links: Die neuen ultra-kompakten Servoregler der Serie PSD sind lediglich 50 Millimeter breit. Neben

links: Die neuen ultra-kompakten Servoregler der Serie PSD sind lediglich 50 Millimeter breit. Neben der Standalone Variante PSD-S besticht vor allem das Multiachs-Servosystem PSD-M. Jedes anreihbare Achsregler-Modul kann hier bis zu drei Servomotoren ansteuern. rechts: Der neue PAC Controller von Parker verbindet Motion Control mit klassischer Steuerungstechnik. Bild: Parker

Parker hat auf die rasant steigenden Anforderungen an Maschinen reagiert und eine neue Servoantriebslösung entwickelt. Die zentralen Elemente dieses Lösungspakets sind die Servoreglerfamilie PSD und die Motion Control Steuerung PAC (Parker Automation Controller).

Die Anforderungen an Maschinenbauer steigen: Maschinen sollen flexibel an verschiedene Produktionsprozesse angepasst werden können und im Einrichtbetrieb möglichst keine Stillstandszeiten mehr verursachen. Gleichzeitig sollen höhere Taktraten erreicht werden, um die Ausbringungsmengen zu steigern. Hinzu kommen die Forderung nach Kompaktheit der Anlagen, ein zunehmender Kostendruck und eine immer kürzere Time-to-Market. Durch den steigenden Automatisierungsgrad von Maschinen spielen vor allem Servoantriebe eine immer größere Rolle. Der Grund dafür ist, dass sie hochdynamische, synchronisierte und exakte Positioniervorgänge ermöglichen. Mehr Servoantriebe bedeuten aber auch größere Schaltschränke und mehr Aufwand für die Verkabelung der vielen Servomotoren. Diese steigende Komplexität war Grund genug für Parker, eine neue Servoantriebslösung zu entwickeln: die Servoreglerfamilie PSD und die Motion Control Steuerung PAC (Parker Automation Controller).

Servoregler der Serie PSD

links: Die neuen ultra-kompakten Servoregler der Serie PSD sind lediglich 50 Millimeter breit. Neben der Standalone Variante PSD-S besticht vor allem das Multiachs-Servosystem PSD-M. Jedes anreihbare Achsregler-Modul kann hier bis zu drei Servomotoren ansteuern. rechts: Der neue PAC Controller von Parker verbindet Motion Control mit klassischer Steuerungstechnik. Bild: Parker

Servoregler PSD

Parker bietet zwei Varianten des neuen Reglers: PSD-S und PSD-M. Der PSD-S ist eine Standalone-Version, die direkt an 230 VAC-Netzspannung betrieben werden kann. Der sehr kompakte Antriebsregler hat lediglich eine Breite von 50 Millimetern und ist mit Nennausgangsströmen bis 5 A verfügbar. Der PSD-S eignet sich ideal als Antriebslösung für kleinere Maschinen oder Hilfsantriebe. PSD-M ist ein Multiachs-Servosystem. Hier übernimmt ein zentrales 400 VAC-Netzmodul die Versorgung der anreihbaren Achsmodule. Die Verbindung der Achsmodule mit dem Netzmodul erfolgt über einfach zu handhabende Zwischenkreisschienen. Damit entfällt die Notwendigkeit, an jedem einzelnen Antriebsregler Zusatzkomponenten wie Absicherungen, Filter oder Bremswiderstände anzuschließen. Diese müssen nur einmalig am zentralen Netzmodul angeschlossen werden. Da alle Antriebe bei dem Multiachs-Servosystem PSD-M auch über einen gemeinsamen DC-Zwischenkreis gekoppelt sind, ist eine energieoptimale Auslegung möglich, bei der generatorisch arbeitende (bremsende) Antriebe ihre Energie den motorisch arbeitenden Antrieben zur Verfügung stellen. Damit kann auch der am Netzmodul angeschlossene Bremswiderstand oftmals deutlich kleiner gewählt werden oder sogar komplett entfallen.

