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SpindelhubgetriebeTubix-Baureihe: Eine Form, viele Möglichkeiten

Tubix-Getriebe von Neff

Neues entsteht, wenn damit begonnen wird, sich über vorhandene, bisher als Status quo anerkannte Prinzipien hinwegzusetzen. Auf diese Weise hat beim Unternehmen Neff Gewindetriebe ein kreatives Team die bisher bekannten Spindelhubgetriebe neu gedacht und die Tubix-Baureihe entwickelt.

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ServoreglerDer Zeit voraus

Die Anforderungen der Anwender an die Antriebsregler wachsen kontinuierlich. Dynamik, Regelgüte, Modularität und Skalierbarkeit sind schon fast Standard. Wie kann der Hersteller diese Wünsche umsetzen, ohne die wirtschaftliche Komponente aus den Augen zu verlieren?
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Antriebstechnik: Der Zeit voraus

Die Ablösung der bisher gültigen Maschinenrichtlinie EN 954-1 Ende 2009 durch die Norm EN ISO 13849-1, stellt im Bereich der Sicherheitstechnik neue Anforderungen an die Systemstrukturen moderner Antriebsregler. Trotz der Komplexität der Systeme müssen die Regler leicht konfigurierbar und zu warten sein, um die Kosten für das Engineering möglichst niedrig zu halten. Das schafft wiederum mehr Investitionssicherheit. Bisherige Lösungen mit Mikrocontrollern stoßen hier an ihre Grenzen. Um den gewachsenen Ansprüchen gerecht zu werden, setzte Ferrocontrol bei der Entwicklung der neuen Servoreglerbaureihe D3 auf FPGA-Technologie (ein FPGA ist "vor Ort programmierbar" und daher universell einsetzbar). Die Funktionen beziehungsweise Schaltungen eines FPGAs werden erst durch die spezifische Konfiguration der internen Hardware-Struktur erzeugt - zugeschnitten auf eine bestimmte Anwendung. Für die Konfigurierung von FPGAs wird die verbreitete Hardwaresprache VHDL benutzt. Die damit erzeugten Schaltstrukturen werden anschließend in den Baustein übertragen und aktiviert. Aus einem "unbeschriebenem Blatt" ist eine spezifische digitale Schaltung geworden. Regelalgorithmen des Anwenders - kostbares Know-how - können leicht in einen FPGA übernommen werden. Lösungen mit FPGAs sichern Flexibilität auf lange Sicht: Die Konfiguration kann ohne großen Aufwand den technischen Entwicklungen angepasst werden und Fehler lassen sich auch im Nachhinein schnell beheben. Für den Maschinenbauer verringern sich Entwicklungszeiten und -kosten erheblich.

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Mehr Flexibilität mit FPGA-Technologie

Die komplette Antriebsregelung ist parallel auf einem FPGA platziert, also "in VHDL gegossen". Die Regelalgorithmen werden parallel abgearbeitet, nicht sequentiell wie in einem Mikrocontroller. Mit dieser quasi-analogen Regelung entsteht eine neue Generation von Reglern mit extrem hoher Regelgüte und Regelgeschwindigkeit. Stromregler, Drehzahlregler und Lageregler arbeiten in einem Takt. Der "D3" setzt damit neue Maßstäbe: Maximale Dynamik mit Taktfrequenzen, die parametrierbar sind in Stufen von 8, 16 und 24 KHz. Oversampling-Verfahren gewährleisten bei der Geberauswertung und der Stromwerterfassung eine optimale Regelgüte. Durch die Parallelverarbeitung werden keine zusätzlichen Latenzzeiten in den Regelschleifen erzeugt. Zur Verbesserung der Regelgüte kann auf Istwertfilter völlig verzichtet werden. Überlagerte Funktionalitäten wie der Profilgenerator oder die Zustandsmaschine des Reglers werden auf einem Soft-Core Prozessor abgearbeitet - dem Nios II. Dieser Prozessor befindet sich zusammen mit der Antriebsregelung auf dem FPGA. Eine weiteres Highlight des Reglers ist die Open Motion Controller Platform (OMCP): Kunden können eigene Algorithmen in den "D3" integrieren, die sie über Simulation (offline) oder Prototypenprüfstände (HiL - online) entworfen haben. Die Algorithmen werden durch die Integration auch vor Raubkopien geschützt. Vom Kunden entwickelte Matlab Simulink-Algorithmen können in die Reglersoftware eingebunden werden. Der Kunde muss sich jedoch nicht mehr mit der Umsetzung von Simulink-Algorithmen in C oder VHDL beschäftigen und den damit verbunden Quantisierungsschritten, sowie Modultests. Ferrocontrol verwendet hierzu ein Ressourcenbedarf optimierenden VHDL-Autocoder mit selbstentwickelter Testumgebung. Individuelle Kundenlösung lassen sich damit schnell und flexibel in den Software-Rahmen des D3 implementieren.

