MSR / Automatisierung / Antriebstechnik Modularität und Energieeffizienz

Die zunehmende Integration von Elektronik, Software und Sensorik verändert die Welt der Antriebs- und Fluidtechnik in erheblicher Weise – dafür hat sich der Begriff „mechatronische Systeme“ eingebürgert. Insbesondere ist damit eine Dezentralisierung, sprich Flexibilisierung von Antriebslösungen erheblich leichter geworden.

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Die zunehmende Integration von Elektronik, Software und Sensorik verändert die Welt der Antriebs- und Fluidtechnik in erheblicher Weise – dafür hat sich der Begriff „mechatronische Systeme“ eingebürgert. Insbesondere ist damit eine Dezentralisierung, sprich Flexibilisierung von Antriebslösungen erheblich leichter geworden.

Mechatronik ist die Verschmelzung von verschiedenen Fachgebieten mit dem Ziel, die Funktionalitäten zu erweitern und zu erhöhen“, definiert Peter-Michael Synek, Projektleiter Mechatronik im VDMA. Zu diesen Funktionalitäten gehören unter anderem die Steuer- und Positionierungsgenauigkeit. „Heute lassen sich Volumenströme viel feinfühliger lenken“, so der VDMA-Experte.

Ähnliches gelte für sämtliche Bereiche der Antriebs- und Fluidtechnik, wo die Mechatronik für den Benutzer unsichtbar in den Systemen integriert sei und in der Regel überhaupt nicht mehr wahrgenommen werde. Den Wertanteil mechatronischer Komponenten in den Maschinen schätzt Synek heute bereits auf über 60 Prozent. Auf der „Motion, Drive and Automation“ im Rahmen der diesjährigen Hannover Messe präsentierten die rund 1300 Aussteller aus 42 Ländern eine ganze Reihe neuer mechatronischer Systeme.

Ein anschauliches Beispiel liefert Dr.-Ing. Horst Lausch, Bosch Rexroth AG: „Es handelt sich um ein elektro-hydraulisches Regelventil mit digitaler Onboard-Elektronik“, erläutert er. Derartige Regelventile stellen das Kernstück eines elektrohydraulischen Antriebs dar. Mit ihnen lassen sich - z.B. als Verstellelement für eine elektrohydraulische Pumpe - sowohl Druck als auch Volumenstrom schnell und genau beeinflussen. Mithilfe der Onboard-Elektronik ist es gelungen, an Regelventile übergeordnete Steuerungshierarchien anzubinden, die per Industriebus angesteuert und programmiert werden können.

Dank dieser mechatronischen Lösung ist es möglich, auch im Online-Betrieb anwendungsspezifische Parameter an die Ventile zu übertragen. „Optimierung, Inbetriebnahme und Wartung hydraulischer Antriebe können jetzt vom Kunden viel einfacher durchgeführt werden“, so Lausch.

Neue Engineering-Werkzeuge in Entwicklung

Wie lässt sich der Zeitraum von der Planung über die Projektierung bis hin zur Inbetriebnahme einer neuen Maschine verkürzen? Der Antriebstechnikspezialist Lenze beschäftigt sich zur Beantwortung dieser Frage mit spezifischen Engineering-Werkzeugen. Grundlage für ein funktionales Engineering seien mechatronische Einheiten, die aus Mechanik, Elektrik und Funktionalität in Form eines SPS-Programms bestehen.

Lenze setzt hierfür Servo-Umrichter der Reihe 9300 Servo PLC ein. Die Geräte sind in IEC 61131-3 frei programmierbar und besitzen damit ihre eigene Intelligenz. Durch die Integration von Steuerungssoftware erhält man gekapselte Maschinenmodule, die den gesamten Aufbau und die Funktionalität komplett beschreiben. Um dieses Wissen zu speichern, kopierbar und somit wiederverwendbar zu machen, wird das Engineering-Tool einen Bibliotheksbereich enthalten.

