Trends von der SPS IPC Drives 2018

Danfoss Drives zeigte auf der Messe, wie eine Überwachung der Motorisolation, der Lasthüllkurve und mechanischer Vibrationen ausgeführt werden können. Der Frequenzumrichter verwandelt sich durch die neuen integrierten Überwachungsfunktionen zum intelligenten Sensor, der auftretende Fehler frühzeitig erkennen kann und meldet. So lässt sich ein schadensbedingter Stillstand oftmals vermeiden. Dies optimiert die bislang meist rein zeitgesteuerte Wartung oder wegen eines Schadens notwendige Reparatur auf einen bedarfsgerechten Service mit optimalen und somit kostensparenden Wartungs­intervallen.

Die Zustandsüberwachung der Motor­isolation kann z. B. für Motoranwendungen relevant sein, bei denen immer wieder Ausfälle auftreten und somit aufwendige Reparaturen samt kostenintensivem Stillstand der Anlage nach sich ziehen. Die mechanische Schwingungsüberwachung mit einem externen ­Sensor hilft dabei, unrunden Lauf zu erkennen, um so mechanische Probleme frühzeitig zu beheben. Bei Maschinen und Anlagen verhilft dies zu einer besseren Kontrolle der verschleißbehafteten Komponenten. Bei Ventilatoren beispielsweise kann dies helfen, mechanische Schäden am Lüfterflügel, Unwucht oder Lagerverschleiß festzustellen. Speziell mit der Hüllkurvenüberwachung lässt sich eine Änderung der Last eines Ventilators (Bild 1), wie erhöhte Reibung oder Widerstand im Luftstrom, durch verschmutzte Filter erkennen und eine Maßnahme dagegen einleiten. Damit ist auch gewährleistet, dass die Anlage stets im energetisch bestmöglichen Bereich läuft.

Statt präventiv Verschleißteile auszutauschen, die unter Umständen noch reibungslos funktionieren, oder von einem Ausfall überrascht zu werden, verhilft die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) zum richtigen Wissen über den Zustand der überwachten Bauteile zur richtigen Zeit. Dem einmaligen geringen Aufwand, Predictive Maintenance zu etablieren, steht der dauerhafte Nutzen in Bezug auf die ­erhöhte Zuverlässigkeit der Anlage sowie Verringerung der Wartungskosten entgegen.

Condition-Monitoring

Dieses Thema bestimmte die Gespräche am Hengstler-Messestand. Der Automatisierer bietet der Industrie mit seiner offenen Schnittstelle SCS-Open-Link, dem optischen Absolutwertgeber »Acuro AD58« und der CM-Sensor-Applikation »Onsite« eine Komplett-Lösung für die Zustandsüberwachung.

SCS-Open-Link ist eine Motorfeedback-Schnittstelle, die dem Konstrukteur die freie Wahl seiner Maschinen-Komponenten ermöglicht. Die Ein-Kabel-Lösung verfügt nicht nur über Übertragungsraten von bis zu 10 MBaud, sondern gewährleistet auch kurze Reglerzyklen bis 32 kHz. Sie eignet sich für Sensoren und Aktoren gleichermaßen und garantiert die sichere Datenübertragung über große Distanzen (max. 100 m). Der Servomotor-Feedback-Drehgeber »AD38« wurde speziell für diese Schnittstelle konzipiert. Er ist weitgehend unempfindlich gegenüber Schock und Vibrationen und bietet eine Arbeitsdrehzahl von bis zu 10 000 min-1 sowie eine Auflösung von bis zu 24 Bit (Singleturn-Version) bzw. 12Bit (Multiturn-Version). Kons­trukteure sparen mit diesem Drehgeber dank des Einkabel-Systems nicht nur mindestens 50 % des Steckplatzes, sondern erreichen auch eine signifikante Effizienzsteigerung der Maschine.

Der »Acuro AD58« ist vollständig digital und zeichnet sich durch Arbeitsdrehzahlen von bis zu 12.000 min^-1 und Auflösungen von 24 Bit in der Singleturn-Version aus. Beide Drehgeber-Ausführungen arbeiten mit einer hohen Genauigkeit von 36 bzw. 20 Winkel­sekunden und sind damit prädestiniert für die Integration in BLDC-Motoren. Dort tragen sie dazu bei, effizient Energie einzusparen und die Antriebsregelung bezüglich Gleichlauf bei CNC-Maschinen oder Präzisions­positioniersystemen deutlich zu verbessern.