OMCP ist der Schlüssel zur Integration

Die Einbindung von Sicherheitsfunktionen in das Gesamtkonzept, ist ein integraler Bestandteil des D3. Ende 2009 wird die Maschinenrichtlinie EN 954-1 durch die Norm EN ISO 13849-1 abgelöst. Die neue Norm fordert über den qualitativen Ansatz der bisherigen Norm hinaus auch eine quantitative Berechnung der Sicherheitsfunktionen. Die Norm EN 13849-1 orientiert sich an der allgemeinen Sicherheitsnorm IEC 61508 für funktionale sicherheitsbezogene elektrische, programmierbare Systeme mit den bekannten Einstufungen nach Safety Integrity Levels (SIL). Das heißt, für sicherheitskritische Anwendungen müssen Maschinenbauer künftig auf Hardware zurückgreifen, die nach den letzten beiden Normen zertifiziert ist. Deshalb wurden für diese Servoregler zwei Safety-Module entwickelt. Sie lassen sich wahlweise in die modulare Struktur dieses neuen Reglersystems einfügen. Die zertifizierten Sicherheitsmodule gestatten eine hohe Sicherheitsperformance: bis zur Einstufung nach Safety Integrity Level 3. Die einfache Variante gewährleistet STO (Safe Torque Off); die andere mit Mikrocontroller bietet dem Anwender ein umfangreiches Angebot an Sicherheitsfunktionen, wie Drehmoment, Geschwindigkeit, Stopp und Bremse. Wie komplex ein Antriebssystem auch ist, letztlich muss der Anwender in der Lage sein, das System in Betrieb zu nehmen und zu warten. Tritt der Servicefall ein, nutzen herkömmliche Antriebssysteme gewöhnlich ein Notebook mit der entsprechenden Parametrierungssoftware. Stimmt dann der externe Datenstand nicht, entstehen zusätzliche Probleme. Ein derart kompliziertes und fehlerträchtiges Vorgehen ist beim "D3" nicht notwendig. Die Bootfirmware ist in jedem Regler hinterlegt. Die eigentliche Firmware und die Antriebsparameter werden auf einer austauschbaren SD-Card gespeichert. Im Servicefall kann sie schnell in die Ersatz-Komponente eingebaut werden. Auf gleiche Weise lassen sich offline generierte Antriebsparameter oder Datensicherungen in den Regler übertragen. Für die Inbetriebnahme und den erweiterten Servicefall hat jeder Antriebsregler zusätzlich eine USB-Schnittstelle. Parameter, Software und Messdaten können darüber jederzeit leicht ausgelesen werden. Intelligente Antriebssteuerung setzt eine schnelle Kommunikation mit den überlagerten Systemen voraus. Durch einfaches Einstecken der Optionskarte steht das gewählte Feldbussystem direkt zur Verfügung. Unterstützt werden die Protokolle: CANopen, SERCOS III oder EtherCAT. Jeder Regler hat zudem eine USB-Schnittstelle zur komfortablen Parametrierung.