Motion Controller PAC

Die aktive Vibrationsunterdrückung greift sowohl auf Sollwert-Seite im Motion Controller PAC, als auch auf Istwert-Seite innerhalb des Servoantriebsreglers PSD ein, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Die Achsmodule sind mit Nennausgangsströmen bis 30 A verfügbar und decken damit einen breiten Einsatzbereich ab. Eine weitere Besonderheit des Multiachs-Servosystems PSD-M ist, dass jedes anreihbare Achsmodul bis zu drei Servomotoren ansteuern kann. Die Achsmodule und das Netzmodul haben lediglich eine Breite von 50 Millimetern. Bei einer Gesamtbreite von 250 Millimetern können so bis zu zwölf Servomotoren angetrieben werden, was die Lösung von Parker zum kompaktesten verfügbaren Servoantriebs-System macht. Schaltschränke fallen so deutlich kleiner aus und die Maschinenstellfläche kann reduziert werden. Bei den Kommunikationsschnittstellen orientiert sich die PSD-Baureihe konsequent an offenen Ethernet-basierten Standards, welche nicht zuletzt durch das Thema Industrie 4.0 wichtiger werden. Neben einer TCP/IP-Ethernet-Schnittstelle verfügen alle Regler auch über eine Echtzeit-Ethernet-Schnittstelle zur Antriebssynchronisation. Hier stehen die Protokolle EtherCAT, Profinet und Ethernet/IP zur Verfügung.

Sicherheitskonzept von Parker

Das intelligente Sicherheitskonzept von Parker kommt komplett ohne zusätzliche Sicherheits-Verdrahtung an den Servoantrieben aus.

Viel Wert bei der Entwicklung haben die Ingenieure auf die Handhabung von PSD hinsichtlich Verdrahtung, Gerätetausch und einfacher Bedienung gelegt. Die Regler unterstützen standardmäßig die Parker SME-Servomotoren mit Einkabel-Technologie. Die Motoren beinhalten eine vollständig digitale und störungsfreie Absolutpositionserfassung, die komplett in das Motorleistungskabel integriert ist. So entfällt das sonst separat zu verlegende Geberkabel zwischen Regler und Motor. Dadurch reduzieren sich die Materialkosten sowie der Aufwand bei der Installation von neuen Maschinen. Das macht sich besonders bei großen Anlagen mit vielen verteilten Antrieben oder bewegten Achsen in Portalsystemen, welche über Kabelschleppketten geführt werden, bemerkbar. Da die Motoren auch über ein elektronisches Typenschild verfügen, wird eine einfache und schnelle Parametrierung per Plug & Play ermöglicht. Mit einer SD-Karte wird der Gerätetausch der PSD-Servoregler zum Kinderspiel. Die Speicherkarte beinhaltet die komplette Parametrierung und Gerätesoftware. Wenn ein Regler in der Maschine getauscht wird, muss die SD-Karte lediglich in den neuen Regler umgesteckt werden. Während in der Vergangenheit oft eine aufwendige Parametrierung des neuen Geräts mittels PC-Software notwendig war und eine unterschiedliche Firmware-Version in altem und neuem Regler zum Stolperstein wurde, ist der Austausch nun innerhalb weniger Minuten erledigt.

Motion-Control-Steuerung PAC

Ergänzt werden die PSD-Servoregler durch die neue Steuerungsplattform PAC. Diese vereint SPS-Logik, Motion Control und Visualisierung in einem Produkt. Ein 1.6 GHz Dual-Core-Prozessor garantiert hierbei hohe Performance. Trotz der hohen Taktleistung kommt das System ohne Lüfter oder anderen beweglichen Teilen aus und ist damit besonders robust. Wie auch bei PSD werden bei PAC alle Programmdaten auf einer austauschbaren SD-Karte gespeichert. Programmiert wird gemäß dem IEC61131-3-Standard mittels einer CoDeSys-basierten Entwicklungsumgebung. Hierbei besteht neben graphischen Programmiersprachen wie Funktions- und Kontaktplan die Möglichkeit, in einer Hochsprache zu programmieren.

Als Systembus kommt Ethercat zum Einsatz. Dieser Ethernet-basierte Kommunikationsstandard ermöglicht die hochdeterministische Synchronisation der PSD-Servoantriebe. Abhängig von der Anzahl der Achsen können Zykluszeiten von einer Millisekunde oder kleiner erreicht werden. Auch der Rückwandbus für die anreihbaren E/A-Module basiert auf Ethercat. Dies ermöglicht schnellste Reaktionszeiten, da keine Umsetzung zwischen proprietärem Rückwandbusprotokoll und Systembus mehr stattfindet. Die robusten und kompakten E/A-Module können pro Scheibe bis zu 32 E/A-Signale verarbeiten und verfügen über abnehmbare Stecker in Federklemmenausführung. Hierdurch wird die Installation vereinfacht und Fehlerquellen werden beim Austausch defekter Module systematisch ausgeschlossen. Zwei voneinander unabhängige Standard-Ethernet-Schnittstellen ermöglichen den Zugriff über TCP/IP. So lassen sich über OPC-Protokoll Daten mit einem Leitrechner oder per FTP-Protokoll Rezeptdateien austauschen. Zur Anbindung an übergeordnete Steuerungsnetzwerke stehen weitere optionale Kommunikationsschnittstellen wie Profibus, Profinet und Ethernet/IP zur Verfügung.