Jeder Maschinen- und Anlagenbauer kann sich seine eigene Bibliothek mit bewährten und getesteten Modulen aufbauen. Das minimiert bei der Inbetriebnahme Unsicherheiten, ob Mechanik, Elektrik und programmierte Funktion wie gewünscht funktionieren. Mit dezentralen Konzepten lassen sich völlig andere Maschinenkonzepte realisieren, insbesondere erhöht sich die Flexibilität, Antriebslösungen werden so zunehmend autark. Über standardisierte Feldbussysteme können der Antrieb und seine Sensor-Aktor-Peripherie problemlos in den Steuerungsprozess der Gesamtanlage einbezogen werden.

Dezentralisierung bietet neue Chancen

Dezentralität spielt auch bei Getriebebau Nord eine tragende Rolle: Das System Nordac trio SK 300E fasst Motor, Getriebe und Frequenzumrichter in einer Einheit zusammen. Der Wegfall teurer abgeschirmter Motorkabel vereinfacht die EMV gerechte Anlagengestaltung.

Vom konfigurierbaren Feldbus bis zur hochdynamischen sensorlosen Stromvektorregelung (ISD) bietet die dezentrale Antriebselektronik ein breites Leistungsspektrum. Der Frequenzumrichter kann mit einer Parameter-Box per Tastatur gesteuert werden - vor Ort ebenso wie über die Busschnittstelle. Nord-Motoren für den trio besitzen ein eingebautes elektronisches Typenschild, das der Umrichter einfach ausliest, um passende Parameter für Regelung und Anwendung automatisch einzustellen.

Auch Lenze setzt auf dezentrale Antriebssysteme, um Gesamtprozesse so effizient wie möglich zu gestalten und logistisch zu vernetzen. Zum Beispiel lassen sich Frequenzumrichter 8200 motec auf dem Klemmenkasten der Motoren montieren oder in unmittelbarer Nähe am Maschinengestell. So spart der Anlagenbetreiber teure, geschirmte Motorleitungen und bekommt keine Probleme mit der Verlustwärme im Schaltschrank. Die Ansteuerung der Frequenzumrichter bis zu einer Leistung von 7,5 kW lässt sich mit allen gängigen Feldbus-Systemen realisieren.

Energieeffizienz von elektrischen Antrieben

Elektrischen Antriebsprozessen werden rund zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs zugerechnet. Der Elektromotor als zentrales Funktionselement ist daher in das besondere Blickfeld der Politik gerückt. Die Einstufung als „Hochleistungsmotor“ war lange Zeit nicht durch allgemeine Regelungen definiert, die Bezeichnung wurde recht willkürlich verwendet. Um hier klare Verhältnisse zu schaffen, haben die USA bereits 1997 den Energy Policy Act (EPACT) verabschiedet, der die Kriterien für eine Einstufung als „hoch effizienter“ Motor festlegt.

Die EU hat sich in der so genannten CE-MEP-Liste auf eine ähnliche Definition geeinigt. Moeller Antriebstechnik weist auf folgende Vorteile von Energiesparmotoren der CE-MEP-Leistungsklassen eff1 bzw. eff2 hin:

• geringere Betriebskosten;
• Verlängerung der Wicklungslebensdauer - dadurch amortisiert sich der höhere Anschaffungspreis;
• weniger Verlustwärme;
• geräuscharmer Lauf;
• hoher Umwelteffekt.

Allein durch den in Abhängigkeit von den Betriebsstunden optimalen Einsatz von wirkungsgradverbesserten und hocheffizienten Elektromotoren sowie die konsequente Verwendung von Frequenzumrichtern zur elektronischen Drehzahlregelung kann der Stromverbrauch der deutschen Industrie um etwa acht Prozent reduziert werden. Eine ganze Reihe europäischer Unternehmen hat das Abkommen unterzeichnet und sich verpflichtet, den Anteil ihrer eff3-Motoren bis zum Ende des Jahres 2003 um 50 Prozent zu reduzieren.

Insbesondere die Anwender von Pumpen, Turbokompressoren und Lüftern können beispielsweise mit dem neuen Umrichter Sinamics G 150 von Siemens kräftig Energie sparen. Mit ihm können drehzahlvariable Antriebe jetzt auch in solchen „einfacheren“ Anwendungen wirtschaftlich eingesetzt werden (Lesen Sie hierzu PROCESS 9-2002 auf Seite 76, z.B. über die PROCESS-Homepage).

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