Der Trend zur Modularisierung von Verpackungsmaschinen hat für den Maschinenbau Konsequenzen: Damit unabhängige, flexibel kombinierbare Einzelmodule entstehen können, muss sich die steigende Anzahl von Servoantrieben flexibel vernetzen und steuern lassen. Die heutige Servo-Technologie erfüllt diese Voraussetzungen jedoch nicht optimal: Jeder Motor benötigt eine Elektronik zur Regelung, die im Schaltschrank untergebracht werden muss. Zentrale oder dezentrale Schaltschränke mit tendenziell wachsendem Volumen sind für modulare Maschinen jedoch ebenso ein Hindernis wie der parallel dazu ansteigende Verkabelungsaufwand. Außerdem widerspricht diese Situation der Notwendigkeit, durchgängig zu modularisieren: Erst eine klare Zuordnung von Mechanik, Software und auch Elektronik zu der jeweiligen mechatronischen Teileinheit führt zu der auf Betreiberseite erwünschten Flexibilität. Einen Lösungsansatz bieten integrierte Servoantriebe, die Motor und Elektronik zu einer Baugruppe vereinen. Sie entlasten Schaltschränke und reduzieren die benötigten Kabellängen. Allerdings nur, wenn solche Antriebe wie die schaltschrankgebundenen Motor/Verstärker-Varianten uneingeschränkt in den Synchronverbund einer einzigen Motion Control-Steuerung integrierbar sind, realisieren sie einen echten Nutzen für den Maschinenbauer. Es bringt nichts, wenn integrierte Antriebe – wie mehrheitlich heute üblich – am Feldbus angeschlossen lediglich Verfahrprofile ausführen können. Ebenso wenig ist es wünschenswert, für jedes Maschinenmodul eine zusätzliche eigene Steuerung zu integrieren.
Servoregler auf dem Drehteller
Bei Elau sah man aus der Praxis heraus seit 2001 die Notwendigkeit, integrierte Antriebe zu entwickeln. Solche Servomodule bieten beispielsweise bei Drehtellern von Getränkemaschinen einen Lösungsansatz. Herkömmliche Servo-Antriebe verursachen auf dem Drehteller große Schaltschränke zur Aufnahme der Servoregler. 2003 wurde daher der trapezförmige IP67-Antrieb SCL-055 mit integrierter Elektronik vorgestellt. Er vereint Motor und Elektronik zu einem kompakten Aggregat, ein Schaltschrank auf dem Drehteller entfällt. Auf den Trend zum modularen Maschinenbau reagierte das Unternehmen mit einem integrierten Servoantrieb. Basis ist wieder die Idee des Servomoduls mit integrierter Elektronik, allerdings umgesetzt für ein breites Aufgabenspektrum im Verpackungsmaschinenbau. Die in IP65 ausgeführten Servomodule der iSH-Reihe sind jeweils in drei Baulängen in den Flanschmaßen 70 und 100mm verfügbar. Diese Größen machen in Verpackungsmaschinen von der Stückzahl her den größten Anteil aus und sind damit universell einsetzbar. Wie die SCL-Baureihe gliedern auch die iSH-Servomodule das klassische Konzept aus Motor, Servoverstärker und Verkabelung komplett anders als bisher üblich. Sie vereinen in einer Baueinheit den Servomotor und die vollwertige Elektronik eines klassischen MC-4-Servoverstärkers von Elau. Sie sind daher direkt über den Antriebsbus an die PacDrive-Steuerungen des Unternehmens ankoppelbar. Der im Schaltschrank belegte Platz beschränkt sich auf ein Netzteil, das bis zu 16 Servomodule mit der 600V-Zwischenkreisspannung versorgt.
Geringere Kabellängen
Verbindendes Element zwischen Steuerung, Netzteil und Servomodul ist ein Konzept aus Verteilerboxen und Hybridkabeln: Der Antriebsbus wird durch das Netzteil geschleift und von dort zusammen mit der Versorgungsleitung mit Hybridkabeln über Verteilerboxen ins Feld geführt. Eine Verteilerbox hat fünf Anschlüsse, einen belegt die Zuleitung. Bis zu vier Servomodule sind pro Verteilerbox maximal anschließbar. Findet eine weitere Unterverteilung statt, lassen sich pro Verteilerbox drei Antriebe anschließen. Vom vierten Anschluss führt dann ein Hybridkabel den Antriebsbus und die Zwischenkreisspannung zur nächsten Verteilerbox weiter. Das Konzept der Feldverteilung eignet sich sowohl für Linien und Baumstrukturen, auch ein Mix aus beiden ist möglich. Es führt gegenüber der bisherigen Einzelverkabelungen bis zum Schaltschrank zu einer Reduktion der Kabellängen um durchschnittlich 70%. Die Servomodule sind zu der Variante aus Servomotor und Servoverstärker in Schaltschrankversion zu 100% Software-kompatibel. Sie verfügen am Motor über die komplette Funktionalität zu ihrem Schaltschrank-gestützten Pendant. Daher existieren keine Einschränkungen, was die Integration der Antriebe in den Synchronverbund betrifft. Die Software-Kompatibilität erleichtert zudem den Umstieg von der schaltschrankgebundenen Version auf die iSH-Servomodule.
Safety- und E/A-Module
Die Elektronikeinheit der Motoren ist mit Optionsmodulen um zusätzliche Funktionalitäten erweiterbar: Wahlweise kann jeder Antrieb mit einer E/A-Baugruppe oder einer Safety-Baugruppe bestückt werden. Die E/A-Baugruppe nutzt den Antriebsbus, um maximal acht Sensoren oder Aktoren mit der Steuerung zu koppeln. Alle acht Anschlüsse sind wahlweise als Ein- oder Ausgänge konfigurierbar. Durch das Zusatzmodul können in der Praxis E/A-Feldbusmodule entfallen, um beispielsweise in der Nähe des Antriebs im Feld befindliche Wegsensoren, Endschalter oder Magnetventile an den Feldbus anzuschließen. Das Safety-Modul integriert in den Servo-Antrieb neben den grundsätzlich vorhandenen Basisfunktionen Safe Stop 1 und Safe Torque off die erweiterten Sicherheitsfunktionen Safe Stop 2, Safe Operating Stop, Safe Limited Acceleration/Deceleration, Save Limited Speed, Save Limited Increment und Save Direction. Die Antriebe lassen sich damit uneingeschränkt in Sicherheitskonzepte nach Kat 3 gemäß EN954-1 bzw. nach PL d gemäß EN13849 integrieren. Das reicht gemäß Maschinenrichtlinie für Verpackungsmaschinen völlig aus. Wo macht der Kompaktantrieb Sinn und wo ist die schaltschrankgebundene Variante nach wie vor die bessere Alternative? Zu dieser Frage wurden bei Elau Wirtschaftlichkeitsabschätzungen durchgeführt: Bei Maschinen oder einzelnen Maschinenmodulen mit drei Antrieben ist das herkömmliche Konzept aus SH-Motoren und MC4-Verstärkern in der Regel günstiger, besonders, wenn die Leistungslängen ohnehin kurz ausfallen. Es ist auch zu berücksichtigen, dass die SH-Servos bei gleichem Flanschmaß eine um etwa 20% höhere Leistungsdichte aufweisen als iSH-Servos. Ist ein hohes Drehmoment entscheidend, sind daher SH-Servos vorzuziehen.
