Antriebe mit skalierter Funktionalität und identischer Bedien- und Parameterstruktur

Automatisierung der Fertigung

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Automatisierung und Antriebstechnik sind die Treiber der Produktivität. Die Innovationszyklen im Maschinenbau werden immer kürzer und die Anforderungen an die Flexibilität der Produktionsmaschinen sind extrem. Auf der SPS/IPC/Drives 2012 in Nürnberg konnte gut beobachtet werden, wie die Hersteller von Automatisierungslösungen darauf reagieren, um den Anforderungen gerecht zu werden, die besonders der deutsche Maschinenbau stellt.

Exklusiv in KEM Autor: Dipl.-Ing. Frank Borchardt, Marketing, Control Techniques GmbH, Hennef

Bei der Kernkomponente der Antriebsautomatisierung, den Frequenzumrichtern, stand neben den Verbesserungen in der Kommunikationstechnologie und der Bedienbarkeit der Ausbau bestehender oder der Einstieg in neue Baureihen im Vordergrund. – Mit einer Ausnahme: Die innovative Unidrive M-Antriebsfamilie mit skalierter Funktionalität sowie identischer Bedien- und Parameterstruktur. Mit Unidrive M wurde von Control Techniques erstmals eine weltweit komplett verfügbare Großfamilie präsentiert, die aus sieben einzelnen Baureihen besteht und ein Leistungsspektrum von 0,25 kW bis 1,2 MW abdeckt. Durch die offene, flexible Echtzeit-Ethernet-Kommunikation gemäß IEEE 1588 V2 und Netzwerk-Synchronisierung in weniger als 1 µs können die Baureihen je nach Aufgabenstellung in komplexe Fertigungslinien eingesetzt werden. Die Einbindung in IT-Netzwerke ist dabei ebenso möglich. Hier übernimmt die QoS-Routine (Quality of Service) die Priorisierung der Nachrichten und sorgt somit für eine stabile Bandbreite des Netzwerkes. Die Unidrive M bieten aber nicht nur Umrichterfunktionen, sondern sie verfügen auch je nach Typ über Onboard- oder optionale SPS-Funktionen, Motion Controller oder Maschinensteuerungen. Die Programmierung erfolgt über Codesys. Unidrive M kann somit die Steuerung einer kompletten Maschine übernehmen. Damit haben die Entwickler unter Einbeziehung weltweiter Praxiserfahrungen und kundenorientierter Marktanalysen einen besonders flexibel einsetzbaren Baustein für die Antriebsautomatisierung entwickelt. Er hat alle Chancen, sich zu einer international verfügbaren Schlüsselkomponente für den exportorientierten deutschen Maschinen- und Anlagenbau zu entwickeln. Denn: Unidrive M bietet alle Voraussetzungen zur Steigerung der Maschinenleistung bei freier Motorwahl. Das senkt die Investitions- und Betriebskosten ebenso wie die Inbetriebnahme- und Diagnosezeiten.
Basis: die Anforderungen der Anwender
Die Grundlage für die Entwicklung der Unidrive M-Baureihen wurde nicht im Labor gelegt, sondern im Gespräch mit den Kunden. Jay Wirtz, Vice President Strategic Marketing von Control Techniques: „Wir haben weltweit die Anwender von Frequenzumrichtern befragt und sowohl qualitative als auch quantitative Analysen durchgeführt, um die aktuellen und zukünftigen Anforderungen des Marktes genau zu analysieren und die einzelnen Baureihen auf diese Anforderungen abzustimmen. Dabei haben wir nicht nur unsere Kunden befragt, sondern auch die Technologieführer unter den Anwendern von Wettbewerbsprodukten.“ Zentrales Ergebnis der umfassenden Befragungen war, so Jay Wirtz: „Es kristallisierte sich heraus, dass sich die Kunden und Interessenten im Fertigungssektor in sieben Hauptgruppen mit jeweils unterschiedlichen Bedürfnissen einteilen lassen. Dementsprechend haben wir ein Produktprogramm aus sieben Modellen entwickelt, die jeweils eine dieser Kundengruppen abdecken.“
Spezielle Merkmale
Alle Baureihen zeichnen sich durch eine identische Parameterstruktur sowie einfache Bedienung, Programmierung und Diagnose aus. Das Speichern und Kopieren von Parametern erfolgt mit einer SD-Karte, Smartcard oder über ein PC-Programm. Unidrive M-Umrichter lassen sich für alle gängigen Betriebsarten (Open Loop, Vektorregelung für Asynchron-, Synchron- und Synchronservomotoren in Open- und Closed-Loop, Vierquadrantenbetrieb mit Rückspeisung) einsetzen. Sie bieten im oberen Typenbereich eine Regeldynamik von 62,5 µs, was extrem schnell ist und Taktfrequenzen von 0,67 bis 16 kHz. Die Geräte „vertragen“ bis zu 200% Spitzenlast für 3s und können somit gut mit kurzzeitigen Spitzenströmen umgehen.