Mit dem Paket aus SCS-Open-Link, Drehgeber und dem Condition-Monitoring-Tool »Onsite« von Hengstler sind Maschinenbauer in der Lage, Anlagen zu konstruieren, deren Geschwindigkeits-, Beschleunigungs-, Vibrations- und Temperaturdaten sich auch aus der Ferne abrufen lassen. Durch den Einsatz des Systems können ungeplante Ausfall­zeiten reduziert werden, zudem ist eine Steigerung der Effizienz routenbasierter Schwingungsanalysen möglich.

Roboter sicher bremsen

Industrieroboter sind so unterschiedlich wie die Aufgaben, die sie bewältigen. Für die verschiedenen Baugrößen, Bauarten und Lasten lässt sich zwar die passende Sicherheitsbremse finden, allerdings gibt es keine Lösung von der Stange, die für alle Anwendungen geeignet ist. Der Bremsenhersteller Kendrion beispielsweise ist seit vielen Jahren im Robotik-­Markt aktiv und hat Sicherheitsbremsen unterschiedlicher Funktionsprinzipien im Produktprogramm. Dadurch gibt es für nahezu alle Robotermodelle die passende, perfekt auf Bauraum, Haltekraft, Lebensdauer oder Temperaturbereich abgestimmte Bremsen­lösung, für große Industrieroboter ebenso wie für kleine Knickarm-, Delta- oder kollabora­tive Roboter. Die Bremsenspezialisten unterstützen bei der Auswahl, bei technischen Fragen mit Beratung oder bei speziellen ­Aufgabenstellungen mit applikationsspezi­fischen Entwicklungen.

Die unterschiedlichen Wirkprinzipien der Federdruck- und Permanentmagnetbremsen, die Kendrion anbietet, schaffen dafür eine gute Ausgangssituation. Für beide Bremsentechnologien gilt, dass sie im stromlosen Zustand geschlossen sind. Es handelt sich damit um Sicherheitsbremsen; bei Stromausfall oder bei Versagen der Energieversorgung, z. B. durch Leitungsbruch, wird das System sicher gehalten bzw. zum Stillstand gebracht. Darüber hinaus gibt es jedoch grundsätzliche Unterschiede, denn bedingt durch ihre Funktionsweise haben beide Wirkprinzipien jeweils charakteris­tische Eigenschaften, die sie für unterschiedliche Einsatzbereiche im weiten Feld der Robotik prädestinieren.

Ein Beispiel für Federdruckbremsen, die sich gut für die Robotik eignen, liefert auch die neue Slim-Line-Baureihe. Sie ist für ­Robotiklösungen bis etwa 20 kg Traglast ausgelegt (Bild 2), kann jedoch auch in anderen Applikationen verwendet werden, die geringe ­geometrische Abmessungen erfordern. Die »schlanken« Einscheibenbremsen sind bezogen auf ihre Leistungsdichte flacher und leichter als der Marktstandard und durch ihre großen Innendurchmesser gut für Hohlwellenantriebe geeignet. Dadurch sind sie prädes­tiniert für die Anwendung in Leichtbaurobotern, bei denen die Antriebe im Inneren verbaut werden. Grundlage für diese Lösung liefert eine patentierte Fertigungstechnologie:

Bei konventionellen Federdruckbremsen gilt es beim Luftspalt, d. h. beim Abstand zwischen Reibscheibe und Ankerplatte, immer die fertigungsbedingten Toleranzen zu berücksichtigen. Beim Auslegen der Bremse auf den Worst-Case-Fall wird der maximale Neuluftspalt berücksichtigt. Sowohl die Lebensdauer als auch das Drehmoment stehen im direkten Zusammenhang mit dem sogenannten maximalen Betriebsluftspalt, der sich aus dem maximalen Neuluftspalt und dem Verschleiß ergibt. Es gilt also, den maximalen Neuluftspalt so gering wie möglich zu halten. Mit konventionellen Fertigungstechnologien lassen sich Neuluftspalttoleranzen erreichen, die zwischen ein und zwei Zehntel Millimeter liegen. Mit der bewährten Lösung von Kendrion sind Neuluftspalttoleranzen im Bereich von vier Hundertstel Standard. Das eingesparte Potential wird beispielsweise zur Erhöhung des Halte-Drehmoments oder auch zur Verlängerung der Lebensdauer genutzt und somit die Leistungsdichte der Bremse erhöht.

