Erschienen am: 14.04.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN Hannover Messe 2017

Clevere Verbindung

Der Trend zum individualisierten Maschinenbau stellt hohe Ansprüche an die Antriebstechnik und deren Verkabelung. Je kompakter die Leistungselektronik wird, desto mehr fällt der Anteil der Verkabelungs- und Installationskosten ins Gewicht. Die Frage lautet daher: Wie kommt man mit möglichst wenig Material und Aufwand zu flexiblen und schnell installierten Maschinen?


Individualisierung bei gleichzeitiger Serienfertigung stellt hohe Anforderungen an Flexibilität, Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit der Maschinen. Diese Ansprüche werden 1:1 auf die verwendete Antriebstechnik übertragen. Effiziente Produktion geht einher mit effizienten Antrieben und entsprechend gilt es hier Einsparpotentiale bestmöglich auszuschöpfen.

Trend zur Miniaturisierung

Die Baugrößen der verwendeten Leistungselektronik sind in den letzten Jahren massiv geschrumpft. Aber je kompakter die Leistungselektronik wird, desto mehr fallen Verkabelungs- und Installationskosten ins Gewicht. Die Maschinenbauer sind also auf der Suche nach neuen Lösungsansätzen, um diesen nicht unerheblichen Kostenblock innerhalb der Maschinenkosten zu verkleinern. Doch die Verkabelung von Antrieben in Maschinen ist material- und aufwandsintensiv. Besonders bei Wechselrichtern kleinerer Leistung (<5kW) sind die Kabel und Stecker überproportional teuer. Betrachtet man derzeit übliche Maschinen mit zentralen Antrieben, erfolgt die Verdrahtung sternförmig von den Wechselrichtern im Schaltschrank zu den Motoren in der Maschine. Betrachten man beispielsweise eine Verpackungsmaschine mit sechs Achsen, von denen die erste Achse 4m vom Schaltschrank entfernt ist und jede weitere jeweils 2m weiter angeordnet ist: Dann müssen die Motoren vom Schaltschrank aus sowohl mit Leistung als auch mit dem entsprechenden Geberkabel versorgt werden. Dabei fällt eine Kabellänge von insgesamt 108m an. Hinzu kommt ein entsprechend hoher Aufwand - nicht nur bei der Installation, sondern auch bei der Wartung. Zudem gilt die Faustregel: je umfangreicher die Verkabelung, desto mehr mögliche Fehlerquellen gibt es. Es gibt hier also durchaus Einspar- und Verbesserungspotenzial. Doch wie erreicht man eine signifikante Kostenreduktion? Hierzu gibt es einige technische Lösungsansätze.

Einkabellösung

Der erste logische Ansatz ist sicherlich, die Menge der verbauten Kabel insgesamt zu reduzieren. Durch Gebersysteme, die eine Übertragung von Positionssignalen und Leistung in einem Kabel ermöglichen, sind Einkabellösungen im Maschinenbau eine marktreife und bereits vielfach eingesetzte Lösung. Mit der Halbierung der Kabelmenge werden nicht nur Leitungs- und Steckerkosten eingespart, sondern auch der entsprechende Installationsaufwand. In der Beispielmaschine aus der Verpackungsindustrie könnte die Kabellänge von 108 auf 54m reduziert und auch die Steckeranzahl halbiert werden. Doch diese Einsparung hat ihren Preis: Höhere Hardwarekosten für den speziellen Geber können die Ersparnis bei der Verkabelung neutralisieren. Deshalb ist die Einkabeltechnologie sicherlich eine probate Herangehensweise für Maschinen bei denen ein einzelner Antrieb räumlich weit entfernt vom Zentrum der Maschine liegt. Andere Maschinen erfordern andere Vorgehensweisen.

