Antriebstechnik für die Smart Factory
Produktion in Bewegung
Hightech für Bewegungen
Die Hersteller von Bewegungssteuerungen entwicken ihre Systeme aktuell gezielt weiter, um die vier oben genannten Marktanforderungen besser zu unterstützen. Dabei lässt sich die Arbeit der Konstrukteure in erneut vier Handlungsfelder gliedern (siehe Grafik unten):
Superior Motion Control steht für den Ansatz, die Zeit für einen Fertigungsschritt zu verkürzen, um schnelleren Durchsatz zu ermöglichen. Beispiele hierfür sind die Positions- und Drehmomentsteuerung für die Bearbeitung, etwa die Reduzierung der Anzahl der Arbeitsschritte und der Zeit für die Bearbeitung eines komplexen Bauteils. Zu den wichtigsten Entwicklungsanforderungen gehören eine verbesserte Performance des Regelkreises, robuste Lösungen für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen und ein hohes Maß an Integration, um zuverlässige Lösungen mit kleinem Formfaktor zu ermöglichen. Diese Lösungen wiederum werden durch niedrige Latenzzeiten, geringe Drift, mehrphasige Strom- und Positionserfassung und Signalketten mit hoher Transientenrobustheit und hochintegrierten Komponenten möglich.
Robuste, sichere und zuverlässige Lösungen sollen den Lebenzyklus von Anlagen verlängern. Durch die verlängerte Nutzungsdauer werden weniger Rohstoffe und Energie für den Bau von Austauschanlagen verbraucht. Power-Management-Lösungen zur Leistungsregelung und zum Leistungsschutz sind Schlüsselkomponenten. Zu den Anforderungen an das Power Management gehören High-Side-Stromversorgungen für bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Lösungen mit hoher Leistungsdichte für FPGAs und Prozessoren, digitale Point-of-Load (PoL)-Lösungen für die Telemetrie des Power Managements.
Echtzeit-Konnektivität – Bei leistungsfähigen, mehrachsigen, synchronisierten Bewegungsanwendungen sind die Anforderungen an das Timing der Steuerung präzise, deterministisch und zeitkritisch. Die End-to-End-Latenzzeit muss sehr niedrig sein, besonders bei kürzeren Zykluszeiten und komplexeren Steuerungsalgorithmen. Anwendungen erfordern mitunter Netzwerk-Konnektivität mit Zykluszeiten im Bereich unter einer Millisekunde. Interoperabilität der an die Netze angeschlossenen Geräte und Steuerungen ist erforderlich, um einen nahtlosen Datenfluss in der Fertigungsanlage und Datentransparenz für die übergeordneten Managementsysteme sicherzustellen. Gleichzeitig werden diese Netze durch die Verkürzung der Inbetriebnahmezeit flexibler und skalierbar.
Fortschrittliche Sensortechnik ermöglicht Einblicke in die Bewegung, die zur Optimierung des Fertigungsflusses und zur frühzeitigen Erkennung von Fehlern genutzt werden können. Zu den erfassten Größen gehören Position, Strom, Spannung, Magnetfeld, Temperatur, Vibrationen und Stöße. Zu den Anforderungen auf diesem Handlungsfeld gehören Robustheit und Baugrößen, Positions-, berührungslose Hochstrom- sowie Strom- und Vibrationserfassung mit hoher Bandbreite. Der Thin[gk]athon, veranstaltet vom Smart Systems Hub, vereint kollaborative Intelligenz und Industrie-Expertise, um in einem dreitägigen Hackathon innovative Lösungsansätze für komplexe Fragestellungen zu generieren. ‣ weiterlesen
Innovationstreiber Thin[gk]athon: Kollaborative Intelligenz trifft auf Industrie-Expertise
Die Schlüsseltechnologien
Verschiedene Technologien helfen, Bewegungssteuerungslösungen auf ein neues Leistungsniveau zu heben. Dabei ermöglicht erst ihre passende Kombination eine robuste, präzise Bewegungssteuerung für den industriellen und vernetzten Einsatz.
1. Präzisionsmessung
Komplexe Bewegungssteuerungen erfordern Präzisionswandlertechnologien zur Stromrückführung. Zu den wichtigsten Anforderungen gehören die Synchronisierung der Messung mit dem PWM-Zyklus, die isolierte Messung oder die Messung mit hohem Gleichtaktanteil, eine geringe Offset-Drift zur Minimierung der Drehmomentwelligkeit sowie eine simultane Abtastung mit geringer Latenzzeit und einer Auflösung von 14 bis 18Bit zur Messung der Phasenströme.
2. Isolierung und Schnittstelle
Antriebe und Motoren erfordern oft digitale Isolationstechnologie, um isolierte Daten und isolierte Kommunikationsschnittstellen wie RS-485, USB und LVDS bereitzustellen. Zudem werden isolierte Gate-Treiber zum Ansteuern von High-Side- und Low-Side-Leistungshalbleitern benötigt, um robuste, sicherheitskonforme und zuverlässige Anlagen bereitzustellen.
3. Industrial Ethernet
Für deterministische Echtzeitkommunikation in Motion-Control-Anwendungen ist eine Ethernet-Konnektivität mit Zykluszeiten im Sub-ms-Bereich erforderlich. Robuste Physical-Layer-Geräte mit Geschwindigkeiten von 100MBit/s und 1GBit/s in Kombination mit industriellen Ethernet-Protokollen der Schicht 2 wie EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP und IEEE Time Sensitive Networking (TSN) sorgen für deterministische Systemeigenschaften.
4. Magnetische Abtastung
Magnetische Abtastung auf der Grundlage anisotroper Magnetowiderstände (AMR) ermöglicht eine robuste und genaue Positionserkennung für Encoder-Anwendungen. Die magnetische Abtastung ist im Vergleich zu optischen Drehgebern kostengünstiger und robuster.
5. Power Management
Motion-Control-Anwendungen müssen oft auf einen erweiterten Temperaturbereich ausgelegt und gegen leitungsgebundene Störungen und Hochspannungstransienten immun sein. Eine höhere Leistungsdichte im Power-Management hilft, Lösungen mit kleinem Formfaktor aufzusetzen.
6. Machine Health
Die Daten der Vibrations- und Stoßsensoren werden häufig genutzt, um den Zustand einer Anlage in Echtzeit zu überwachen. Solche Machine-Health-Funktionalität wird im Rahmen neuer Pay-per-Use-Geschäftsmodelle häufiger angefragt. Sensordaten über Vibrationen, Stöße und Temperaturen werden oft von einem Edge-Device in Daten zum Anlagenzustand umgewandelt und dann an die Steuerungssoftware übermittelt.
Partner für agile Produzenten
Produktionsunternehmen modernisieren derzeit vielerorts ihre Anlagen, um dem Ziel einer agilen Produktion näherzukommen. Dabei werden Systeme installiert, die in Echtzeit Daten tauschen, die greifbare Hebel zu Produktivitätssteigerung mitbringen, die Engpässe vermeiden helfen und ein genaues Zustandmonitoring ermöglichen. Trotzdem sollen diese Lösungen weniger Energie verbrauchen als ihre Vorgänger und komplexere Bewegungen unterstützen, um flexibler zu funktionieren. Der Systemanbieter Analog Devices steht als Ansprechpartner für all jene zur Verfügung, die mit ihren Maschinen, Anlagen, Linien und Robotern solche Ziele verfolgen.