Hydraulische Antriebstechnik

Dynamische Maschinen zeichnen sich dadurch aus, dass schnell beschleunigt und ebenso abrupt abgebremst wird. Beim Abbremsen entstehen zurückgespeiste Energiespitzen, die üblicherweise »entsorgt« werden müssen. Die zurückgespeiste Energie wird ­also in einem Bremswiderstand in Wärme ­umgewandelt. Dies ist in doppelter Hinsicht unbeliebt: zum einen geht wertvolle Energie für die Anwendung verloren, zum anderen muss die Hitze des Bremswiderstandes oftmals mit Klimageräten abtransportiert werden.

Eine Lösung bietet hier das Automatisierungssystem »System One« von LTI-Motion (Bild 3). Das Ethercat-basierte Automati­sierungssystem besteht aus der Steuerung ­»Motion One CM«, der zentralen Einspeiseeinheit und den anreihbaren Mehrachsreglern »Servo One CM« (CM = »Compact Multiaxis«). Der gemeinsame DC-Bus dient als Energiespeicher und -versorger für alle Achsen. Durch eine geschickte Programmierung der zeitlich versetzten Lastspiele kann der Kunde einige der Achsen beschleunigen, während die anderen abbremsen. Im Idealfall lässt sich das ­Timing der Maschine so optimieren, dass der Bremswiderstand komplett entfallen könnte. Es wird lediglich noch ein kleiner Bremswiderstand für einen Notstopp benötigt.

Einen weiteren Clou bietet das »System One« mit der Möglichkeit, nicht nur Servo­achsen, sondern auch Asynchronmotoren betreiben zu können. So kann man auf externe Frequenzumrichter verzichten, was weitere energetische Vorteile hat. In vielen Maschinen werden neben Servoachsen vereinzelt Asynchronmotoren für Gebläse oder Abluft eingesetzt. Mit diesen kontinuierlichen Verbrauchern hat man dankbare Abnehmer an Bord, die gerne die Bremsenergie der Servoachsen »verspeisen«. Das bedeutet: Einsparung von Bremswiderstand und Energie, was dem Wirkungsgrad zugutekommt.

Netzparameter komfortabel überwachen

Mess- und Überwachungsrelais überwachen und steuern elektrische beziehungsweise physikalische Größen. Sie melden Fehlerzustände und schützen Maschinen und Anlagen am Drehstromnetz vor dem Betrieb mit falscher Phasenfolge, fehlenden Phasen und fehlendem Nullleiter. Für diese Aufgabe hat Carlo Gavazzi das multifunktionale Drei-Phasen-Überwachungsrelais DPD entwickelt. Das ­Relais wurde für den Einsatz in Stern- und Dreieckschaltungen zur Überwachung von Stromversorgung und Netzqualität aller drei Phasenladungen mit einer Spannung von 102V AC bis 552V AC konzipiert und eignet sich für Anwendungen wie Aufzüge, Fahrtreppen und Fördertechnik, Pumpen und Kompressoren sowie Energieerzeugungssysteme. Zusätzlich können Sollwerte für Spannung, Frequenz und Asymmetrie eingestellt werden.

Basismerkmale des DPD

Das DPD besitzt zwei getrennte elektromechanische SPDT-Ausgänge, so dass zwei unterschiedliche Ausgangssignale für Zwecke wie Störmeldungen oder Schaltschwellen genutzt werden können. Weiterhin lässt das Gerät zwei Alarmtypen zu, Prioritäts- und Nicht-Prioritätsalarme. Der Prioritätsalarm wird bei Phasenverlust, Nullleiterverlust in Sternschaltungen, falsche Phasensequenz und Außer-Bereich-Messung ausgelöst und deaktiviert beide Ausgänge zugleich.