Dezentrale Antriebstechnik

Zu signifikanten Einsparungen bei der Verkabelung kann eine dezentrale Anordnung der Leistungselektronik innerhalb der Maschine führen. Dieses Vorgehen orientiert sich vor allem am Trend zum modularen Maschinenbau. Für unabhängige, flexibel kombinierbare Einzelmodule muss sich in erster Linie die zunehmende Zahl von Servoantrieben flexibel vernetzen und steuern lassen. Dadurch verändert sich die Verkabelungsarchitektur. Werden die Servoregler motornah in der Maschine platziert, müssen die Motorkabel (Leistungskabel und Geberkabel) nicht mehr zentral vom Schaltschrank zu jedem Antrieb gezogen werden. Es werden einfach nur Leistungs- und Echtzeit-Ethernet-Kabel von einem zum anderen Servoregler durchgeschleift. Die Motorkabel fallen dadurch jeweils sehr kurz aus. Bei einer Maschine mit mehreren Achsen kommen hier schnell einige Meter zusammen die eingespart werden können. Um beim Beispiel der sechsachsigen Verpackungsmaschine zu bleiben, würden nur noch ca. 32m Kabel benötigt, wenn man von ca. 30cm Kabellänge zwischen motornahem Servoregler und Servomotor ausgeht. Die Kabeleinsparung entspräche ungefähr 70%. Und mit jedem Kabel, das entfällt, entfallen auch die entsprechenden Installationskosten.

Umrichterintegrierte Motoren

Je nach Anforderung der Maschine können unterschiedliche Antriebe in dezentraler Anordnung verwendet werden. Neben der oben beschriebenen Variante mit motornah platzierten Servoreglern, gibt es auch die Möglichkeit, umrichterintegrierte Motoren zu verwenden. Kommen Servomotoren mit integriertem Umrichter, wie beispielsweise das Modell AMKASmart iDT von AMK zum Einsatz, sind weitere Einsparungen möglich. Durch die bauliche Einheit von Servomotor und Servowechselrichter entfallen zusätzlich die zwei Motorkabel für das Gebersignal und die Leistungsübertragung. Die Kabelmenge der Verpackungsmaschine würde also nochmals um fast 4m reduziert. Der Einspareffekt macht sich vor allem an den entfallenden Steckern bemerkbar. Allerdings sind die Anforderungen an die dezentral verbauten Antriebe nicht unerheblich: Im Produktionsalltag ist eine Robustheit der Geräte in Sachen Schock- und Vibrationsfestigkeit mindestens genauso wichtig wie deren Schutzausführung in IP65.

Kostengünstig und kompakt

Die dezentralen AMK-Antriebe sind mit getrennter Kabelführung von Zwischenkreis und Echtzeit-Ethernet-Kommunikation ausgestattet. Der naheliegende, nächste Schritt wäre nun das Zusammenführen dieser beiden Leitungen in einem Kabel. Somit würde nur noch ein Kabel von einem dezentralen Servoregler zum nächsten weitergeschleift. Die hohen Anforderungen an die Schutzart führen allerdings dazu, dass die verwendeten Stecker für diese Hybridkabel oft relativ groß und verhältnismäßig teuer sind. Die üblich verwendeten Hybridstecker erfüllen zwei Funktionen: die elektrische Verbindung und die hohe Schutzart für den dezentralen Einsatz. Als Anbieter von dezentralen Antriebslösungen stattet AMK seine neue dezentrale Baureihe AMKASmart ihXT mit einer einfachen und kostengünstigen Lösung aus: Die elektrische Verbindung wird über eine kostengünstige Steckklemme ausgeführt. Die Aufgabe der hohen Schutzart (IP65) übernimmt das Gehäuse des Antriebes. Das Hybridkabel wird mit den Steckklemmen vorkonfektioniert und reduziert die Installationskosten an der Maschine. Das Ergebnis ist eine außergewöhnlich kompakte Antriebseinheit, mit einem schlanken und kostengünstigen Verkabelungskonzept. Um wieder auf die Beispielmaschine zurückzukommen: Mit einer Kabelgesamtlänge von nur 14m kann mit der neuen ihXT-Produktreihe eine weitere Ersparnis von 84 Prozent allein im Bereich der Verkabelung erreicht werden.

Clever verkabelt

Mit der neuen Steckklemme lohnt sich der Einsatz dezentraler Antriebstechnik in vielen Fällen. Aus der Kombination von cleverer Art der Verkabelung mit dem Prinzip der dezentralen Antriebstechnik ergeben sich eine Reihe von Vorteilen:

• Schaltschränke schrumpfen oder entfallen

• weniger Verkabelungsaufwand und -kosten

• Fehlerquellen bei der Installation der Maschine werden reduziert

• reduzierter Wartungsaufwand

• Modulbauweise erhöht die Flexibilität für Maschinenbauer

• T2M wird verkürzt

• Schutzausführung in IP65

Insgesamt reduzieren sich mit der neuen Steckklemmverbindung nicht nur Kosten und Aufwand. Gleichzeitig werden auch die Flexibilität und Verwendbarkeit zugunsten der Effizienz positiv beeinflusst.