Von der Drehbewegung zu Bewegungsabläufen

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1 Elektrische Antriebstechnik gestern heute morgen Von der Drehbewegung zu Bewegungsabläufen Weg von der konstanten und kontinuierlichen Drehbewegung mit fester Drehzahl dieses Bestreben prägte die Fortschritte in der elektrischen Antriebstechnik in den letzten 50 Jahren. Der Rückblick macht deutlich: Das, was heute die Antriebstechnik ausmacht Positionieren, Motion Control oder Antriebssynchronisation über Busse ist alles gerade mal zwei Jahrzehnte alt oder sogar weniger. Obwohl Motoren für die Umwandlung der elektrischen Energie in Bewegungsenergie das maßgebliche Element darstellen, ist ihre Entwicklung doch stark mit den Entwicklungen im Bereich der elektrischen bzw. elektronischen Ansteuerung verknüpft. Erst durch die technologischen Fortschritte in diesem Bereich konnten neue Motorenkonzepte überhaupt nutzbar gemacht werden. Dennoch fallen die wesentlichen Entwicklungen in der Motorentechnik nicht in das Zeitalter der Digitaltechnik, sondern fanden zum großen Teil bereits früher statt. Das zeigt eine Betrachtung der letzten 50 Jahre den Zeitraum, den die IEE seit ihrem Bestehen beobachtete. So bestanden bereits Mitte der fünfziger Jahre mit Gleichstrommotoren und dem Aufkommen von Schrittmotoren Möglichkeiten der Positionierung. Servomotoren seit über 25 Jahren erfolgreich Ein wesentlicher Meilenstein in der Geschichte der Antriebs- und Positioniertechnik war die Entwicklung des Brushless-Motors, besser bekannt als AC- Servomotor. Den ersten Motor dieser Art entwickelte Indramat und stellte diesen Motortyp 1979 dem Markt vor. An der Weiterentwicklung der Servomotoren zu ihrer heutigen, kompakten Form haben maßgeblich die Fortschritte beim verfügbaren Magnetmaterial beigetragen. Bis 1990 kamen die seit 1970 verfügbaren Seltene-Erden-Magneten aus Sm Co-Material zum Einsatz. Sie ermöglichten Energiedichten von etwa 150 bis 250 kj/m 3. Ab 1990 konnten Motorenbauer auf die neuen Nd Fe B-Magneten zurückgreifen, die zu deutlich kompakteren Motoren führten. Mit diesem Magnetmaterial ließen sich Motoren konstruieren, die mit Energiedichten von 300 bis 350 kj/m 3 aufwarteten. Im Prinzip entsprachen die Servomotoren zu diesem Zeitpunkt rein elektrisch bereits den heute bekannten Antrieben. AUTOR Christian Hoepner ist Redakteur der IEE. 18-spindeliger Bohrautomat mit Sinumerik zum Positionieren in drei Achsen, 1967 Die erste von Danfoss serienmäßig gefertigte Frequenzumrichter-Serie VLT 5 von 1969, die Geräte waren in analoger Technik ausgeführt. 26 IEE 50. Jahrgang 7/8-2005

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3 Theoretischen Berechnungen zufolge liegt die maximal mögliche Energiedichte bei 960 kj/m 3, die tatsächlich realisierbare Energiedichte beträgt aus verschiedenen Gründen allerdings nur 720 kj/m 3. Das lässt also noch auf weitere Sprünge bei der Energiedichte hoffen. So sagte der Ende der Neunziger verstorbene Prof. Jordan, ehemals Indramat, bereits vor Jahren für 2000 den nächsten Sprung mit noch besseren Magnetmaterialien voraus, die zu Energiedichten von 450 bis 500 kj/m 3 führen. Diese Prophezeiung hat sich nicht erfüllt, auch bis heute nicht. Aber Tatsache bleibt, dass noch Potenzial besteht. Der Frequenzumrichter Beginn einer neuen Ära Ein wesentlicher Aspekt für den Einsatz von elektrischen Antrieben ist die Möglichkeit der Drehzahlregelung begann die industrielle Nutzung der Pulsweitenmodulation für die variable