Nicht-Prioritätsalarme können durch den Anwender eingestellt und, da lediglich zwei Ausgänge verfügbar sind, ohne direkte Verknüpfung mit einem Ausgang konfiguriert werden. Die Art der zu überwachenden Messung – Unterspannung, Überspannung, Unterfrequenz, Überfrequenz sowie Drei-Phasen-Asymmetrie – und der Auslösewert sind innerhalb der angegebenen Bereiche frei einstellbar und jederzeit zu verändern. Insgesamt können bis zu zehn Nicht-Prioritäts­alarme eingerichtet und über Und-/Oder-Operatoren kombiniert werden, wobei sich die beiden Ausgänge mit jedem Alarm-Set verknüpfen lassen. Drei LED-Anzeigen an der Gerätefront signalisieren den Status der Ausgänge und Alarmmeldungen.

NFC-Technologie statt Schraubendreher

Zudem lassen sich individuelle Anpassungen der Default-Alarmwerte je nach Bedarf vornehmen. Diesen Arbeitsschritt macht Carlo Gavazzi dem Anwender so einfach wie möglich. Durch die Verwendung der Datenübertragungstechnologie NFC (Near Field Communication = Nahfeldkommunikation) erspart er ihm die Konfiguration eines oder mehrerer Relais mit dem Schraubendreher (Bild 4). Denn das DPD ist mit einer NFC-Schnittstelle ausgestattet, über die es mit Endgeräten kommuniziert, die aus den heutigen Arbeitsumgebungen nicht mehr wegzudenken sind: Das Relais wird über NFC-fähige Smartphones oder Tablets mit dem Betriebssystem Android 4.1 oder höher konfiguriert oder mittels eines NFC-Lesegerät am USB-Anschluss über Windows-PCs oder -Laptops. Da die NFC-Technologie auf Apple-Geräten nur für Bezahlvorgänge freigegeben ist, können iOS- und macOS-Geräte nicht für die Konfiguration des DPD benutzt werden. Bei der Verwendung eines Android-Gerätes erfolgen Konfiguration und Diagnose über eine App, die im Google Play Store angeboten wird. Die Konfigurationssoftware für PCs und Laptops kann von der Hersteller-Webseite heruntergeladen werden (www.gavazzi.de).

Konfiguration am Schreibtisch

Die NFC-Kommunikation ermöglicht, dass der Anwender die Konfiguration am Arbeitsplatz vorbereiten kann. Wie er dabei vorgeht, kann er flexibel gestalten: Er kann die Konfigurationsdatei auf einem PC oder Smartphone erstellen, von einem anderen DPD über NFC herunterladen oder aus einer bestehenden Datei exportieren und gegebenenfalls anpassen. Ist eine Konfigurationsdatei erst einmal auf einem Endgerät vorbereitet, kann er sie nicht nur auf ein Relais, sondern nacheinander auf zahlreiche Geräte hochladen – eine erhebliche Zeitersparnis gegenüber der manuellen Konfiguration. Darüber hinaus bieten sich ihm durch das Vorliegen digitaler Konfigurationsdaten weitere Vorteile. So lässt sich die Datei in einer Cloud speichern, per E-Mail versenden oder über beliebige Collaborations- und File-Sharing-Tools an andere Empfänger, beispielsweise an Mitarbeiter an anderen Standorten, verteilen. Der Empfänger lädt die Datei dann lediglich herunter, öffnet sie in der App und kann mit ihr in der oben beschriebenen Weise weiter verfahren.

Getriebemotoren für hohe Drehmomente

WEG hat Stirnrad-, Flach- und Kegelstirn­radgetriebe für Nennmomente bis 18.000 Nm vorgestellt (Bild 5). Diese komplettieren in jeweils drei Baugrößen das vor zwei Jahren eingeführte WG20-Getriebemotorenprogramm. Die Getriebe bieten eine effiziente Kraftübertragung und lassen sich mit WEG-Anbaumotoren bis 75 kW und bis Energieeffizienzklasse IE4 zu Getriebemotoren mit hoher Leistungsdichte kombinieren. Aufgrund ihrer Robustheit und hochwertigen Verarbeitung eignen sich die leistungs­starken Getriebemotoren für anspruchsvolle Anwendungen in der Schwerindustrie, zum Beispiel in Stahlwerken, im Energiesektor oder im Bergbau. Durch ihre hohe Betriebssicherheit und Wartungsarmut tragen sie entscheidend zur Steigerung der Maschinen- und ­Anlagenverfügbarkeit bei.

