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Antriebsumrichter übernehmen Aufgaben zur Bewegungssteuerung

Regalbediengerät: Intelligente Antriebsumrichter übernehmen Aufgaben zur Bewegungssteuerung
Clevere fahren Bus

Die Feldbustechnik gewinnt in der Automatisierung zunehmend an Bedeutung. Insbesondere in der Lagertechnik ergeben sich kostenoptimale und innovative Lösungen durch die Nutzung dezentraler Konzepte. Am Beispiel eines Regalbediengeräts (RBG) wird die Kosteneinsparung aufgezeigt, denn die mitfahrende Steuerung (SPS) kann durch Verwendung intelligenter Antriebsumrichter stark reduziert werden oder ganz entfallen.

Trends in der Antriebstechnik

Entwicklungen der Motoren-, Steuerungs- und Kommunikationstechnik beeinflussen in hohem Maße die technische Ausführung von Regalbediengeräten.

So erkennt man bei den Antriebsmotoren den Ersatz von Gleichstrommotoren gegen feldorientiert geregelte Asynchronmotoren.
Mittels feldorientierter Regelung wird ein Drehmomentverlauf identisch der Gleichstrommaschine erreicht. Volles Drehmoment, auch im Stillstand, ermöglicht exakte Positionierung.
In der Steuerungstechnik beobachtet man eine Verlagerung von Aufgaben der Bewegungssteuerung in den Antriebsumrichter wie:
– Lagegeregelte Positionierfahrt zwecks zeitoptimierter Anfahrt der Zielposition
– Lastaufteilung auf verschiedene Antriebsräder
– Steuerung der Kurvendurchfahrt bei Multi RBG’s (elektronisches Differential)
Ein Großteil der Steuerung von modernen Regalbediengeräten beruht heute auf einem Datenaustausch per Feldbus. Erst durch konsequente Nutzung der Feldbustechnologie lassen sich die mitfahrenden Komponenten des RBG verringern. So kann schon heute die auf dem RBG mitfahrende SPS eingespart und durch dezentrale Peripherie, wie E/A’s, Gebersysteme und Antriebsumrichter ersetzt werden.
Antriebsumrichter sind zunehmend Teil der Feldbustopologie auf Prozessebene. Durch Kopplung der Umrichter ins Prozessabbild der SPS, wird die analoge Schnittstelle zur Sollwert Vorgabe durch den Feldbus ersetzt. Gleichzeitig erhöht sich die Datentransparenz zwischen Umrichter und Steuerung, da alle Parameter des Umrichters über den Feldbus zugänglich sind.

Aufbau des Antriebssystems

Durch den Einsatz von Feldbus-Technologie lässt sich der Installationsaufwand im Schaltschrank des RBG stark reduzieren.
So findet man neben der üb-lichen Schütztechnik und den Komponenten der Spannungsversorgung hauptsächlich folgende Komponen-ten der Antriebs- und Steuerungstechnik als Teil des Regalbediengeräts :
– Antriebsumrichter mit Feldbusschnittstelle für Fahr-, Hub-, Teleskopantrieb, inklusive Programm zur Bewegungssteuerung.
– dezentrale Ein- und Ausgänge, über Feldbus mit SPS verbunden
– Wegmesssystem, entweder direkt am Antriebsumrichter oder über Feldbus an der SPS angeschlossen
– Getriebemotoren mit / ohne Inkrementalgeber für Hubwerk, Fahrwerk und Teleskop
– mobiler Teil der Datenlichtschranke
In der Kopfstation des Hochregallagers findet man nun die zentrale Steuerung (SPS oder IPC), die gleichzeitig mehrere Regalbediengeräte steuert. Initiatoren und Lichtschranken werden über dezentrale E/A’s verarbeitet.
Die Datenübertragung zwischen stationärer Kopfstation und den Regalbediengeräten erfolgt kabellos über Datenlichtschranken, oder bei Multi RBG’s mittels Schleifleitung.

Leistungsumfang der Steuerung

Bewegungssteuerung: Um sanfte Bewegungsabläufe bei gleichzeitiger hohen Positioniergenauigkeit zu erreichen ist eine exakte Regelung von Drehmoment, Drehzahl und Position erforderlich. Dies erfolgt innerhalb des Umrichters in Form einer Kaskadenregelung aus Strom (Drehmoment), Drehzahl und Lage. Man spricht von der feldorientierten Regelung. Dies ermöglicht volles Drehmoment auch im Stillstand, so dass Hubwerke bei Übergabe der Last elektrisch auf der aktuellen Posi-tion gehalten werden können.
Die komplette Bewegungssteuerung erfolgt im Antriebs-umrichter. Dabei werden absolut ruckfreie Beschleunigungen und Verzögerungen der RBG durch sinusförmige oder quadratische Rampen erreicht.
Kommunikation: Der Datenaustausch zwischen An-triebsumrichtern und SPS wird über Feldbus realisiert. Dazu werden die einzelnen Antriebsregler direkt in den E/A oder Peripheriebereich der SPS / IPC gekoppelt.
Die Datenbreite auf Prozessebene liegt in der Regel bei drei bis sechs Datenworte zur Steuerung der Umrichter und Vorgabe von Sollwerten für Zielposition und Geschwindigkeit.
Bei Regalbediengeräten größerer Tragkraft werden im Fahrwerk häufig beide Laufräder elektrisch angetrieben. Hier übernimmt der Antriebsumrichter die Aufteilung der Antriebsleistung auf beide Räder.
Ist das Regalbediengerät zusätzlich kurvengängig, ergibt sich eine besondere Steuerung der Geschwindigkeit der einzelnen Laufräder im Kurvenbereich. Sonderfunktionen werden mittels Systembus realisiert.
Zusätzlich zur Kommunikation zwischen Umrichter und SPS, findet ein Datenaustausch zwischen den einzelnen Antriebsachsen statt:
– Lastaufteilung, zur Aufteilung der Antriebsleistung auf beide Antriebsräder
– Elektronisches Differential zur Kurvenfahrt. Hohe Querbeschleunigungen der Last bei Durchfahrt der Kurve werden vermieden
Über den Systembus werden Prozesswerte wie Drehzahl und Drehmoment beider Antriebseinheiten ausgetauscht.
Durch die Verlagerung der Bewegungsteuerung in den Antriebsumrichter, wird die SPS erheblich entlastet. So wird über den Feldbus lediglich die Zielposition vorgegeben, es folgt eine lagegerelte Fahrt, ohne dass Zeit bei einer Schleichfahrt verloren geht.

