So integrieren Antriebshersteller Kommunikation in Motoren

Antriebe, die Industrie-4.0-fähig sind, dürfen keine Barrieren zwischen Antrieb und übergeordneten Prozessen haben und müssen in erster Linie auf allen Ebenen vernetzt sein. Nur so können die Daten für Lage, Temperatur, Geschwindigkeit, Drehmoment, Stromwert und andere Parameter optimal genutzt werden, um das Gesamtsystem weiter zu optimieren. „Wir sehen einen verstärkten Trend zur Umsetzung von Funktionalitäten direkt im Antrieb, um den Feldbus zu entlasten“, sagt Karlheinz Wirsching, Produktmanager Drives bei Baumüller. „Ein Beispiel dafür sind intelligente Algorithmen, die die Daten im Umrichter vorverarbeiten und als Statusmeldungen weitergeben und so Anwendungen im Industrie-4.0-Umfeld ermöglichen.“ Baumüller beispielsweise sendet diese Daten seiner b-maXX-Umrichterserie über ethernetbasierte Kommunikationsmedien an übergeordnete Systeme. Die Umrichter verarbeiten die anfallenden großen Datenmengen vor, aggregieren sie und geben sie an Systeme weiter, die sie für Condition Monitoring, Predictive Maintenance und Effizienzoptimierung nutzen.

Der Hersteller TR-Electronic bietet Antriebe für Logistiklösungen sowie für die Papier-, Druck- und Verpackungsindustrie an und setzt dabei auf frei parametrierbare Telegramme für Positionswerte, Phasenströme, Fahrzustände, Fehlercodes, Betriebsstunden, Systemparameter und Geräteidentifikationen. Diese werden um eine Auswahl aus voreingestellten Standardtelegrammen ergänzt und an die übergeordnete Steuerung übermittelt. „Erst diese Vernetzung, zusammen mit dem mechatronischen Design und der intelligenten Antriebstechnik, schafft dem Maschinenbauer das Mehr an Freiraum, um hochleistungsfähige Automatisierungskonzepte umsetzen zu können“, betont Dr. Rau, Business-Unit-Leiter bei TR-Elektronic.

„Mit den Informationen aus den Antrieben lassen sich IIoT-Systeme aufbauen, die sich selbst überwachen,
Services proaktiv einleiten, Autodiagnose und Selbstoptimierung beherrschen und damit die Verfügbarkeit,
Produktivität und den Ressourceneinsatz optimieren“, bekräftigt auch Michael Gutmann, Leiter des Product Solution Center DriveRadar bei SEW-Eurodrive und gibt zu bedenken, dass heutige Antriebs- und Automatisierungssysteme oft nur in Bezug auf ihre Kernfunktionen und die zugehörige Kommunikationseinbindung optimiert werden. Wenn später beispielsweise Schwingungs- oder Temperatursensoren nachgerüstet werden müssen, kommunizieren diese über eigene, separate Verbindungen und die Daten müssen in einer übergeordneten Softwareschicht verarbeitet werden. Der Nachteil: Für eine einfache Dateninterpretation fehlen dann meist die produkt- und systemspezifischen Informationen. Deshalb sei das On-boarding, also die Einbindung eines Antriebssystems in IT-Systeme und in die Applikation, immer noch ein manueller Inbetriebnahmevorgang. Gutmann verweist dabei auf den hauseigenen Automatisierungsbaukasten Movi-C, mit dem sich smarte Antriebs- und Automatisierungsprodukte einfacher für IIoT-Maschinen und Anlagen vernetzen lassen.

Wittenstein entwickelte das smarte Getriebe mit Cynapse. So wurde in den vorhandenen Bauraum ein Sensormodul integriert, welches über IO-Link angebunden wird. Über dieses können Messdaten wie Temperatur, Vibration, Betriebszeit, Beschleunigung und produktspezifische Informationen abgerufen werden. „Auf diese Weise entsteht in den Antrieben und Komponenten ein digitales Bewusstsein, das es ihnen erlaubt, ihr Einsatzumfeld kennenzulernen und in diesem selbstständig zu agieren. In Zukunft soll nicht nur die Verfügbarkeit verbessert werden, sondern die Antriebe liefern auch den Input für die Entwicklung neuer Produkte und neuer digitaler Geschäftsmodelle“, erläutert Patrick Hantschel, Leiter des Digitalization Centers bei Wittenstein.

