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Antriebssystem für flexible Einsatzfälle

| Autor/ Redakteur: Stefan Blesch / Reinhold Schäfer

Durch die Integration von Softwarefunktionen und SPS- Funktionalitäten in die Antriebssysteme ist ein wesentlicher Schritt in Richtung intelligenter Antriebe und Industrie 4.0 getan. Nicht mehr hierarchisch angeordnete Produktionstopologien, sondern kooperative Netze mit dezentralen, intelligenten Modulen und leistungsfähigen Prozesseinheiten sind dadurch trendgerecht realisierbar.

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Mit dem Racomatic-Tool, einem PC-Windows-Programm, reduziert sich die Parametrierung von Steuerung und Geber auf wenige anwendungsspezifische Daten.
Mit dem Racomatic-Tool, einem PC-Windows-Programm, reduziert sich die Parametrierung von Steuerung und Geber auf wenige anwendungsspezifische Daten.
(Bild: Raco Schwelm)

Produktivität, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit einer Maschine oder Anlage stehen immer auf dem Prüfstand. Flexibel einsetzbare Antriebe, geringer Projektierungsaufwand, einfache Integration in das Leitsystem, sichere Inbetriebnahme und Diagnosefunktionen für die Überwachung des Betriebszustandes dezentraler Antriebe sind gefragt. Auch die Anzeige von Wartungsintervallen, sowie eine Ferndiagnose sind Themen, die zunehmend in den Vordergrund rücken.

Stellantrieb mit integrierter Steuerung

Mit der Racomatic hat das Unternehmen Raco-Elektro-Maschinen in Schwelm seine bewährten Elektrozylinder fit für die zukünftigen Anwendungen und Anforderungen gemacht. Seit über 60 Jahren werden die Elektrozylinder der Firma in rauen Umgebungsbedingungen des Anlagenbaus, im Sondermaschinenbau und in der Automotive-Branche für lineare Verstellaufgaben eingesetzt.

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Jetzt stellt das Unternehmen die neue Generation seiner Elektrozylinder mit Racomatic vor. Damit wird der Elektrozylinder zu einem betriebsfertigen, linearen Stellantrieb mit integrierter Steuerung, die autark bedient wird oder über eine vom Kunden wählbare, standardisierte Schnittstelle zur Leitwarte kommuniziert.

Die Grundbaugruppen der Racomatic sind ein Drehstrom-Asynchronmotor mit integriertem, stromvektorgeregeltem Frequenzumrichter inklusive der Lageregelelektronik, einem soliden in das System integrierten Multiturn-Absolutwertgeber und einer Haltebremse, die optional erhältlich ist.

Weiterentwickelter Positionsgeber

Bei dem Positionsgeber handelt es sich um eine Weiterentwicklung des seit 2006 im Einsatz befindlichen Wegsensors EPS06, der gemeinsam mit dem Frequenzumrichter als dezentrale Steuerung über ein Software-Tool parametriert werden kann.

Kraft, Position und Geschwindigkeit lassen sich durch den Anwender innerhalb der zulässigen gerätespezifischen Grenzwerte frei parametrieren. Somit ist nur eine geringe Leistung für die Verstellaufgabe erforderlich. Es gibt keinen unkontrollierten Nachlauf, sondern exakt reproduzierbare Bewegungsprofile mit Lageregelung. Ein automatisches, kontrolliertes Einfallen und Lösen der Haltebremse bei Aus- und Einschalten der Reglerfreigabe verhindert ein Absacken in Hubwerken und der Bremsenverschleiß wird minimiert.

Mit der Wegsensorik EPS-CAN lassen sich Wiederholgenauigkeiten von ± 0,01 mm innerhalb eines Verfahrweges von 2000 mm oder größer erreichen. Große Massen und Behälter mit Flüssigkeiten werden so, die Mechanik schonend, durch angepasste Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen bewegt. Werksseitig vorgegebene und überwachte Grenzwerte wie die maximale Verstellkraft und der maximale Verstellweg tragen unter anderem zur funktionalen Sicherheit bei der Inbetriebnahme und auch im Betrieb bei. Eine Überlastung und ein Verfahren in der Endlage sind dadurch ausgeschlossen.

