Stefan Blust, Industry Sector Manager Packaging bei NORD DRIVESYSTEMS, erläutert im Gespräch die Grenzen zentraler Antriebslösungen, die Vorteile dezentraler Konzepte und wie diese in der Praxis Kosten deutlich senken können.
Verpackungsanlagen benötigen eine hohe Dynamik, Präzision, Flexibilität und Ausfallsicherheit. Das erfordert Antriebssysteme, die sehr kurze Rampenzeiten umsetzen können und eine hohe Genauigkeit beim Positionieren ermöglichen. In der Primärverpackung liegen diese Beschleunigungs- und Abbremszeiten zum Teil bei unter 0,1 Sekunden, im End-of-Line-Packaging, also der Tertiärverpackung, immerhin noch bei etwa 0,5 Sekunden. Linearbewegungen müssen auf 0,1 bis 1 Millimeter genau ausgeführt werden. Das sind typische Anforderungen für zentral geregelte Servoantriebe, weshalb diese im Packaging weit verbreitet sind. Weiter als sie es sein müssten.
Da gibt es mehrere Aspekte. Einer der Nachteile sind die hohen Kosten. Diese entstehen nicht nur durch die Hardware, sondern auch durch die Installation und Wartung. Dazu kommt der große Platzbedarf im Schaltschrank. Wenn der Raum in der Produktionsstätte begrenzt ist, kann das Hinzufügen von Servomotoren das Layout und die Effizienz der Produktionslinie spürbar beeinträchtigen. Ein dritter Punkt ist die Komplexität zentraler Antriebslösungen, die eine Skalierung erschwert: Wird eine neue Maschine integriert, muss für jeden neuen Motor eine neue Steuerung im Schaltschrank installiert und verkabelt werden.
Dezentrale Antriebstechnik ist hier eine echte Alternative. Die Frequenzumrichter bieten sowohl die erforderliche Präzision als auch die Dynamik, die komplexen Bewegungsabläufe zu steuern. Der Unterschied liegt in der Position der Antriebselektronik in Bezug zum Motor. In einem zentralen System sitzt der Frequenzumrichter bei der SPS im Schaltschrank. Beim dezentralen System sitzen die Frequenzumrichter direkt auf den Motoren oder nahe des Motors im Feld und die SPS ist in einem deutlich kleineren Schaltschrank untergebracht. Das reduziert den Verkabelungsaufwand erheblich, da lediglich eine Strom- und eine Datenleitung zu jedem Motor führt. Gerade bei Anlagen mit großer räumlicher Ausdehnung und vielen Antriebsachsen ist das eine platzsparende und effiziente Lösung.
Genau. Dort haben wir meist größere Distanzen, die überwunden werden müssen. Hier kann sich der Einsatz dezentraler Technologien lohnen. Die Lösungen bieten Vorteile in Bezug auf die Flexibilität im Anlagendesign bis hin zu deutlichen Einsparungen sowohl bei der Anschaffung als auch bei der, Installation und im Betrieb. Denn bei schweren Lasten kann es bei Servomotoren zum Überschwingen kommen, da die Massenträgheit im Rotor sehr gering ist. Das kann in der Folge zu höheren Aufwänden bei der Installation und der Inbetriebnahme, zu Ungenauigkeiten in der Verpackungsaufgabe und damit zu zusätzlichen Kostenführen.
Erstens bestehen sie aus kostengünstigeren Systemkomponenten, die – gerade bei NORD – weltweit verfügbar sind und sich problemlos in verschiedene Getriebetypen kombinieren lassen. Zweitens brauchen Sie keine großen Schaltschränke mehr. Damit geht einher, dass deren Wärmeentwicklung geringer ausfällt und Sie für kleinere Schaltschränke keine Klimatisierung mehr benötigen. Das ist ein wichtiger Punkt, der die gesamten Betriebskosten senken kann. Drittens reduzieren Sie Ihren Verkabelungsaufwand. Das führt direkt zum vierten Punkt: In dezentralen Frequenzumrichtern ist bereits eine SPS integriert. Das vereinfacht nicht nur die Inbetriebnahme, sondern entlastet auch die übergeordnete Steuerung, indem sie antriebsnahe Applikationen selbst löst und Sensordaten direkt verarbeitet. Bleibt noch fünftens: Das ganze System ist wartungsfreundlich. Es ist voll steckbar und spart damit Zeit und Kosten bei der Inbetriebnahme und der Wartung.
