Maschinen sind das Herzstück der automatisierten Produktion. Individualisierung bei gleichzeitiger Serienfertigung stellen hohe Anforderungen an Flexibilität, Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit der Maschinen. Diese hohen Ansprüche werden 1:1 auf die verwendete Antriebstechnik übertragen. Effiziente Produktion geht einher mit effizienten Antrieben, und natürlich gilt es hier alle Einsparpotenziale bestmöglich auszuschöpfen. Die Baugrößen der verwendeten Leistungselektronik sind in den vergangenen Jahren massiv geschrumpft.
Aber je kompakter die Leistungselektronik wird, desto mehr fallen Verkabelungs- und Installationskosten ins Gewicht. Natürlich sind hier die Maschinenbauer 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 bis 5 kW sind die Kabel und Stecker überproportional teuer.
Derzeit erfolgt die Verdrahtung in Maschinen mit zentralen Antrieben sternförmig von den Wechselrichtern im Schaltschrank zu den Motoren in der Maschine. Beispielhaft sei eine Verpackungsmaschine mit sechs Achsen genannt, von denen die erste Achse 4 m vom Schaltschrank entfernt ist und jede weitere jeweils 2 m weiter angeordnet ist. Die Motoren müssen nun vom Schaltschrank aus sowohl mit Leistung als auch mit dem entsprechenden Geberkabel versorgt werden. Dabei fällt eine Kabellänge von insgesamt 108 m an. Dazu kommt noch der entsprechende Aufwand, der nicht nur Zeit bei der Installation, sondern auch bei der Wartung kostet.
Viel Verkabelung bedeutet immer auch viele mögliche Fehlerquellen. Es gibt hier eindeutig großes Einspar- und Verbesserungspotenzial. Doch wie kann eine signifikante Kostenreduktion erreicht werden? Hierzu gibt es bereits einige technische Lösungsansätze, die wir nachfolgend einer kritischen Betrachtung unterziehen.
Einkabellösung
Der erste logische Ansatz ist sicherlich, die Menge der verwendeten Kabel insgesamt zu reduzieren. Durch die mittlerweile verfügbaren Gebersysteme, die eine Übertragung von Positionssignalen und Leistung in einem Kabel ermöglichen, ist die Einkabeltechnik im Maschinenbau eine einsatzfähige Technologie. Zwei Kabel, je ein Kabel für Leistung und Gebersignal, werden auf ein Kabel reduziert. Mit Halbierung der Kabelmenge werden nicht nur Kabel- und Steckerkosten eingespart, sondern auch der entsprechende Installationsaufwand gesenkt.
Bei unserer Beispielmaschine aus der Verpackungsindustrie könnte die Kabellänge von 108 auf 54 m reduziert und die Steckeranzahl halbiert werden. Doch diese Einsparungen haben auch ihren Preis: Höhere Hardware-Kosten für den speziellen Geber können schnell die Ersparnis bei der Verkabelung neutralisieren. Deshalb ist die Einkabeltechnik 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 führt aber nur eine dezentrale Anordnung der Leistungselektronik innerhalb der Maschine. Dieses Vorgehen orientiert sich vor allem am nachhaltigen 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 Servoregler motornah in der Maschine platziert, müssen die Motorkabel (Leistung 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 rund 32 m Kabel benötigt, wenn wir von etwa 30 cm Kabellänge zwischen motornahem Servoregler und Servomotor ausgehen. Die Kabeleinsparung entspräche ungefähr 70 Prozent. 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 der Amkasmart iDT, zum Einsatz, sind weitere Einsparungen möglich.
Durch die bauliche Einheit von Servomotor und Servowechselrichter entfallen zusätzlich auch noch die zwei Motorkabel für das Gebersignal und die Leistungsübertragung. Die Kabelmenge unserer Verpackungsmaschine würde also nochmals um fast 4 m 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.
Die zuvor beschriebenen dezentralen 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 Pionier der dezentralen Antriebstechnik stattet AMK seine dezentrale Baureihe Amkasmart ihXT mit einer einfachen, kostengünstigen Lösung aus: Beim ihXT wird die elektrische Verbindung über eine kostengünstige Steckklemme ausgeführt. Die Aufgabe der hohen Schutzart (IP65) übernimmt das Gehäuse des Antriebs. Das Hybridkabel wird mit den Steckklemmen vorkonfektioniert und reduziert die Installationskosten an der Maschine. Das Ergebnis ist eine kompakte Antriebseinheit, mit einem schlanken und kostengünstigen Verkabelungskonzept, bei dem ein Kabel durch die Maschine geführt wird und statt teurer Stecker nur noch Steckklemmen zum Einsatz kommen.
Um nochmals auf unsere Beispielmaschine zurückzukommen: Mit einer Kabelgesamtlänge von 14 m können mit dem Einsatz der ihXT-Produktreihe eine maximale Ersparnis von 84 Prozent allein im Bereich der Verkabelung erreicht werden.
Vorteile der Steckklemme
Mit der Steckklemme wird der Einsatz der dezentralen Antriebstechnik weiter verbessert. Aus der Kombination von cleverer Verkabelung mit der dezentralen Antriebstechnik ergeben sich einige Vorteile:
Schaltschränke schrumpfen oder können ganz entfallen;
weniger Kabelkosten, keine Steckerkosten;
geringster Verkabelungsaufwand;
Fehlerquellen bei der Installation werden reduziert;
minimaler Wartungsaufwand;
Modulbauweise erhöht die Flexibilität für Maschinenbauer;
Time-to-market wird verkürzt;
Schutzausführung in IP65 realisiert.
Insgesamt werden mit der neuen Steckklemmverbindung nicht nur Kosten und Aufwand reduziert sondern auch die Flexibilität und Verwendbarkeit zugunsten der Effizienz positiv beeinflusst.