Durch den Einsatz des Frequenzumrichters ist in vielen Fällen kein zusätzliches Getriebe mehr erforderlich. Die Verstellgeschwindigkeit lässt sich in einem weiten Bereich definieren und damit variabel auch noch nachträglich an die Gegebenheiten anpassen. Mit der Racomatic wird der drehmomentbildende Strom überwacht und gesteuert. Durch die variable Einstellung der Stromgrenze lässt sich wie beim Hydraulikzylinder über den Mediendruck ein linearer Zusammenhang zur Verstellkraft erreichen. Auch im Stillstand kann für eine begrenzte Zeit eine definierte Kraft aufgebracht werden, ohne den Antrieb oder die angebaute Kinematik zu beschädigen. Dies eröffnet ein breites Anwendungsfeld für einfache Füge- und Pressvorgänge zu einem günstigen Preis-Leistungs-Verhältnis.

Einfache Projektierung, Integration und Inbetriebnahme

Der Anwender kann seinen Fokus auf die Antriebsaufgabe konzentrieren. Er muss sich nicht mit Fragen zum Elektromotor, zur Bremse, zur Kinematik, zur Leistungselektronik, zum Geber und zur Konfiguration beschäftigen.

Elektrozylinder mit Racomatic werden bereits ab Werk auf die Betriebsanforderungen vorkonfiguriert und sind nach dem Anschluss sofort betriebsbereit. Alle Komponenten sind aufeinander abgestimmt.

Durch das einfach zu bedienende Racomatic-Tool – ein PC-Windows-Programm, das von Raco entwickelt wurde – reduziert sich die Parametrierung von Steuerung und Geber auf wenige anwendungsspezifische Daten wie Verstellweg, Abschaltposition, Geschwindigkeit, Verstellkraft sowie Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen. Der aktive Status wird visualisiert und es sind verschiedene Diagnoseseiten verfügbar, die bei Problemen schnell weiterhelfen. Mit dem elektronischen Handrad kann der Antrieb bei Einbau und Inbetriebnahme unabhängig von der Leitsteuerung vor Ort verfahren und eingerichtet werden. Auch bei der Feldbusankopplung unterstützt das Tool die einfache Konfiguration.

Die Integration der Racomatic am Elektrozylinder reduziert den Verkabelungsaufwand und den benötigten Platz im Schaltschrank. Komfortable Steckverbindungslösungen ermöglichen den einfachen Ein- und Ausbau.

Mit dieser vorkonfigurierten Antriebslösung sind die Zylinder sowohl für Stellaufgaben als auch für anspruchsvolle Positionier- und Regelaufgaben geeignet und als Plug-and-move-Lösung sofort einsatzbereit. Von der bekannten Ansteuerung über digitale I/Os oder über die analoge Sollwertvorgabe (4 bis 20 mA) stehen jetzt außer dem Profibus-Modul auch weitere Feldbusanschluss-Module (CAN-Open, Devicenet und Ethercat) optional zur Verfügung. Zusätzlich ist die analoge Stellungsrückmeldung jetzt als Output-Signal nutzbar. Dadurch ist die Integration in die übergeordnete Maschinensteuerung oder das Leitsystem möglich. Auch für bestehende Anlagen ist eine Nachrüstung durch einen Elektrozylinder mit Racomatic möglich.

Kontrollierte Deckelbetätigung mit Anpressvorgang

Die automatisierte Deckelbetätigung ist eine Herausforderung für elektromechanische Stellantriebe. Wird ein Deckel vertikal geschwenkt, kommt es zumeist zu einem Lastwechsel und somit zu einer Umkehr zwischen motorischer und generatorischer Betriebsart. Möglicherweise soll der Deckel im geschlossenen Zustand sogar gegen eine Dichtung gepresst werden.

