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Kriterien zur Anlagenplanung zentraler und dezentraler Antriebe

Der Autor, Dipl. Ing. Karl-Peter Simon, ist Geschäftsführer der Danfoss GmbH Bereich Motion Controls, Offenbach

Der gegenwärtige Trend zu dezentralen Antriebslösungen ist unverkennbar und basiert auf Vorteilen wie Einsparung von Engineering, Wartung, Montage- und Verdrahtungsaufwand sowie von Schaltschrankvolumen. Bisher wurden in vielen Veröffentlichungen zum Thema dezentrale Antriebstechnik große Kosteneinsparungen dargestellt. Einsparungen erzielt man aber nur bei bestimmten Anwendungen und nicht generell, deshalb sind zentrale Antriebe nach wie vor unverzichtbar oder sogar kostengünstiger. Beispielsweise bei kurzen Leitungslängen, Einzelmaschinen und kompakten Anlagen mit wenig Platz vor Ort und hohen Motorleistungen.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen dezentraler Montage und dezentraler Intelligenz. Die dezentrale Montage bezieht sich auf die physische Verteilung der Antriebssteuerungen. Bei diesem Konzept werden zum Beispiel Frequenzumrichter oder Softstarter motornah oder auf den Motor montiert.
Bei der Dezentralisierung der Intelligenz werden beispielsweise Steuerungsfunktionen und Prozesse, die bislang typischerweise von einer SPS übernommen wurden, in die Antriebssteuerungen verlagert. Zum Beispiel mit Hilfe von Applikationscontrollern, die optional in die Danfoss-Frequenz-umrichter VLT Serie 5000 integriert werden können.
Bei den herkömmlichen zentralen Antrieben mit im Schaltschrank eingebauten Frequenzumrichtern VLT 5000 ist die Elektronik weitgehend vor Umwelteinflüssen geschützt. Die Antriebskomponenten sind relativ kostengünstig, erfordern jedoch meist abgeschirmte Motorleitungen. Die Trennung von Elektronik und Motor ermöglicht den Einsatz bei hohen Temperaturen, starkem Verschmutzungsgrad und im Ex-Bereich. Außerdem steht ein breites Produktprogramm von vielen Herstellern zur Verfügung, was eine hohe Beschaffungsflexibilität bietet.
Die dezentralen Antriebe benötigen keinen Platz im Schaltschrank und man kann Zeit und Kosten beim Verdrahten sparen, insbesondere bei räumlich ausgedehnten Anlagen.
Auch bei zentral aufgebauten Antrieben gewinnen Feldbusse zunehmend an Bedeutung. Es ist jedoch möglich, dass solche Anlagen mit zentraler Steuerung und geringer räumlicher Ausdehnung durchaus auch ohne Feldbus-Technologie kostengünstiger sind. Zu beachten ist ebenfalls, ob das Instandhaltungspersonal in der Feldbustechnik geschult ist und diese auch beherrscht. Feldbusse und dezentrale Antriebe gehören zusammen, denn eine konventionelle Ansteuerung macht wenig Sinn, da damit der Verdrahtungsaufwand enorm steigen würde. Daher ist hier bei den meisten Anwendungen ein Feldbus notwendig.
Für den Anwender ist die Servicefreundlichkeit sehr wichtig. Der Austausch der steckbaren dezentralen Elektronik vor Ort, eventuell mit Reparaturschalter, erfolgt sehr schnell und bedarf keiner besonderen Schulung. Außerdem kann man Anlagenteile vor Ort einfach freischalten.
Ein dezentraler Antrieb motornah montiert bzw. motormontiert kann normalerweise einfach serviciert werden. Dies hängt jedoch wesentlich von der Zugänglichkeit des dezentralen Frequenzumrichters ab. Bei entsprechender Projektierung ist der Programmieraufwand von zentralen und dezentralen Antrieben gleich.