Weltweit einsetzbar

Die WG20-Getriebe verfügen über markt­­üb­liche Anschlussmaße, so dass weltweit eine einfache Austauschbarkeit ohne anwenderseitige Maschinenmodifikationen gegeben ist. Generell lassen sie sich mit WEG-Anbaumotoren mit Leistungen von 0,12 kW bis 75 kW kombinieren. Die Getriebemotoren sind bis Energieeffizienzklasse IE4 verfügbar und direkt am Netz betreibbar.

Der mit internationalen Zertifizierungen versehene modulare Getriebeanbaumotor von WEG erleichtert zusätzlich die globale Austauschbarkeit, da er dank motorinterner Spannungsumschaltung nahezu alle Weltspannungen abdeckt und beispielsweise mit Frequenzumrichter auch bei 100 Hz bzw. 120 Hz betrieben werden kann. Für den ­Maschinen- oder Anlagenbauer bedeutet das, dass er mit einem Gerät eine sehr große Bandbreite an Anwendungen abdecken kann. Dies erhöht die Flexibilität und trägt zur Optimierung der Lagerhaltung bei.

Die robusten Blockgehäuse aus Grauguss sind besonders verwindungssteif. Sie sind sehr präzise gefertigt, da die Bearbeitung im Produktionsprozess in einer einzigen Aufspannung erfolgt. Ihre glatte Oberfläche ermöglicht eine einfache Reinigung, weshalb sich die Getriebemotoren auch für Anwendungen mit hohem Reinigungsbedarf eignen.

Modular aufgebaute Signaltechnik

Signalgeräte warnen, leiten und schützen. Die Art der optischen und akustischen Signalisierung hängt dabei von der jeweiligen Anwendung und der Umgebungssituation ab. Bisher war die Auswahl der passenden Signaltechnikgeräte aufgrund vieler Varianten häufig komplex. Mit »Evosignal« von Werma ist der Weg zum passenden Signalgerät einfach. Ein übersichtliches modulares System deckt viele Anwendungsbereiche ab. Dabei wird der Interessent in wenigen Schritten zum ideal passenden Produkt für seine Anwendung geleitet – ­so gehören Fehlkäufe und zeitraubende Umtauschprozesse der Vergangenheit an.

Über drei verfügbare Größenklassen – Mini/Midi/Maxi – (Bild 6) in Kombination mit ­optischen/akustischen Signalisierungsmöglichkeiten und Montageadaptern, decken die ­neuen Produkte laut Hersteller zukünftig sämtliche Einsatzbereiche ab. Die Reduzierung auf 20 % der bisherigen Varianten bedeutet nicht nur weniger Aufwand mit weniger Artikelnummern, sondern es wurde trotz der Varianten­reduzierung, durch die Kombinationsmöglichkeit, eine umfangreiche Abdeckung für die verschiedensten Anwendungen bei voller Kompatibilität zu den Vorgängerprodukten erreicht.

»In nur drei Schritten wird mit Hilfe unseres Quickfinders oder über unseren Online-Konfigurator ganz einfach das ideale Signa­lisierungsprodukt zusammengestellt. Größe auswählen – Art der Signalisierung festlegen – Montageart wählen – fertig! Das macht ­die Auswahl einfach«, sagt Michael Groll, ­Leiter Strategisches Marketing bei Werma-­Signaltechnik. Winfried Huber, Leiter Vertrieb Deutschland, ergänzt: »Außerdem profitieren unsere Kunden auch bzgl. intuitiver Montage, Akustik und Leuchtbilder mit Twin-Funktionen – die auch zur Eskalation genutzt werden können. Bei Robustheit und Zulassungen müssen unsere Kunden selbstverständlich keine Kompromisse eingehen.«

Fazit

Die große Anzahl der Aussteller (über 1600) in sämtlichen Hallen des Nürnberger Messegeländes und die damit verbundene Menge an Informationen, Neuheiten oder Gesprächsmöglichkeiten mit Herstellern und Experten, macht die jährlich stattfindende SPS IPC Drives zu einem »Muss« für Branchenfachleute. Die nächste Messe, die dann unter dem neuen Titel »SPS – Smart Production Solutions« stattfindet, beginnt am 26.11. und dauert drei Tage bis zum 28.11.2019.