Vorteil für Dezentrale

Dezentrale Antriebe - Der Trend zur Dezentralisierung im Maschinen- und Anlagenbau ist weiterhin ungebrochen. Jedenfalls glauben Hersteller, Lieferanten und Verbände daran. Was begründet nun diese Vorteile für dezentrale Antriebsarchitekturen?

14. Dezember 2005

Dezentrale Architekturen optimieren die Wertschöpfungskette des Maschinen- und Anlagenbauers von der Projektierung über die Montage und Inbetriebnahme bis zum Betrieb der Anlage. Allerdings lassen sich z.B. Motion-Control-Funktionen auch von zentralen Steuerungen (Controller-based) oder direkt von intelligenten Antriebsreglern (Drive-based) realisieren. Autonome Bewegungsaufgaben wie das Positionieren werden in Servopositionierreglern implementiert. Eine SPS - ob übergeordnet oder im Regler integriert - steuert dabei im wesentlichen nur noch den Ablauf selbst. Auch Bewegungsaufgaben, bei denen viele Antriebe dem zentralen Produktionstakt folgen, sind effizient und preiswert mit intelligenten Antriebsreglern und einem Echtzeitkommunikationssystem zu lösen. Mehrere gleichzeitig koordinierte Bewegungen bleiben dagegen zentralen Motion Controllern vorbehalten. Dezentrale Strukturen empfehlen sich dann, wenn in einer Anlage verschiedene Antriebsaufgaben mit unterschiedlichen Anforderungen zu lösen sind. Dabei werden rund 80 Prozent aller Antriebe geschaltet, also nicht drehzahlgeregelt betrieben. Aus diesem Grund müssen für diesen Fall neben dezentralen Frequenzumrichtern auch dezentrale Motorstarter zur Verfügung stehen. Elementar für dezentrale Antriebe ist die robuste Bauweise. Neben einer hohen Schutzart wird die Rüttelfestigkeit gewährleistet. Diese Eigenschaften ermöglichen eine Montage außerhalb des geschützten Schaltschrankes direkt in der rauhen Umgebung der Anlage. Teure Schaltschrankfläche und -installationen werden minimiert, sofern man darauf bei Einzelantrieben nicht ganz verzichtet. Sind die Komponenten so ausgeführt, daß Antriebselektronik und Motoren eine lieferfertige Einheit bilden, entfällt die aufwendige Verdrahtung zwischen Elektronik und Motor und damit die Verwendung geschirmter Motorleitungen. Zudem vereinfacht sich die Projektierung, weil die passende Zuordnung von Regler und Motor bereits getroffen ist. Dezentrale Antriebsachsen müssen so flexibel sein, daß Maschinen- und Anlagenbauer stets die Möglichkeit haben, selbst zu entscheiden, ob sie die Antriebselektronikdirekt auf dem Motor oder in unmittelbarer Nähe am Maschinengestell montieren. Erreicht wird dieses u.a. durch die thermische Unabhängigkeit der Komponenten. Sie dürfen also nicht auf die Belüftung des Motors angewiesen sein. Hohe Flexibilität wird zudem durch eine uneingeschränkte Einbaulage erreicht. Die dezentrale Anordnung der Komponenten ermöglicht - neben den Feldbussen - auch die Energieverteilung zur Kommunikation. So entfällt die übliche sternförmige Verdrahtung, die jeden Motor einzeln aus dem weit entfernten, zentralen Schaltschrank versorgt. Lassen sich darüber hinaus noch Sensorik oder Aktorik, die an der Anlage vor Ort angebracht sind, über die dezentralen Komponenten auswerten oder ansteuern, verringert das zusätzlich den Verdrahtungsaufwand.