Über alle Branchen hinweg unterscheiden sich die Antriebe stark in ihren Detailanforderungen, was Leistung, Aufbau, Regelbarkeit und Energieeffizienz betrifft. Dies bedeutet aber auch eine hohe Varianz von Antriebslösungen, auf die die Hersteller wirtschaftlich reagieren müssen. Zwar fertigen sie bisher noch keine Serie in Losgröße eins, aber sie sind flexibel genug, sich darauf mit modularen Produktbaukästen und skalierbarer Systemarchitektur einzustellen, die sie für Kunden dann nur noch modifizieren müssen.

„Es hat sich gezeigt, dass wir gerade mit den Produkten besonders erfolgreich sind, bei denen wir den Baukastengedanken gut umsetzen konnten“, berichtet Volker Hausladen, Produktmanager bei Faulhaber und nennt das Beispiel der magnetischen und optischen Encoderplattformen IE3 (L) und IER3 (L). Sie haben den gleichen mechanischen Aufbau, können flexibel an viele Motoren angebaut werden und sind in verschiedensten Auflösungen verfügbar. Baumüller skalierte seine Systemarchitektur so, dass neben der Hardware auch das für die jeweilige Applikation optimale Softwarepaket eingesetzt werden kann. Dabei reicht das Spektrum von applikationsspezifischen Funktionalitäten im Antrieb bis zur drive-basierten Steuerungsplattform SoftdrivePLC für hochdynamische und hochsynchrone Bewegungen, die als Teil der Firmware keine zusätzliche Hardware benötigt. Braucht der Anwender mehr Rechenkapazität zur Steuerung kompletter Maschinen, erweitert er den Umrichter einfach um eine Steckkarte mit der DrivePLC. So enthält beispielsweise das Technologiepaket Servopumpen den Pumpenschutz, die Leckageüberwachung und einen automatischen Abgleich der Drucksensoren zur Vermeidung eines frühzeitigen Sensortauschs.

TR-Electronic bietet einfache Stellantriebe, Positionierantriebe und Prozessantriebe. Das Standard-Portfolio erstreckt sich auf mechatronisch und funktionell abgestimmte Systeme aus Elektromotor, Elektronik, Positionsmesssystem, Getriebe und Haltebremse sowie eine einheitliche Softwareplattform über Typen und Baureihen hinweg. Damit stehen mehrere Baureihen mit Leistungen zwischen 20 bis 800 W und Drehmomenten bis zu 180 Nm zur Verfügung. „Aus diesem Standard-Portfolio heraus werden in Abstimmung und Zusammenarbeit mit den Kunden die intelligenten Stell- und Positionierantriebe anwendungsspezifisch entwickelt und im Anschluss in Serie produziert“, erklärt Dr. Rau. Auch Nord Drivesystems verfolgt bei der Produktentwicklung eine Systemphilosophie. Mit dem Nord-Produktbaukasten wird aus Getriebe, Motor und Antriebselektronik eine optimale und individuelle Antriebslösung. „Themen wie Energieeffizienz, Variantenreduzierung und Wirtschaftlichkeit sind dabei für uns eine Selbstverständlichkeit“, hebt der Technische Geschäftsführer, Dr. Omar Sadi, hervor. So lassen sich die dezentralen Antriebssysteme bis 22 kW individuell an jede Anwendung anpassen und flexibel ins Anlagenfeld integrieren. „Dank des modularen Aufbaus sind die Umrichter einfach erweiterbar und bieten eine große Vielfalt an Einsatzszenarien für Automationsnetzwerke im Industrie-4.0-Zeitalter“, so Sadi.