Industrie-Standards erleichtern Handhabung

Alle Achsbewegungsfunktionen wie Punkt-zu-Punkt-Positionierungen oder elektronische Kurvenscheiben werden über Funktionsbausteine gemäß dem PLCopen-Standard realisiert. Interpolierende Bahnbewegungen oder die Ansteuerung von seriellen und parallelen Roboterkinematiken erfolgen mittels graphischer Bahnplanung oder G-Code-Programmierung. Diese konsequente Umsetzung von Industriestandards bei der Programmierung der Servoantriebe ermöglicht dem Maschinenbauer eine schnelle Einarbeitung und Handhabung und garantiert darüber hinaus die langfristige Wiederverwendbarkeit der erstellten Programme. Da PAC auch eine integrierte Visualisierung beinhaltet, lassen sich Bedienoberflächen einfach erstellen. Innerhalb der Visualisierung kann ohne zusätzlichen Konfigurationsaufwand auf alle Programmvariablen der Steuerung zugegriffen werden. Ein integrierter Webserver ermöglicht den Remote-Zugriff auf die erstellte Maschinenbedienung, um dem Maschinenbauer beispielsweise die Ferndiagnose beim Endkunden zu vereinfachen. Alternativ kann über den Webserver auch eine lokale Maschinenbedienung oder Diagnose mittels Smartphone oder Tablet realisiert werden.

SME Servomotor with DSL feedback

SME-Servomotor mit Einkabel-Technologie. Durch die Integration der Feedbacksignale in die Motorleitung kann auf einen zweiten Stecker und ein separates Kabel verzichtet werden. Das reduziert Aufwand und Kosten bei der Verkabelung der Maschine.

Immer mehr Kopfzerbrechen bereitet es vielen Maschinenbauern, die steigenden Anforderungen der Endkunden mit der Einhaltung der EG-Maschinenrichtlinie in Einklang zu bringen. Da zunehmend auf großflächige Schutzgitter verzichtet werden soll und Maschinen beispielsweise auch im Einrichtbetrieb nicht komplett stillgesetzt werden dürfen, wird zwangsläufig der Einsatz von Servoantriebstechnik mit erweiterter Sicherheitsfunktionalität notwendig. Parker bietet hierzu ein integriertes Lösungspaket an, welches die Komplexität für den Maschinenbauer deutlich reduziert. Eine optionale Sicherheitssteuerung, die sich wie eine normale E/A-Scheibe an die Standard-Steuerung PAC anreihen lässt, übernimmt hier die zentrale Rolle. Die Servoregler sind optional mit dem Sicherheitsprotokoll FSoE (Functional Safety over Ethercat) verfügbar. Der Austausch aller Safety-Signale zwischen Sicherheitssteuerung und Antrieben erfolgt hierbei über den Standard-Ethercat-Systembus. Damit entfällt die ansonsten notwendige diskrete Verkabelung der Sicherheitssignale zu den Antrieben vollständig. Selbst auf die lokale Verdrahtung der STO-Eingänge (Safe Torque Off) kann verzichtet werden, da diese ebenfalls zentral über den Bus ausgelöst werden. Da die Sicherheitssteuerung mittels IEC61131-3 in der gleichen Programmierumgebung wie PAC programmiert werden kann, ist für den Anwender keine umständliche Einarbeitung in zusätzliche Programmiertools notwendig.

Aktive Vibrationsunterdrückung

Maschinenbauer gelangen auch immer mehr an die physikalischen Grenzen, wenn es darum geht, die Ausbringungsmengen ihrer Maschinen weiter zu steigern. Viele mechanische Antriebe stellen im physikalischen Sinne sogenannte Zwei-Massensysteme dar, welche zu Schwingungen neigen. Hochdynamische Sollwertänderungen regen hierbei mechanische Resonanzstellen der Maschine an. Somit entsteht eine natürliche Begrenzung bei den erzielbaren Taktraten. Speziell für solche Problemfälle haben die Ingenieure von Parker eine aktive Vibrationsunterdrückung entwickelt. Hierbei findet sowohl eine Filterung der Sollwert-Signale auf der Motion Control Steuerung PAC, als auch der Istwert-Signale im Rückführzweig des Antriebsreglers PSD statt. Durch diesen kombinierten Ansatz lassen sich die Einschwingzeiten der Antriebe deutlich reduzieren, was schnellere Bearbeitungszyklen ermöglicht. Erste Erfahrungen im Feld zeigen, dass die Maschinentaktraten so bis zu 20 Prozent gesteigert werden können. bf

Von Frank Durban
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Frank Durban
Division Marketing Manager bei Parker Hannifin