Drehzahlregelung, aber erst zehn Jahre später folgten die ersten Frequenzumrichter. Danfoss stellte 1969 seinen ersten serienmäßig gefertigten Frequenzumrichter vor, noch in analoger Technik und mit Puls-Amplituden-Modulation (PAM) als Steuerverfahren für die thyristorbestückten Wechselrichter. Er hatte keine galvanische Trennung zwischen Leistungsund Steuerteil. Die Leistungsendstufe wurde in Transformatoröl gekühlt. In der zweiten Hälfte der Achtziger führte die Umstellung der Leistungsmodule auf IGBT-Technologie zu deutlich besseren Wirkungsgraden. Einen bedeutenden Technologiesprung stellte die ab Mitte der Achtziger einsetzende Digitalisierung im Bereich der Frequenzumrichter dar. Abgesehen von neuen Kommunikationsmöglichkeiten eröffnete dieser Schritt auch die Integration ganz neuer Funktionalitäten. So wurde bereits zu diesem Zeitpunkt versucht, Positionierfunktionen in die Umrichter zu implementieren. Zu diesem Zeitpunkt tauchten am Markt auch verstärkt Umrichter mit integrierter SPS auf. Etwa zeitgleich zu den Frequenzumrichtern setzte in gleichem Maß die Digitalisierung bei den Servoumrichtern ein, anfangs allerdings noch mit analoger Schnittstelle zur übergeordneten Positioniersteuerung oder CNC. Die bereits seit Anfang 1980 verfügbaren Positioniersysteme wanderten dann Anfang der 90er auch in die Verstärker. Mussten zunächst umfangreiche Systeme auf Grund der begrenzten Rechnerleistung noch dezentral konzipiert werden, spricht seit Aufkommen der Pentium-Rechnertechnologie seit Mitte der 90er nichts mehr gegen zentrale Steuerungsansätze mit integrierter Motion Control- und SPS-Funktionalität. Die Fra- ge, ob zentral oder dezentral, wird heute einerseits durch die Anwendung bestimmt und hat sich andererseits auch ein Stück weit zu einer Philosophiefrage entwickelt. Drehgeber Informationsbasis für moderne Antriebskonzepte Die Gebertechnik hatte auf dem Weg zum heutigen Stand der Antriebssteuerung eine Schlüsselfunktion. Sie vollzog ebenfalls den Wandel von der Analog- zur Digitaltechnik. Verfügte man früher für Positionieraufgaben nur über 3-Geber- Systeme aus Tachometer, Hall-Geber und Inkrementalgeber, bedeutete der ebenfalls noch analoge Resolver als 1-Gebersystem schon einen deutlichen Fortschritt. Er wird aktuell in der breiten Masse mehr und mehr von den digitalen Gebersystemen, basierend auf magnetischen, optischen oder gemischten Funktionsprinzipien, abgelöst. Die Entwicklung hat bis heute zu sehr ausgereiften Systemen geführt, Fortschritte werden immer wieder bei der Baugröße und der Störunempfindlichkeit erzielt. Sprichwörtlich neue Impulse kamen in jüngster Zeit u. a. durch Projekte mit dem Ferraris-Beschleunigungssensor. Er eignet sich speziell für den Einsatz in Systemen mit rotativen und linearen Direktantrieben, bei denen die Lastbeschleunigung direkt zurück geführt werden muss stellte Indramat die ersten AC-Servomotoren vor, sie läuteten eine neue Ära im Bereich von Motoren ein. Gleichstromantrieb mit 4Q-Stromrichter und IP44-Motoren von Lenze, um IEE 50. Jahrgang 7/8-2005