Dies setzt jedoch voraus, dass ein Feldbus verwendet wird. Somit ist im Servicefall die Diagnose sehr einfach und der Geräte-Austausch (Plug & Play) kann durch automatische Neuparametrierung erfolgen. Der Profibus DP-V1 bietet hierzu die besten Voraussetzungen.
Bei der zentralen Automatisierungsstruktur koordiniert ein Master (z. B. IPC) den gesamten Ablauf der Maschine. Alle Sensoren und Aktoren sind an den Master gekoppelt. Neben den steuerungs- und leittechnischen Funktionen übernimmt der Master auch die Regelung der einzelnen Antriebseinheiten.
Insbesondere bei der Bewegungssteuerung mehrerer Achsen, deren Fahrprofile zeitlich und räumlich aufeinander abgestimmt werden müssen, führt der Funktionsumfang im Master zu umfangreicher Automatisierungssoftware und erfordert eine hohe Rechnerleistung.
Bei der dezentralen Automatisierungsstruktur wird die Gesamtaufgabe in Teilprozesse zerlegt. Die steuerungs- und antriebstechnischen Funktionen der einzelnen Prozesse werden idealerweise in den Steuerungen selbst erledigt. Der übergeordnete Master kontrolliert die einzelnen Prozesse, die aber in den untergeordneten Steuerungen ablaufen. Zu diesem Zweck muss der Antrieb die Möglichkeit bieten, SPS-Funktionen zu übernehmen. Der „intelligente Antrieb“ beinhaltet eine frei programmierbare Steuerung, die neben den Antriebsfunktionen die steuerungs- und regelungstechnischen Funktionen des zugehörigen Maschinenteiles übernimmt. Das Maschinenteil kann jetzt zusammen mit dem Antrieb als Modul behandelt werden, das die erforderlichen Daten über einen Feldbus mit dem Leitsystem austauscht. In der Regel sind hierfür zwei Bussysteme erforderlich. Der Feldbus dient zur Kommunikation mit der überlagerten Steuerung, der Antriebsbus vernetzt die Antriebe zum Austausch von Bewegungsinformationen.
Danfoss VLT 5000 Frequenzumrichter sind bewährte Antriebsregler, die bei Verwendung des optionalen Applikations-Controllers zur frei programmierbaren Bewegungssteuerung erweitert werden. Besonderer Wert wurde bei der Entwicklung des Antriebssystems auf die durchgängige Bedienerfreundlichkeit von der Projektierung bis hin zum Service gelegt.
Zusammenfassung
Dezentrale Antriebstechnik wird heute in erster Linie eingesetzt, wenn man Kosten sparen kann. Hierzu ist immer eine Systembetrachtung notwendig. Zu den wesentlichen Vorteilen zählen:
– Niedrige Installationskosten bei ausgedehnten Anlagen
– Einfache Erweiterung, da kein zusätzlicher Schaltschrankplatz notwendig ist
– Wenn eine konsequente modulare Konzeption möglich ist, sinken die Projektierungskosten
– Die Installationskosten können niedriger sein, jedoch muss der Aufwand von vorkonfektionierten Spezialkabeln berücksichtigt werden.
– Niedrige EMV-Beeinflussung, da die Kabel zwischen Umrichter und Motor kurz sind.
Bei Einsatz von dezentralen Antrieben ist zu berücksichtigen, dass das gewählte Fabrikat standardmäßig in der Lage ist, jeden beliebigen Drehstrom-Normmotor zu betreiben.
Zentrale Antriebstechnik wird bevorzugt eingesetzt, wenn folgende Funktionalitäten erforderlich sind:
– Es wird ein breites Spektrum an Antrieben benötigt, z. B. Servomotoren, Schrittmotoren, frequenzgeregelte Drehstrom- Normmotoren
– Starke Schmutzbelastung oder Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich, z. B. Chemieanlagen
– Anlagen mit geringer räumlicher Ausdehnung und genügend Schaltschrankplatz sind kostengünstig
– Unabhängigkeit von Antriebslieferanten.
Ausführliche Informationen
Zentrale Frequenzumrichter
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