Aus der Praxis: Smarte Aktuatoren im Einsatz

Die Evolution von der rein mechanischen zur elektronischen Aktorik begann vor rund 50 Jahren mit dem aufkommenden Informationszeitalter. In dieser Zeit begannen die Aktuatoren-Entwickler damit, die Forderung der Anwender nach genaueren Informationen zu den mechanischen Vorgängen mit Hilfe von externen Vorrichtungen wie elektrischen Relais und Geräten zur Positionsüberwachung umzusetzen.

Die ersten Achssteuerungssysteme erforderten noch manuelle Eingriffe. Das änderte sich jedoch in den 1970er-Jahren, als die Marktnachfrage nach einfacherer Bedienung, besserem Preis-Leistungs-Verhältnis und mehr Umweltfreundlichkeit Innovationen im Aktuator-Design hervorbrachte. Den entscheidenden Durchbruch brachte schließlich die Integration von Mikrocomputer-Chips in die Aktuatoren. Diese Innovation, die bereits in den 1990er-Jahren ihren Anfang nahm und sich im neuen Jahrtausend verbreitete, erlaubte die Einbindung von bislang externen Funktionen wie das Schalten, die Stellungsrückmeldung und Systemdiagnosen direkt in den Aktuator.

Im weiteren Verlauf dieser Entwicklung brachte Thomson Industries im Jahr 2013 den ersten Aktuator mit einer eingebetteten Standard-Netzwerkkarte auf den Markt, die eine Vernetzung der Systeme deutlich vereinfachte. Das Zeitalter der smarten Aktorik hatte begonnen.

Heute haben die Aktuatoren noch bessere Ansteuerungsmöglichkeiten integriert, inklusive zuverlässiger Rückmeldung. Sie erlauben die Entwicklung von Anwendungen, die noch vor weniger als zehn Jahren kaum vorstellbar waren.

Durch die Möglichkeit, smarte Aktuatoren dank integrierter Elektronik über eine zentrale Steuereinheit wie eine SPS zu schalten und zu synchronisieren, lassen sie sich jetzt auch in komplexere Regelstrategien einbinden. Das kompaktere Systemdesign vereinfacht zudem die Bedienung und reduziert die Betriebskosten. Der Schlüssel für diese Integration sind die folgenden eingebetteten Funktionalitäten:

• Niederstromschalten: Herkömmliche Aktuatoren benötigen zum Ausfahren, Einfahren oder Anhalten des Schubrohrs häufig sperrige Relais oder separate Steuereinheiten. Durch die Verwendung der integrierten Elektronik kann die erforderliche Stromstärke an den Schaltern oder Kontakten von 20 A auf unter 22 mA gesenkt werden, was ein deutlich einfacheres und kostengünstigeres Systemdesign ermöglicht. Die Aktuatoren können so programmiert werden, dass ihr Schubrohr mittels Niederstrom-Signalen ausfährt, einfährt oder stoppt, inklusive Sanftanlauf. Dies verbessert die Sicherheit durch die verminderte Gefahr eines Stromschlags, vereinfacht das Design durch die Nutzung leistungsärmerer Steuerkomponenten – und reduziert die Belastung auf Systembatterien und Ladeeinheiten. Darüber hinaus verbessert das Niederstromschalten die Positioniergenauigkeit, da es die Nutzung einer dynamischen Bremsfunktion erlaubt. Sobald die Stromversorgung zu einem Aktuator unterbrochen wird, kann es je nach Einbaulage des Aktuators zu einem Nachlaufen von 5 bis 10 mm kommen, bis der vollkommene Stillstand erreicht ist. Zur Lösung dieses Problems ermöglichen elektronische Aktuatoren die Implementierung einer sogenannten „dynamischen Bremse“. Diese Funktion kann das Nachlaufen auf rund einen halben Millimeter verkürzen, indem elektronisch ein Kurzschluss zwischen den Motorleitungen erzwungen wird.
• Endlagen-Ausgangssignal: Zu wissen, wann der Aktuator das Ende seines Hubwegs erreicht hat, ist hinsichtlich der Sicherheit und Leistungsfähigkeit wichtig. Wenn ein Aktuator dazu dient, ein Gerät zu verriegeln, kann der Bediener durch eine einfache, vom Ausgang geschaltete LED-Anzeige sehen, ob es tatsächlich verriegelt ist. Damit werden mögliche Gefahrensituationen vermieden. Diese Funktion kann ebenfalls verwendet werden, um den Anwender über das Erreichen einer Endlage zu informieren, um eine Sicherungsverriegelung zu aktivieren, und nicht zuletzt um die Lebensdauer des Aktuators zu verlängern.

• Bus-Betrieb: Aktuatoren mit integrierter Elektronik können jetzt zur Einbindung in Netzwerke und Systeme programmiert werden, die auf industriellen Kommunikationsprotokollen wie Hart oder Netzwerkprotokollen wie Ethernet basieren. Eine derart erweiterte Positionssteuerung und -schaltung erlaubt die Programmierung des Antriebs zur Ausführung beliebig vieler Bewegungsprofile und benutzerdefinierter Positionierungsmuster. Es wäre beispielsweise möglich, den Aktuator so zu programmieren, dass er sich ein paar Millimeter nach vorne tastet oder einige kleine Bewegungen hin und her vollführt, um eine bestimmte Position anzufahren. Und da das System immer weiß, was zu tun ist und die Vorgänge in Echtzeit überwacht, kann es mögliche Abweichungen frühzeitig melden – und gegebenenfalls erweiterte Algorithmen auslösen, um weitere Alarme, Korrekturen oder eine Abschaltung zu erwirken.
• Synchronisierung: Dank integrierter Elektronik und Netzwerktechnik können Systementwickler mehrere Aktuatoren deutlich einfacher miteinander synchronisieren. Anwender intelligenter Aktuatoren müssen lediglich Start- und Stoppanweisungen konfigurieren – die Aktuator-Elektronik kümmert sich um die Synchronisierung.

Angesichts ihrer computer- und kommunikationstechnischen Fähigkeiten fällt es nicht schwer, sich eine stärkere Integration smarter Aktuatoren mit ähnlich ausgestatteten Sensoren, Datenerfassungsgeräten und Produktionsvorrichtungen sowie anderen Aktuatoren vorzustellen. Bereits heute sind sie uneingeschränkt für das aufkommende industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) geeignet, wo jedes Gerät nicht nur über Intelligenz und Vernetzbarkeit verfügt, sondern auch über eine eigene Internetadresse und die Fähigkeit, Daten mit Informationsquellen auszutauschen. Das IIoT, wiederum, ist Teil einer noch weitreichenderen industriellen Revolution, in der Computer, Kommunikation und Mechanik vermehrt ohne menschliche Eingriffe miteinander interagieren. Diese als cyber-mechanische Systeme oder auch Industrie 4.0 bezeichneten Entwicklungen versprechen ganz neue Maßstäbe der Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit. Intelligente Aktuatoren sind somit bestens für eine Weiterentwicklung gerüstet, um die Konnektivität und Informationstransparenz beizusteuern, auf die zukünftige Anwendungen angewiesen sein werden.

Text: Anders Karlsson und Travis Gilmer, Thomson Industries