Ein multifunktionaler Gebereingang für 17 marktübliche Interface-Typen wie Hiperface, EnDat, SSI und BISS erlaubt die einfache Integration der Umrichter in Regelkreise. Für die Kommunikation stehen onboard entweder eine RS485– oder eine Ethernet-Schnittstelle zur Verfügung sowie optionale Module für weitere Bussysteme. Das „On- board“-Ethernet wird gemäß IEEE 1588 V2 in weniger als 1 µs mit Zykluszeiten von 250 µs synchronisiert. Die Anzahl der Netzknoten ist nahezu unbegrenzt.
Modulares Konzept
Die sieben einzelnen Umrichterbaureihen mit den Bezeichnungen M100 bis M800 bauen auf derselben Plattform auf. Die Familie startet mit dem kompakten Einstiegsmodell Unidrive M100, das als wirtschaftlicher Umrichter für Anwendungen ohne Drehzahlrückführung bestens geeignet ist. Der Standby Modus mit geringem Stromverbrauch sorgt für einen energieoptimierten Betrieb. Wer weitere Bus-Optionen wie z.B. RS485, Profibus, Devicenet, Canopen und Ethercat nutzen will, entscheidet sich für den M200, dessen Kommunikationsmöglichkeiten durch ein steckbares Modul vergrößert werden.
Die Reihe Unidrive M300 unterscheidet sich vom M200 durch die integrierte funktionale Sicherheit. Mit ihr kann man also Funktionen wie Sichere Drehmomentabschaltung (Sicherer Halt) realisieren. Dr. Uwe König, Key Account Manager von Control Techniques: „Die integrierten Sicherheitsfunktionen sind in diesem Preissegment sonst nicht zu finden.“
Beim Unidrive M400 kommuniziert der Anwender bzw. Programmierer per Klartext mit dem Unidrive. Die optionale LCD-Bedieneinheit ist intuitiv und bietet eine mehrsprachige Klartextanzeige. Zudem ermöglicht der M400 einen frequenzgeführten Master-Slave-Betrieb. Die Onboard-SPS kann diverse Steuerfunktionen übernehmen und somit externe Steuereinrichtungen entlasten oder sogar ersetzen. Ab dem Unidrive M400 verfügen die Umrichter über eine integrierte Steuerungsfunktionalität deren Programmierung auf der Basis von Codesys nach IEC 61131–3 erfolgt.
Der Unidrive M600 sorgt für eine verbesserte Performance bei der Ansteuerung von geberlosen Synchron- und Asynchronmotoren. Für eine höhere Regelgüte, Digital Lock oder einen frequenzgeführten Master-Slave-Betrieb steht ein optionaler Encoder-Anschluss zur Verfügung. Die Onboard-SPS ist noch leistungsfähiger als bei den M400 und zusammen mit den drei Optionsmodul-Steckplätzen bietet der M600 erweiterte Möglichkeiten für eine optimale Systemanbindung.