Feedback für mehr Energieeffizienz

Die Energiekosten für den Betrieb eines elektrischen Antriebssystems sind ein betriebswirtschaftlich bedeutsamer Faktor. Bei konventionellen Systemen ohne Rückspeisung wird die kinetische Bremsenergie über Bremswiderstände in Wärmeenergie umgesetzt. Die entstehende Wärme muss von Lüftern und Klimageräten im Schaltschrank abgeführt werden - mit zusätzlichem Energieaufwand. Effizienz ist etwas anderes! Der D3 kann optional mit dem Versorgungsmodul Feedback ausgestattet werden, das durch Rückspeisung für eine höhere Effizienz sorgt. Bremsenergie kann so nahezu ohne Verlust zurückgewonnen und dem Versorgungsnetz wieder zugeführt werden. In der Summe reduziert das nicht nur die Betriebskosten, sondern leistet auch einen Beitrag zur Verringerung der indirekten CO2-Emissionen. Der D3 eignet sich speziell für Mehrachs-Anwendungen. Die Abmaße wurden so gewählt, dass die Montage auch in Schaltschränke mit einer Bautiefe von nur 300 mm möglich ist. Achsmodule mit Ausgangsströmen von 2 bis 32 A und Versorgungsmodule im Bereich von 5 bis 25 KW, decken ein großes Anwendungsspektrum ab. Die maximale Anzahl von Reglern an einer Versorgung ist prinzipiell nicht beschränkt - das Limit wird allein durch die Leistung der Versorgung bestimmt. Für die Kühlung gibt es zwei Möglichkeiten: die herkömmliche Wärmeabgabe im Schaltschrank oder die Cold Plate-Technologie. Bei der klassischen Standardkühlung mit Lüfter und Kühlkörper wird die Wärme direkt an die Luft im Inneren des Schaltschranks abgegeben. Je nach Konzeption des Schaltschranks muss ein zusätzliches Klimagerät installiert werden. Die Cold Plate-Technologie nutzt Öl oder Wasser als Medium, um die Wärme aus dem Schaltschrank zu transportieren. Die Cold Plate beim "D3" ist nicht durchgängig, sondern für jedes Modul einzeln steckbar - das unterscheidet sie von Wettbewerbslösungen. Jede Einheit ist mit einem separaten Flüssigkeitskühler ausgerüstet. Um den Kühlkreislauf zu schließen, können die einzelnen Kühler verbunden werden. Diese flexible Lösung ist z. B. bei einer späteren Erweiterung sehr vorteilhaft. Für die Montage und Verdrahtung von Antriebskomponenten gibt es mehrere Lösungsansätze. Der D3 kommt ohne Backplane aus. Die Regler- und Versorgungsmodule werden auf die Hutschiene eingehängt und zusammen geschoben. Die Zwischenkreiseinspeisung der Achsregler erfolgt bei diesem Servoregler nicht über herkömmliche Stromschienen: ein steckbarer Zwischenkreisbus übernimmt diese Aufgabe. Aufwendige Verdrahtungsarbeiten für die Energieführung und die Montage von Abdeckung entfallen. Netzdrossel und Bremswiderstand sind bereits im Versorgungsmodul enthalten. Die rein steckbaren Ein- und Ausgänge im oberen und unteren Teil des Gehäuses helfen dabei den Aufwand für die Montage des Systems nochmals zu reduzieren.

Fazit

Die Servoreglerbaureihe D3 mit Nennstrom von 2 bis 32 A und skalierbaren Versorgungsmodulen bis 25 kW Nennleistung wurde für die klassische Maschinenautomation konzipiert. Der Maschinenbauer bekommt mit ihr einen genauen und schnellen Antriebsregler an die Hand. Die komplette Antriebsregelung ist auf einem FPGA platziert, also "in VHDL gegossen". Mit dieser quasi-analogen Regelung ergibt sich höchstmögliche Dynamik auch für Positions- und Drehzahlregelung. darüber hinaus erlaubt die Open Motion Controller Platform (OMCP) dem Kunden, eigenes regelungstechnisches Know-How über moderne Entwicklungsumgebungen (Matlab) in den Regler "einzubauen". Montagefreundlichkeit und steckbare SD-Karten für Firmware und Parametersätze runden das Produkt ab. Die Servoregler sind nach neuer Maschinenrichtlinie zertifiziert und für sicherheitsgerichtete Antriebsfunktionen bis SIL 3 einsetzbar. Thorsten Müller / Dr. Andreas Pottharst / Dr. Peter Stipp

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