Betrachtung der Kosten

Durch die Nutzung der neuen Technik ergeben sich Ein-sparungen der Kosten in den nachfolgend aufgeführten Bereichen.
Elektrische Installation und Hardware im Schaltschrank des Regalbediengeräts :
– Einsparung der SPS im Schaltschrank des RBG
– Verringerung des Aufwands an Installation durch Einsatz der Feldbus Technologie
Montage und Inbetriebnahme
– Bei Verwendung von Entfernungsmessgeräten erhebliche Zeitersparnis bei Montage des Wegmesssystems
– Selbstdiagnose der Antriebs-umrichter beschleunigt Fehlersuche und deren Behebung
– Software-Tools zur Diagnose und Projektierung des Feldbus erleichtern und beschleunigen die Inbetriebnahme des Feldbusses
Betrieb und Service:
– Erhöhung des Materialdurchsatzes durch zeitoptimierte Positionierung ohne Schleichfahrt
– Ferndiagnose im Störungsfall über Teleservice möglich Die Feldbuskopplung macht sämtliche Fehlerzustände der Antriebsumrichter im SPS Programm sichtbar
– Notbetrieb bei defektem Wegmesssystem möglich
Frequenzumrichter und Bewegungssteuerung
Moderne Antriebsumrichter sind heutzutage in der Lage einen Großteil an steuerungstechnischer Funktionalität zu übernehmen. Diese Systeme sind zur Bewegungssteuerung (Motion control) entwickelt wurden.
Deshalb macht es Sinn, Aufgaben die direkt im Zusammenhang mit der Bewegung des Regalbediengeräts stehen, in die Antriebsumrichter zu verlagern. Dies sind
– Positionierung von Hub- Fahr- und eventuell Tele-skopantrieb
– Synchronlaufregelung bei Regalbediengeräten mit Doppelmast und Einzelantrieben des Hubwerks
– Aufteilung der Antriebsleistung bei Fahrwerken, die über beide Laufräder angetrieben werden.
Die übergeordnete Steuerung braucht den Vorgang der Bewegung nicht mehr durchzuführen, sondern lediglich zu überwachen. Mittels Feldbus erfolgen die Vorgaben für Zielposition und Fahrgeschwindigkeit.

Mitfahrende SPS entfällt

Aufgrund der Entbindung der Steuerung von regelungstechnischen Aufgaben und durch Einsatz von Kommunikation über Feldbus kann die Steuerungstechnik des RBG „dezentralisiert“ werden. Das heißt, die Bewegungssteuerung findet vor Ort auf dem RGB durch die Antriebsumrichter statt, die mitfahrende SPS entfällt. Überwachungen von Sicherheitsfunktionen sowie die übergeordnete Koordination sämtlicher Bewegungsachsen des Regalbediengeräts sollten jedoch weiterhin in der SPS erfolgen. Somit macht es Sinn die übergeordnete Koordination der einzelnen Regalbediengeräte in der SPS/IPC der Kopfstation zu realisieren.
SEW-Eurodrive als „Beste Fabrik des Jahres 2000“ ausgezeichnet
Die Elektronikfertigung der SEW-Eurodrive GmbH & Co KG im badischen Bruchsal erhielt im März 2000 die gemeinsam von der Managementschule Insead sowie der Zeitschrift „Wirtschaftswoche“ ausgelobte Auszeichnung „Beste Fabrik des Jahres 2000“. Ausgewählt wurde unter 32 Unternehmen herausragende Leistungen im Produktionsprozess sowie im Personalmanagement. Positiv beurteilt wurden die konsequente Kommunkation innerhalb des kompletten Produktionsprozesses. Modulare Produktionsstrukturen, kurze Materialwege, übersichtliche Abläufe und die Kontrolle der gesamten Wertschöpfungskette tragen wesentlich zum Erfolg des Unternehmens bei. Teams aus Werkern und Managern sind dafür verantwortlich, Vorgaben zu erreichen und Engpässe zu beseitigen. Das Ergebnis: Die Teams fertigen heute mit gleicher Mannschaft jeden Monat mehr als dreimal so viele Umrichter wie noch vor fünf Jahren. Damit ist der Wandel vom reinen Hersteller antriebstechnischer Komponenten hin zum globalen Systemanbieter auch in produktionstechnischer Hinsicht vollzogen. SEW-Eurodrive setzt gleichermaßen Trends bei Getriebemotoren wie auch im Bereich der Umrichtertechnik. Neben verschiedenen Reihen von Schaltschrankumrichtern für nahezu alle Leistungsbereiche und Anwendungen verlassen zunehmend auch Umnrichterlösungen für dezentrale Antriebsinstallation die „Beste Fabrik des Jahres“.
 

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