Klassische ungeregelte Antriebe neigen insbesondere beim Absenkvorgang zum Aufschwingen und ein kontrolliertes Andrücken ist aufgrund des starken Motordrehmoments bei einer Blockade praktisch nicht möglich. Die Deckelanlenkung erfolgt meist über einen Hebelarm, sodass sich die Kraft über den Hebel beziehungsweise den Hub kontinuierlich verändert. Dies führt zu Schwingungen, wenn der Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit gefahren wird.

Ohne eine Geschwindigkeitsreduzierung per Rampe vor dem Erreichen der Schließposition ist die Umfangsgeschwindigkeit am dem Hebelarm gegenüberliegenden Rand sehr hoch und eine Kollision unvermeidbar. Ein gleichmäßiges Anpressen des Deckels gegen die Dichtfläche ist ohne eine Elastizität im Zylinder (zum Beispiel mit einer Feder) beim konventionellen Betrieb des Drehstrommotors nicht realisierbar.

Verstellgeschwindigkeit lastunabhängig regeln

Elektrozylinder mit Racomatic können die Verstellgeschwindigkeit lastunabhängig regeln. Zusammen mit dem sanften Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgang erfolgt eine gleichförmige, harmonische Bewegung auch bei Lastwechsel. Durch den 4Q-Betrieb mit Bremschopper und Bremswiderstand wird eine kontrollierte Absenkbewegung mit konstanter Verstellgeschwindigkeit realisiert. Rechtzeitig vor Erreichen der geschlossenen Stellung wird das Fenster für die Schleichfahrt aktiviert. Das bedeutet, dass der Antrieb über die Verzögerungsrampe abbremst und mit Schleichfahrt den Deckel andrückt, bis die eingestellte Drehmomentgrenze die Verstellkraft begrenzt. Das Abschalten der Reglerfreigabe löst die Haltebremse aus und die Anpresskraft wird ohne weiteren Energiebedarf gehalten. Kundenseitig können die Endlagenpositionen und der Schleichwege vor Endlage, sowie Geschwindigkeit, Rampen und maximale Verstellkraft beim Andrücken auf sehr einfache Weise mit dem Racomatic-Tool eingestellt werden.

Der Vorteil liegt auf der Hand: kein unkontrollierter Nachlauf, kein Bremsenverschleiß. Große Massen werden sanft und ruckfrei bewegt. Die Bremse fällt erst dann ein, wenn der Antrieb steht – kontrolliert durch die Racomatic. Der Antrieb, die Antriebsmechanik und angebaute Komponenten werden so effektiv geschont. Das bedeutet längere Verfügbarkeit, höhere Sicherheit und Energieeffizienz. Insgesamt werden dadurch die Betriebskosten gesenkt.

Präzise Gleichlaufsteuerung von bis zu 4 Elektrozylindern

Klassische Anwendungen findet man zum Beispiel an Klappbrücken, Hubtoren, Segmentschützen oder an großen Bunkerklappen und Hebevorrichtungen. Auch hier werden große Massen bewegt, die sanft beschleunigt oder abgebremst und sicher gehalten werden müssen. Während des Absenkens muss ein Aufschwingen vermieden werden. Damit das Bauwerk nicht verwindet oder verkantet, müssen die erforderlichen Antriebe praktisch synchron zueinander verfahren.

Bis zu vier Elektrozylinder mit Racomatic können im Cluster nahezu winkelsynchron verfahren werden. Durch das absolute Wegmesssystem Raco EPS CAN und die Positionier- und Lagerregelung (in jeder Racomatic enthalten) wird der Gleichlauf im Master-Slave-Verfahren realisiert (quasi als elektronische Welle). Master- und Slave-Antriebe sind über den internen CAN-Systembus miteinander verbunden. Über diesen Systembus kommunizieren auch die Geber EPS CAN mit der jeweiligen Racomatic. Ein Antrieb wird als Master festgelegt und gibt seine aktuellen Positions- und Drehzahlwerte an die Slaves weiter, welche diese Parameter als Zielparameter übernehmen. Die Slave-Antriebe müssen so ausgelegt sein, dass sie genügend Drehmoment- und Geschwindigkeitsreserven haben, um dem Master innerhalb des einstellbaren Gleichlauffensters zu folgen. So lassen sich Gleichlaufabweichungen von unter 0,5 mm erreichen.