4 SONDERTEIL Hier liefern nach dem Ferraris-Prinzip arbeitende Geber bestechend gute Ergebnisse. Es sind auch schon einsatzfähige Systeme verfügbar, jedoch haben die mit dem Prinzip verbundenen Probleme bisher einen breiteren Einsatz verhindert. Die ganzen Fortschritte im Bereich der Antriebssteuerungen wären in dieser Form nicht ohne die Kommunikation über Feldbusse möglich gewesen. Schon sehr früh nach dem Aufkommen von Feldbussen etwa um 1990 bis 1992 machte man sich Gedanken, wie sich die Antriebstechnik in die Feldbuskommunikation einbinden lässt. So definierte zu dieser Zeit beispielsweise die Encom- Nutzergruppe eine einheitliche Geräteschnittstelle und einheitliche Gerätefunktionen für Winkelkodierer. Das Profil setzte auf Interbus-S auf und ermöglichte die direkte Verwendung von Istwerten zur Steuerung von Drivecom-Antrieben in Interbus-S-Netzwerken. Feldbusse Rückgrat der Antriebskommunikation Stichwort Drivecom: Etwa zeitgleich zu Encom beschrieb die Drivecom-Gruppe die Anwendung des Interbus-S für Antriebe. Das Drivecom-Profil erfasste zunächst Ein- und Mehrachsantriebe, dann folgten Festlegungen für Positioniersteuerungen und Servoantriebe. Parallel zu den wichtigsten Feldbussen gewann in der zweiten Hälfte des vergangenen Jahrzehnts ein spezieller Antriebsbus Bedeutung: Sercos erfüllte von Anfang an die für umfangreiche Mehr - achssysteme unverzichtbaren Forderungen nach Determinismus und geringem Jitter. Er galt einige Jahre als sehr komplex, was eine zügige Verbreitung hemmte. Steigende Anforderungen im Bereich der Antriebssynchronisation (z. B. elektrische Welle ) haben inzwischen jedoch dafür gesorgt, dass die Leistungsfähigkeit des Kommunikationskonzepts auf breiterer Ebene geschätzt und genutzt wird. Gerade in den letzten Jahren nahm daher die Verbreitung zu. Was anfangs keiner für möglich hielt: Seit kurzer Zeit wird sogar schon Ethernet in Anfang der 80er Jahre entwickelte Elau die Positioniersteuerung SX-1, welche von allen großen Automobilherstellern eingesetzt wurde; die SX-1 war mit einer Basicähnlichen Sprache frei programmierbar und agierte autark zur SPS. den unterschiedlichen Realtime-Varianten als Kommunikationslösung für Antriebssysteme gehandelt. Aber auch hier erweist sich wieder wie schon bei den Feldbussen das Vorhandensein von mehreren verschiedenen, herstellergetriebenen Ansätzen als Hemmschuh für eine schnelle Verbreitung. Dass jedoch grundsätzlich kein Weg an Ethernet vorbei führt, zeigen die mittlerweile umfangreich vorhandenen Marktlösungen. PLCopen Antwort auf steigende Engineering-Kosten Wer von Antriebstechnik spricht, denkt an Motoren, Umrichter und Servoverstärker aber auch an Steuerungen und Antriebskommunikation. Tatsache ist jedoch, dass der größte Teil des Engineerings heute im Bereich Software anfällt auch für die Antriebstechnik. Hier herrschten lange Zeit proprietäre Systemwelten, die einen Schulterschluss zwischen Antriebs- und SPS-Programmierung verhinderten. Die SPS-Programmierung dagegen konnte sich auf den IEC Standard stützen, dessen Anfänge bereits 15 Jahre zurückreichen. Daher begann vor etwa fünf Jahren die IEE 50. Jahrgang 7/

5 PLCopen als Nutzerorganisation der IEC Anwender, einen Standard für die Programmierung von Motion Control- Systemen ins Leben zu rufen. In der Folge entstand eine umfangreiche Bibliothek von Programmbausteinen den PLC - open-modulen mit denen sich Antriebssysteme aus einem IEC Programm heraus ansteuern lassen. Die Module der Bibliothek sind zertifiziert und daher herstellerübergreifend anwendbar. Auf Basis der standardisierten PLC open-module lassen sich so ganze Bewegungsabläufe definieren. Diese Entwicklung stellt einen bedeutenden Schritt auf einem Weg dar, der noch nicht zu Ende ist. Bereits heute existieren für bestimmte, bei vielen Maschinenmodulen immer wiederkehrende Abläufe fertig definierte Bewegungsabläufe auf Basis von PLCopen-Modulen, z. B. fliegende Säge oder