Motorstarter und Frequenzumrichter

Vor allem in räumlich weit ausgedehnten Anlagen muß die Ansteuerung der Antriebe über Feldbusse möglich sein. Die Sensor- und Aktorsignale können, wenn sie nicht durch die dezentrale Elektronik direkt verarbeitet werden, an die übergeordnete Steuerung gegeben werden. Grundsätzlich sind alle gängigen Bussysteme zu unterstützen, damit der Anlagenbauer entweder das jeweils optimale System einsetzen kann oder in der Lage ist, flexibel auf die Anforderungen seines Kunden einzugehen. Bieten die Antriebsregler die Möglichkeiten der Vor-Ort-Diagnose durch Status-LEDs oder PC-Schnittstellen, ist der Betrieb direkt am Ort des Geschehens zu optimieren, und zeitraubende Wege zum zentralen Schaltschrank entfallen. Die zuvor beschriebenen Eigenschaften gelten für alle eingesetzten dezentralen Komponenten. Zusätzlich erschließen sich weitere Einsparpotentiale durch hohe Gerätefunktionalität. Diese werden im folgenden für den Motorstarter und Frequenzumrichter beschrieben. Wenn keine Drehzahlveränderung an Motoren notwendig ist, werden Motorstarter und Frequenzumrichter über ein Schütz »hart« an das Netz geschaltet. Folge: Hohe Anlaufströme belasten Antriebskomponenten und das Netz gleichermaßen. Der Effekt kann gerade in der Fördertechnik dafür sorgen, dass Ladung auf einem Förderband umkippt. Sanftanlauffunktionen schaffen hier eine deutliche Verbesserung. Die Motorspannung wird dazu über eine variable Hochlauframpe gesteuert. Ist dieser Sanftanlauf im Motorstarter integriert, läßt sich auf eine zusätzliche Komponente verzichten.

Auch Schutzfunktionen für Motor und Antriebskomponenten müssen in dezentralen Komponenten integriert sein, wahlweise durch die Motortemperaturüberwachung (Thermokontakt/PTC) oder durch eine Motorstromüberwachung mit einstellbarer Auslösecharakteristik. Viele Motoren arbeiten mit einer integrierten Bremse, für deren Ansteuerung in der Regel im Klemmenkasten des Motors ein Bremsengleichrichter einzubauen ist. Um diesen zu ersetzen und den für seinen Betrieb notwendigen Installationsaufwand einzusparen, ist eine im Motorstarter integrierte Bremsenansteuerung sinnvoll. Durch eine einstellbare Zeitverzögerung bis zum Einfallen bzw. Lüften wird die Mechanik der Antriebskomponenten geschont. Darüber hinaus führt diese Funktion zu einer Entlastung der SPS, weil das Bremsenmanagement dezentral vom Motorstarter vorgenommen wird. Logische Verknüpfungen von digitalen Eingängen, Invertierung von Signalpegeln oder einstellbare Zeitverzögerung ermöglichen die dezentralen Lösungen von Standard-Applikationen ohne übergeordnete SPS, beispielsweise für einen Staurollenförderer. Notwendig dazu ist eine freie Konfiguration der vorhandenen Ein- und Ausgänge. Durch geschickten Aufbau des Motorstarters lassen sich mit einem Gerät zwei Motoren unabhängig voneinander betreiben - jeweils einen für jede Drehrichtung. Werden in einer Anlage Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung eingesetzt, ist für die Verbindung zwischen Frequenzumrichter und Motor aus EMV-Gründen eine abgeschirmte Motorleitung notwendig. Durch die dezentrale Anordnung kann bei motornaher Montage des Umrichters die Leitung deutlich kürzer ausfallen oder bei direkter Motormontage sogar ganz entfallen. Einzelantriebe, wie beispielsweise Pumpen und Lüfter im Klimabereich, werden oft nicht nur in Industriebetrieben, sondern auch in Wohnbereichen eingesetzt, in denen deutlich strengere EMV Grenzwerte gemäß Grenzwertklasse B nach EN 55011 gelten. Im Umrichter integrierte Filter machen zusätzliche Maßnahmen für die Einhaltung der Grenzwerte überflüssig. Auch eine Nachrüstung ungeregelter Anlagen für eine genauere Synchronisation der Abläufe muß möglich sein. In die vorhandene, aus dem Schaltschrank kommende, Motorleitung kann ein dezentraler Frequenzumrichter hoher Schutzart beispielsweise direkt am Maschinengestell eingesetzt werden. Da die Steuerspannung im Umrichter erzeugt wird, ist keine zusätzliche Versorgung notwendig. Zudem ist es nicht erforderlich, die Steuerung umzuprogrammieren oder Getriebemotoren zu ersetzen.

Kay Willerich und Karsten Piekarski, Lenze AG

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2005