Kann ein Slave dem Master nicht mehr folgen (außerhalb des Gleichlauffensters) werden die Antriebe gestoppt und eine Störungsmeldung angezeigt. Um dem Betreiber zu ermöglichen, die Störung zu beseitigen und den Gleichlauf wieder zu starten, liefert Raco eine Mikro-PLC mit Bedieninterface. Dies ist intuitiv zu handhaben und hat ein grafisches LCD sowie eine Bedientastatur zur Diagnose und zum komfortablen Einstellen der Parameter für die Antriebe. Die Mikro-PLC überwacht die Positionen der Antriebe und deren Gleichlauf redundant. Die Position der jeweiligen Antriebe wird im Display visualisiert und bei einer Störung wird die entsprechende Klartextmeldung angezeigt. Der Betreiber kann an der PLC auf Handbetrieb umschalten und so jeden einzelnen Antrieb verfahren, um die Synchronstellung wieder herzustellen. Die verschiedenen Bedienebenen sind per Passwort geschützt und für die jeweiligen Level (gemäß Hierarchie für die Bediener) freigegeben.

Auch für die Notabschaltung steht ein sicheres Konzept zum Abbremsen zur Verfügung. Weil das Einfallen der Haltebremse mit dem erforderlichen Bremsmoment zu einem schlagartigen Anhalten des Bauwerkes mit enormen Spitzenkräften führen würde, das auf Dauer das Bauwerk und die Antriebskomponenten beschädigt, hat Raco ein mehrstufiges Bremssystem entwickelt. Mehrere hintereinandergeschaltete Haltebremsen mit abgestuften Bremsmomenten setzen bei einer Notbremsung nacheinander verzögert ein und reduzieren so die Belastung. Der Vorgang wird überwacht und nur bei einer Störung wird die maximale Bremswirkung sofort aktiviert.

Vorbereitet für künftige Diagnosemöglichkeiten

Die Racomatic ist heute schon in der Lage, Betriebszyklen, Lastprofile, Fehlerprotokolle und so weiter aufzuzeichnen. Diese Daten stehen dann für optionale Diagnose- und Auswertetools zur Verfügung, die Hinweise auf Überlastung, Frühwarnung für mögliche Ausfälle oder empfohlene Wartungsintervalle geben. Diese Informationen können sowohl dem Leitsystem zur Verfügung gestellt werden, als auch über optionale Baugruppen per HTTP über Ethernet beziehungsweise GSM-Modem per Ferndiagnose über Internetbrowser oder Smartphone-App abgefragt werden. Akute Warnhinweise oder Störungen werden zum Beispiel direkt per SMS gemeldet.

Flexible Integrationsmöglichkeiten

Standardmäßig wird die Racomatic-Steuerung mit Frequenzumrichter anstelle des Klemmenkastens auf dem Antriebsmotor des Elektrozylinders in Schutzart IP54 (optional IP65) integriert. Kann dies aus Platzgründen nicht geschehen, ist auch eine motornahe Montage mittels Wandhalterung möglich. Alternativ steht auch eine Ausführung in IP20 für Schaltschrankmontage und maximal 50 m Zuleitungslänge zum Elektrozylinder zur Verfügung.

Dezentrale intelligente Komponenten mit Modulen zur kooperativen Netzarchitektur sind Voraussetzung für eine zukünftige Vernetzung mit Blick auf Industrie 4.0. MM

* Dipl.-Ing. Stefan Blesch ist Mitarbeiter der Raco-Elektro-Maschinen GmbH in 58332 Schwelm

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