: AMK Arnold Müller GmbH & Co. KGDie elektrische Servotechnik rückt im Zusammenhang mit dezentralen Konzepten immer dichter an den Ort der Aufgabe. Bei AMK hat dies zur Entwicklung einer Reihe von dezentralen Geräten unter dem Dach Amkasmart geführt. Hierbei handelt es sich um Servowechselrichter, die von einem zentralen Einspeisemodul direkt aus dem DC-Zwischenkreis versorgt werden sowie um Geräte mit integrierter Einspeisung. Die dritte Variante lässt sich mit einem 'All-Inclusive-Modell' vergleichen: Servomotor mit integrierter Lageerfassung, Servoregler, Leistungselektronik und Echtzeit-Feldbusschnittstelle.
Zentral bei höheren Leistungen
Ohne Frage: Die Einsatzmöglichkeiten dezentraler Servotechnik sind groß. Allerdings gibt es nach wie vor Aufgaben, die sich besser mit zentraler Technik realisieren lassen. Hier sind in erster Linie die Hauptantriebe zu nennen, die für zentrale Maschinenprozesse mehr Leistung benötigen, als die dezentrale Technik zur Verfügung stellt: Walzen- oder Rollenantriebe, Hubwerke sowie Schweiß- und Schneideinrichtungen. Spätestens jetzt wird deutlich, warum die Zukunft im Maschinen- und Anlagenbau von hybriden Aufbauten geprägt sein wird. Das Neben- und Miteinander zentraler sowie dezentraler Technik wird den Normalfall darstellen. Effizienzgewinne gibt es folglich dann, wenn beide Lösungen ihre Vorteile voll ausspielen können. Bei den zentralen Reglern sind dieses unter anderem Kompaktheit, Rückspeisefähigkeit, skalierbare Funktionalität, optionale Flüssigkeitskühlung und die sparsame Installation bei der Einkabellösung mit nur einem Kabel zum Motor. Nur wenn hybride Umsetzungen - also das bedarfsgerechte Nebeneinander von zentraler und dezentraler Motorenregelung - ohne Einschränkungen bei den Schnittstellen möglich ist, sind Antriebsaufgaben innerhalb modular aufgebauter Maschinen wirklich passgenau ausrüstbar. Die dezentralen Antriebslösungen Amkasmart lassen sich vor diesem Hintergrund mit der kompletten Produktpalette der zentralen Antriebstechnik von AMK kombinieren. Die Plattform eröffnet maximalen Freiraum, konstruktiv unterschiedliche Geräte ohne Restriktionen miteinander zu kombinieren. Die dazugehörige Steuerung gibt es passend obendrauf. Ein weiterer Entwicklungsschritt in Richtung effektive hybride Automatisierung wurde durch die Leistungsstärke heutiger Kommunikationssysteme möglich. Die Unterteilung von Maschinen und Anlagen in die bekannten Ebenen der Automatisierungspyramide war letztlich eine Folge begrenzter Feldbuskommunikation sowie limitierender Rechenleistung zentraler Steuerungen. Echtzeit-Ethernet-Systeme wie Ethercat, Powerlink, Sercos oder Profinet erlauben aufgrund ihrer Bandbreite Topologien, die im Grunde genommen keinen Einschränkungen unterliegen. Werden an dieser Stelle auch noch die dramatisch gestiegenen Prozessorleistungen in die Betrachtung aufgenommen, dann folgt nach einem Verteilen der Steuerungstechnik in Maschinen heute fast schon wieder ein Zentralgedanke. Dieser Wandel bringt den Effekt mit, dass mit übergeordneten Anlagensteuerungen gearbeitet wird, dezentrale Ansätze aber ebenfalls zum Tragen kommen - und zwar elektromechanisch. Die Kosteneinsparungen liegen dabei vor allem bei der Verkabelung sowie dem Schaltschrankbau inklusive Klimatisierung.
Bild: AMK Arnold Müller GmbH & Co. KGDezentral mit hoher Leistungsdichte
Möglich wird dieses Mischen unterschiedlicher Welten bei gleicher Funktion und Handhabung innerhalb einer hybriden Automatisierung durch eine Reihe technischer Rahmenbedingungen. Auf Geräteebene haben etwa neue Bauteile dafür gesorgt, die Leistungsdichte dezentraler Regler in einem Maß zu erhöhen, dass bei AMK heute Antriebsaufgaben bis 5kVA Bemessungsleistung wirtschaftlich abzubilden sind. Hinzu kommen neue Kühlkonzepte und ein ausgeklügeltes Wärmemanagement, was die Geräte kleiner macht. Galt es zudem noch vor Jahren Bremsenergie im großzügigen Stil in Widerständen zu verheizen, senken DC-Verbund und Rückspeisung heute zudem das Entstehen von Verlustwärme bei gleichzeitig besserer Energieeffizienz. Damit einher geht ein Minderaufwand für das Kühlen der Einzelgeräte und ganzer Schaltschränke - was sich wiederum direkt auf den Platzbedarf auswirkt.
Offene Schnittstellen fördern Hybride
Unabhängig davon, an welchen Stellen gerechnet und geregelt wird: Die Schnittstellen zwischen den modularen Funktionseinheiten müssen klar beschrieben und möglichst offen gehalten sein. Das Kirchheimer Unternehmen setzt deshalb auf die Flexibilisierung der Automatisierungstechnik und vor allem auch auf die Kombinierbarkeit der verschiedenen Systemarchitekturen ohne zusätzliche Verteilerboxen für den Zwischenkreis oder die Echtzeit-Ethernet-Kommunikation.
Fazit
Flexible Produktionen brauchen modulare Maschinen, die sich aufgrund ihrer Anpassungsfähigkei maßgeschneidert in bestehende Fertigungen einfügen lassen und Spielraum für künftige Umbauten und Erweiterungen lassen. Nach wie vor herrscht deshalb der Trend, Maschinen in ihre Teilprozesse aufzuteilen. Die Hardware folgt dieser Forderung mit Möglichkeiten verteilter Intelligenz, schneller Kommunikation sowie zentralen wie dezentralen Regelungen. Das, was noch fehlt, heißt Software. Die Vorteile der Modulbauweise mit der Möglichkeit, einmal entwickelte Teilprozesse möglichst häufig wiederverwenden zu können, lassen sich erst dann in Gänze erschließen, wenn die Software ähnlich strukturiert ist. Intelligente Steuerungen sind heute durchaus in der Lage, zu erkennen, welche Module in welcher Reihenfolge mit ihnen verbunden sind. AMK setzt mit der modularen Arbeitsweise aus gutem Grund bereits im frühen Engineering an. Die Programmierumgebung Aipex Pro macht es möglich, selbst komplexe Anlagen an einem zentralen Ort abzubilden und zu bearbeiten.
AMK Arnold Müller GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN HMIS 2014 - 02.04.14.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