Die Modelle: Unidrive M700 und M800
Mit dem M700 ist es Control Techniques gelungen einen besonders vielseitig einsatzbaren AC- und Servoumrichter zu konzipieren. Der M700 setzt einen neuen Standard für das Verhalten von Asynchron-, Synchron- und Servo-Permanentmagnetmotoren mit Echtzeit-Ethernet und bietet weit mehr Funktionalitäten als der bisherige Unidrive SP, mit dem er als Version M701 eins zu eins austauschbar ist. Für die zahlreichen Anwender, die den Unidrive SP bisher einsetzen, ist so der Wechsel zur neuen Unidrive M-Serie unkompliziert. Das Standard Echtzeit-Ethernet (PTP-fähig nach Norm IEEE 1588 V2) des Unidrive M700 gewährleistet durch die Vernetzung der Antriebe einen optimalen Betrieb und ermöglicht eine Maschinensteuerung mit schneller und flexibler Kommunikation. Über nur eine Ethernet-Verbindung können bis zu vier Protokolle parallel übertragen werden. Die Synchronisierung erfolgt über das Netzwerk in weniger als 1μs sowie extrem niedriger Update-Raten von 250 µs. Darüber hinaus unterstützt es eine nahezu unbegrenzte Knotenanzahl.
Für die Kommunikation verwendet Unidrive M offene Protokolle wie TCP/IP und UDP, wobei durch Gateways eine Priorisierung der Meldungen erfolgt und damit die Bandbreite des Netzwerkes geschützt wird. Über diesen
Standard arbeiten die Umrichter auch mit anderen Protokollen wie Profinet RT, Ethernet/IP und Modbus TCP/IP zusammen.
Das Spitzenmodell der neuen Umrichterfamilie, der Unidrive M800, zeichnet sich zusätzlich durch die Integration einer neuartigen Hochleistungs-MCi-Maschinensteuerung aus. Eine Version mit doppelter Ethernet-Anbindung bietet einen noch höheren Datendurchsatz und die Anschlussmöglichkeit an zwei separate Ethernet-Netzwerke. Dr. Holger König, Vertriebsleiter von Control Techniques: „Diese neue Lösung ermöglicht eine noch umfassendere Steuerung einer Maschine und schafft dadurch die Voraussetzung für weitere Leistungssteigerungen in der Produktion.“
Direkte Kommunikation von Umrichter zu Umrichter
Die Möglichkeit der Standard-Ethernet-Ankopplung hat zur Folge, dass alle Unidrive M-Modelle ab M200 jetzt direkt miteinander kommunizieren können; der frühere umständlichere Datenaustausch über den bislang genutzten Maschinen-Controller entfällt. Jeder ethernetfähige Antrieb ist mit einem Ethernet-Switch mit Doppelanschluss und RJ45-Standardsteckverbindern ausgestattet, was die Netzwerkanbindung von Maschinen deutlich vereinfacht.
Anspruchsvolle Anwendungen wie z.B. die „elektronisch angetriebene Welle“ lassen sich einrichten, ohne dass dazu Programmiercodes geschrieben werden müssen. Die Antriebe beginnen hier selbsttätig die Kommunikation mit dem Ziel, ihre Steuer- und Regelkreise zu synchronisieren.
Eine weitere Innovation sind die PC-Tools für die Inbetriebnahme, Steuerung, Diagnostik und Programmierung. Zum Inbetriebnahme-Paket gehört eine neue Software zur Einstellung und Überwachung des Reglers. Dabei hat der Anwender einfachen Zugriff auf alle relevanten Parameter. Diese Software ermöglicht nicht nur eine einfachere Optimierung der Antriebe, sondern auch eine komfortable Datensicherung und schnellere Fehlersuche. Das Tool ist skalierbar und kann den Anwendungsanforderungen angepasst werden. Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit des gleichzeitigen Betriebes mehrerer Kommunikationskanäle für einen besseren Überblick über das Gesamtsystem.
Control Techniques,
Tel.: 02242 877-139,
E-Mail: frank.borchardt@
emerson.com
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