Eine kompakte dezentrale Antriebslösung im End-of-Line-Packaging besteht typischerweise aus einem platzsparenden und effizienten Kegelradgetriebe, einem Asynchronmotor mit Geberrückführung sowie einem dezentralen Frequenzumrichter mit SPS-Funktionalität und Positioniersoftware, der Posicon. Darüber lässt sich ein vollständiger Regelkreis für Position, Drehmoment und Geschwindigkeit des Motors abbilden.
Ein sehr erfolgreiches Beispiel eines solchen dezentralen Konzepts haben wir für einen europäischen Maschinenbauer umgesetzt. Dabei handelt es sich um eine Palettiermaschine, die zuvor mit zentral geregelter Servotechnik betrieben wurde und nun vollständig mit dezentralen Komponenten läuft. Eingesetzt werden energieeffiziente Getriebemotoren, Asynchronmotoren, Synchronmotoren sowie dezentrale Frequenzumrichter der Baureihen NORDAC FLEX SK 200E und NORDAC ON für komplexe Motion-Control-Aufgaben von Portalen. Ein herausragendes Merkmal der Maschine ist es, dass jedes Produkt einzeln auf einer Palette platziert werden kann. Säcke, Kartons oder Kisten werden einem Greifer zugeführt, von einer Zentriereinheit ausgerichtet und dann vom Portal exakt an der programmierten Position abgesetzt. Das ermöglicht eine sehr präzise, überlappende Stapelung mit hoher Stabilität.
Zuvor wurde diese Maschinen über Schaltschränke gesteuert, die unter anderem auf der Oberseite der Portaleinheit montiert waren, viel Raum beanspruchten und Kosten verursachten. Durch die Umstellung hat der Kunde nicht nur Platz gewonnen, sondern auch seine Gesamtbetriebskosten deutlich senken können. Gleichzeitig wurde die Performance der Anlage gesteigert, da unsere Systeme einer hohe Überlastreserve haben und ihre Steuerungselektronik eine dynamische Stabilität bietet. Das ist alles genau auf diese Anwendungen abgestimmt.
Wenn Sie eine sehr kompakte Maschine haben, wo Sie Bewegungen auf sehr kleinem Raum abbilden müssen, lassen sich dezentrale Umrichter oft nur schwer unterbringen. Deswegen kommen diese Systeme meistens dort zum Einsatz, wo etwas mehr Raum zur Verfügung steht.
Das Wichtigste ist der Austausch mit den Antriebsexperten, denn ganz am Anfang müssen die Fragen geklärt werden: Wie genau ist die Maschine konzipiert? Ist eine dezentrale Antriebslösung dafür überhaupt sinnvoll? Dann werden gemeinsam Möglichkeiten diskutiert und bei Bedarf auch Testläufe durchgeführt. Unsere Techniker bringen sehr viel technische Expertise und Branchenerfahrung in diesen Austausch. Daher konnten wir eine Vielzahl solcher Projekte erfolgreich realisieren.
1. Die Systemkomponenten sind Standardkomponenten, kostengünstig, schnell verfügbar und lassen sich modular kombinieren.
2. Sie erfordern keine großen Schaltschränke. Das spart Platz und macht die Klimatisierung überflüssig.
3. Der Verkabelungsaufwand ist vergleichsweise gering: Nur noch eine Leistungs-- und eine Datenleitung führen zu jedem Motor.
4. Dezentrale Frequenzumrichter von NORD verfügen über eine integrierte SPS, die die übergeordnete Steuerung entlastet.
5. Per Plug-and-Play-Funktion verkürzen sie Inbetriebnahme und Wartung.