Wickler. Die steigende Software-Komplexität haben einige Automatisierer zum Anlass genommen, ganze Maschinenfunktionen in einzelne Abläufe zu zerlegen und in Software-Modulen zu kapseln. Diese sehr hoch integrierten Software-Module, die neben Motionfunktionen auch umfangreiche Logik und die ganze Betriebsartensteuerung beinhalten, basieren nicht immer auf PLCopen. Der PLCopen-Standard muss deswegen nicht wackeln, Tatsache ist jedoch, der Integrationsgrad bei Software- Modulen für die Antriebstechnik steigt. Vom Motorenbauer zum Automatisierer Will man nun für die Entwicklung der Antriebstechnik in den letzten fünf Jahrzehnten ein Resümee ziehen, so findet sich aus technischer Sicht reichlich Stoff für eine glorreiche Geschichte. Was dabei aber zu kurz kommt, sind die strukturellen Veränderungen, die sich für die Hersteller von Antriebskomponenten ergeben haben. Gerade in diesem Segment existierten schon vor 40 und 50 Jahren heute sehr bekannte Namen. Die meisten beschäftigten sich damals vorwiegend mit Motorenbau. Und heute? Einige haben die Chancen genutzt, die sich für die Antriebstechnik ergeben haben: Durch die Einbeziehung von klassischen SPS-Funktionalitäten in Antriebssteuerungen und den Schulterschluss mit der Welt der SPS-Programmierung lassen sich heute einige Maschinenkonzepte von der Seite der Antriebstechnik her aufrollen. Diese Entwicklung haben viele Unternehmen erkannt und sich von reinen Antriebsspezialisten zu mehr oder weniger vollwertigen Automatisierern weiterentwickelt oder sie sind auf dem Weg dahin. Sie haben ihre Portfolios um Steuerungen, E/A-Module, Bedien- und Steuer-Panels sowie Programmier- oder sogar Engineering-Systeme erweitert und sind heute die erste Adresse, wenn es um die Umsetzung eines Maschinenkonzepts geht das, was noch vor 10 bis 15 Jahren die Steuerungshersteller waren. FIRMENVORSTELLUNG wendung von sicherheitstechnischen Standardfunktionen wie Not-Aus, Schutztür- und Zweihandüberwachung bis hin zu individuellen Anforderungen. Sichere Automatisierungstechnik von Pilz vermeidet Stillstandszeiten und gewährleistet damit effizientere und profitablere Produktionsabläufe. Auf Wunsch übernimmt Pilz im Frühstadium einer Anlagenplanung neben der Produkt- auch eine ausführliche Sicherheitsberatung auf Basis der aktuellen Normenlage Das 1948 gegründete Unternehmen Pilz ist Lösungsanbieter für die sichere Automation. Pilz bietet Produkte für die Steuer- und Überwachungstechnik, für die sichere Steuerungstechnik sowie für die Sensorik. Weiterhin deckt das Unternehmen auch die Bereiche Befehlen und Melden sowie Bedienen und Beobachten ab. Sicherheitsschaltgeräte, programmierbare Sicherheitssteuerungen und sichere, offene Bussysteme ermöglichen Lösungen für jede Anund unterstützt die Kunden bei Konfiguration, Auswahl und Einsatz ihrer Systeme. Hinzu kommen Produktschulungen und Seminare zu übergeordneten Themen wie Pressenumrüstung oder CE- Kennzeichnung. Sicherheitstechnik von Pilz kommt in allen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus zum Einsatz. Darüber hinaus gewährleisten Produkte von Pilz, dass Gepäckförderanlagen in Flughäfen gefahrlos laufen, Theaterkulissen sich reibungslos bewegen und Seil- oder Achterbahnen sicher unterwegs sind. Pilz unterstützt die Anwender weltweit mit über 1000 Mitarbeitern und 23 Tochtergesellschaften. KONTAKT Pilz GmbH & Co. KG, Sichere Automation,Felix-Wankel-Straße 2, Ostfildern, Germany, Tel.: +49/711/ , Fax: +49/711/ , Internet: 30 IEE 50. Jahrgang 7/8-2005