Umrichter als Kostensenker

Bussysteme - Umrichter mit integriertem Systembus ermöglichen komplexe Antriebslösungen ohne großen Verdrahtungsaufwand.

23. August 2005

Ein aktueller Trend in der Automatisierung ist die Dezentralisierung der Antriebstechnik. Immer wichtiger wird deshalb die Kommunikation zwischen den eingesetzten Geräten. Der Verzicht auf Mechanik erfordert dabei immer höhere Datenmengen und Geschwindigkeiten, die sich nur mit Hilfe von Feldbussystemen bewältigen lassen. In der elektrischen Antriebstechnik kommen dazu häufig drehzahlveränderbare Asynchronmotoren zum Einsatz, die durch Frequenzumrichter gesteuert werden. Eine eventuelle Kopplung mehrerer Umrichter geschieht dabei meist durch Parallelverdrahtung. Jedoch verursacht die Vielzahl der Adern nicht nur einen hohen Verdrahtungsaufwand, sondern erhöht zudem das Risiko von Installationsfehlern. Dazu kommt der hohe Aufwand an Geld und Zeit für die vieladrigen Kabel, die Verbindungs- und Verschaltungstechnik sowie für Installation und Prüfung. Darüber hinaus ist im Fehlerfalle die Suche nach Verdrahtungsfehlern in der Regel sehr aufwendig.

Daß es auch einfacher geht, demonstriert die aktuelle Baureihe der Umrichterserie ›Active‹ der Krefelder Antriebstechnikspezialisten Bonfiglioli Vectron: Diese Umrichter lassen sich über ein simples zweiadriges Kabel kommunikationstechnisch miteinander verbinden. Dieser Systembus ermöglicht die Steuerung aller verbundenen Frequenzumrichter über ein einziges Gerät sowie den schnellen Datenaustausch zwischen den einzelnen Umrichtern während des Betriebs. Zudem erlaubt er den Zugriff auf Parameterdaten aller am Systembus befindlichen Umrichter von einem Systembus-Master aus. Der Systembus ermöglicht die Vernetzung von bis zu 64 Active-Umrichtern mit Übertragungsraten bis 1 MBaud. Die effektive Nutzdatenrate von 320 kBaud und die Koppelung von Funktionen in den Umrichtern ermöglichen Anwendungen in Echtzeit.

Zum Betrieb genügt es, einen der Umrichter als Systembus-Master zu konfigurieren und ihn über eine Feldbusanschaltung mit der Steuerung zu verbinden. Zu den anderen Umrichtern gelangen die Steuerungsbefehle dann ohne teure Feldbus-Baugruppen über den Systembus.

Die Funktionalität des Systembusses ist eng an den CANopen-Standard angelehnt. So besitzt der Systembus für jeden Umrichter drei PDO-Kanäle zum Austausch der Prozeßdaten sowie zusätzlich zwei SDO-Kanäle für die Parametrierung . Die drei PDO-Kanäle übertragen beliebige Daten und ermöglichen damit zum Beispiel mit geringem Aufwand die häufig notwendigen Master/Slave-Konfigurationen oder Kaskadierungen.

Jeder Sende- und Empfangskanal bietet eine Breite von 8 Byte, die beliebig mit Objekten belegt werden können. Die Auswahl der Sendeobjekte und die Zuordnung der Empfangsobjekte erfolgt dabei auf einfachem Wege mit der zugehörigen Visualisierungssoftware VPlus.

Der SDO-Kanal 1 dient für den Zugriff auf die Umrichter-Parameter am Systembus. Lediglich der Master-Umrichter besitzt dazu eine Anschaltung zum Feldbus. Damit kann die Steuerung über eine einzige Feldbusanschaltung alle Umrichter ansprechen, die über den Systembus miteinander verbunden sind.

Der SDO-Kanal 2 ist reserviert für ein PC-basiertes Visualisierungstool, mit dem sich alle Umrichter parallel zum Betrieb einer Steuerung parametrieren lassen. Die Vorteile des Systembusses liegen auf der Hand: Die Verwendung der CAN-Technologie ermöglicht eine kostengünstige Realisierung des Systembusses im Umrichter. Ein hohes Sparpotential verspricht zudem der geringe Verdrahtungsaufwand. Zur Inbetriebnahme dient die Visualisierungssoftware VPlus, mit der sich der Systembus in gleicher Weise parametrieren läßt wie ein Umrichter. Klar gegliederte Strukturen und die bedienerfreundliche Gestaltung erleichtern dabei die Einstellung der Parameter für den Systembus.

Zum Einsatz kommt die Lösung beispielsweise in Windenergieanlagen. Dabei kommuniziert die übergeordnete SPS nur mit einem der vier eingesetzten Umrichter der Azimuthantriebe. Die Systembus-Verbindung synchronisiert die gegenseitige Abstimmung der vier Umrichter und hält die Gondel der Anlage damit immer in idealer Stellung.

Die Möglichkeit zum Austausch der in einem Umrichter vorhandenen Daten auf weitere Umrichter ohne zusätzliche Hardware eröffnet neue Ansätze zur Realisierung von Anwendungen. So erhalten bei der Übertragung von Analoggrößen alle Geräte gleichzeitig die exakt gleichen Daten. Die Übertragung über den Systembus schließt dabei Fehler durch Abtastfehler und Drift aus, die bei einer Parallelschaltung von Analogeingängen auftreten können. Die einfache Übertragung der Istwerte eines Umrichters als Sollwerte zu weiteren Umrichtern ermöglicht beispielsweise die einfache Realisierung von zum Beispiel Getriebefunktionen und Kaskadierungen. In einem realen Anwendungsbeispiel umfaßt die gesamte Konfiguration sechs Umrichter, die in der Maschine unterschiedlichste Funktionen erfüllen. Ein Hauptantrieb arbeitet mit zwei Nebenantrieben in Form eines elektronischen Getriebes. Der Drehzahl-Sollwert der Slave-Umrichter wird aus dem Drehzahl-Istwert des Master-Umrichters abgeleitet und über den PDO-Kanal des Systembusses an die Slave-Umrichter übertragen. Drei weitere Nebenantriebe steuert die SPS über den Master-Umrichter und den SDO-Kanal des Systembusses. Die gesamte Parametrierung aller Umrichter erfolgt dabei von der Maschinensteuerung aus über die Feldbusanschaltung im Master-Umrichter und den Systembus. Mit diesem Aufbau benötigt das System nur eine RS485-Feldbusanschaltung statt sechs, erspart die Verdrahtung für die Leitfrequenzkopplungen des elektronischen Getriebes und ermöglicht die Steuerung des gesamten Systems über den Hauptantrieb.

Ulrich Aretz, Bonfiglioli

Vectron

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2005