Alle Nord-Umrichter sind standardmäßig mit einer PLC ausgestattet, die die Daten der angeschlossenen Sensoren und Aktoren verarbeiten und an den Leitstand oder die Cloud übermitteln. „Im Bereich Predictive Maintenance arbeiten wir aktuell an Pilotanwendungen, unter anderem an Zustandsüberwachung und vorausschauender Wartung mithilfe von virtueller Sensorik. Dabei wertet der Umrichter die Prozessdaten des Antriebssystems wie Stromaufnahme, Schalthäufigkeiten und Lastbereiche aus, um sie dann mit der Antriebskapazität zu vergleichen. Ein Algorithmus, in den Produktdaten und Erfahrungswerte einfließen, errechnet den nächsten optimalen Wartungszeitpunkt“, sagt Sadi. SEW-Eurodrive rüstet unter der Dachmarke DriveRadar seine elektromechanischen Produkte komplett mit einer digitalen Schnittstelle bis in den Servo-Getriebemotor aus.

Movilink DDI, die digitale Motorintegration, verbindet Frequenzumrichter und Motor mit Bremse, elektrischem Typschild, Geber, Getriebesensor und Sensorik zu einem intelligenten System. Mit ihm wird das On-Boarding stark vereinfacht, weil mit den Typschilddaten und der Digitalschnittstelle beim erstmaligen Verbinden automatisch eine Plug-and-Play-Inbetriebnahme durchgeführt werden kann. In der Variante mit integrierter Bremsensteuerung erkennt das System sofort den Betriebszustand, die Bremsentemperatur und den Zustand des Bremsbelags. Optional können Schall, Magnetfeld, Schwingung, Temperatur und Feuchte in einer CPU im Getriebemotor vorverarbeitet und digital weiterverbreitet werden. In der höchsten Ausbaustufe lassen sich an diese Einheit Getriebesensoren für Öltemperatur und Ölzustand anschließen, aus deren Daten direkt im Getriebemotor die Ölalterung berechnet werden kann. Eine Edge Unit kann mehrere Frequenzumrichter mit ihren digitalen Getriebemotoren überwachen und die Daten für übergeordnete Services bereitstellen.

Faulhaber entwickelte für IIOT-Anwendungen die neue Motion Controller Generation V3.0. Dabei reicht das Baukastenportfolio von der Steckkarte im anwenderspezifischen Motherboard über die Schaltschrankmontage bis hin zum direkten Einsatz in der Achse. Integrierte Diagnosefunktionen erlauben sowohl eine kontinuierliche lokale als auch eine übergeordnete Überwachung der Antriebe. Wahlweise können Position, Geschwindigkeit oder Strom (Drehmoment oder Kraft) geregelt werden. Unterstützt werden dabei auch die für den synchronisierten Betrieb mehrerer Achsen üblichen Cyclic Modes wie CSP, CSV und CST aus dem CANopen/EtherCAT-Umfeld. Für einen komfortablen autarken Betrieb besteht die Möglichkeit, mittels Basic bis zu acht Anwenderprogramme im Controller zu hinterlegen, von denen eines als Autostart-Option definiert werden kann.

Integrierte, intelligente Antriebe ermöglichen eine Standardisierung und Modularisierung. Dadurch lassen sich Planungskosten senken und Projektlaufzeiten nennenswert verkürzen. Baumüller hat sein Portfolio auf diese Anforderungen ausgerichtet. Das Unternehmen deckt mit der b-maxx-Reihe einen sehr großen Leistungsbereich von kleiner 1 kW bis über 315 kW ab. Mit Sizemaxx und ProDrive können Anwender die Antriebe auslegen, in Betrieb nehmen, parametrieren und bedienen. Das Simulationsprogramm ProSimulation enthält alle Modelle der Antriebstechnik sowie eine Toolbox mit Mechanikmodellen.

Bei Faulhaber erfolgt die Parametrierung einheitlich durch den Motion Manager über USB. Dabei stehen diverse grafische Hilfsmittel und Assistenten zur Verfügung, womit die Erstinbetriebnahme innerhalb weniger Minuten erfolgen kann. Die integrierte Projektverwaltung verwaltet Einstellungen und Basisdaten eines Antriebs und erfasst die Versionierung. Inzwischen bietet auch Nord Drivesystems mit der Nordcon APP und dem Bluetooth-Stick Nordac Access BT eine mobile Inbetriebnahme- und Servicelösung für seine Antriebe. SEW-Eurodrive entwickelte eine Smart Product App auf Basis von Android beziehungsweise iOS, die Anwendern alle Informationen direkt auf mobile Endgeräte schickt. aru