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"Der im FPGA realisierte Stromregler ist im Markt ein Novum." Christian MischeRedaktion IEE/Renate Schildheuer

Worauf fokussierten denn die Besucher auf den Messen?

Das Hauptaugenmerk lag auf kompakter Bauform und einfacher Installation sowie auf den integrierten Safety-Funktionen. Ein weiteres Highlight waren die extrem kurzen Reglerzyklen in Verbindung mit der FPGA-basierten Regelung. Anders als die Baureihe AX5000 ist die neue Generation AX8000 von Grund auf als modulares System konzipiert: Man wählt das geeignete Einspeisemodul, das zum Spannungssystem des Bestimmungsorts und zur Leistung passt, ergänzt es mit den Achsmodulen und eventuell benötigten Optionen und verbindet die Komponenten mit der integrierten AX-Bridge. Dabei baut die Lösung wesentlich kleiner als das AX5000-System.

Wie viel kleiner denn?

In jeder Dimension haben wir die Abmessung um 30 % verkleinert. In Summe sind das 66 % weniger Volumen für ein Achs­modul.

Wie bringen Sie bei der hohen Packungsdichte die Verlustleistung aus dem Gerät heraus, um ein frühes Derating zu vermeiden?

Bei der kompakten Bauform können wir trotz Hochleistungskühlkörper nicht mehr mit natürlicher Konvektion arbeiten. Um die Verlustleistung überhaupt abführen zu können, sind Lüfter erforderlich, die den Wärmestrom garantieren. Allerdings regeln wir die Lüfterdrehzahl abhängig von der Kühlkörpertemperatur.

Wird das akzeptiert? Bei den Industrie-PCs will man wegen der MTBF und Wartung doch möglichst ohne Lüfter auskommen.

Ziel für uns waren die kompakte Bauform in Kombination mit einer möglichst hohen Leistungsdichte. Und da gibt es nur zwei Möglichkeiten: einen Lüfter zu akzeptieren oder die Wärme über eine Cold Plate mit Wasserkühlung aus dem Schaltschrank zu bringen. Auch das ist eine Variante, die auf unserer Roadmap steht.

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"Die Module sind mit der werkzeuglosen AX-Bridge wesentlich schneller zum Antriebssystem kombiniert." Christian MischeRedaktion IEE/Renate Schildheuer

Spielt die Baugröße denn eine so große Rolle?

Die Baugröße und vor allem die Bautiefe zu reduzieren, war uns wichtig, unter anderem auch, um uns den asiatischen Markt für die Antriebstechnik weiter zu erschließen. Die neue Baureihe passt also in 300 mm tiefe Schaltschränke und ­damit unter und in die Maschinen. Wir sehen einen Trend weg vom externen Schaltschrank, hin zur Integration in die Maschine. Damit steht zwangsläufig auch weniger Platz zur Verfügung. Wir benötigen sogar nur 192 mm Tiefe und passen damit in die marktüblichen 210-mm-Schränke.

Zudem muss dann natürlich alles einfach handhabbar sein. Schließlich verschwinden die Servoverstärker zusammen mit dem Schrank in oder unter der Maschine. Auch dazu haben wir uns intensiv Gedanken gemacht und die Anschlusstechnik komplett überarbeitet.

Und das Ergebnis ist die AX-Bridge.

Hinsichtlich Montage- und Anschlusstechnik hatten wir bei der Entwicklung stets die Einbausituation im Hinterkopf: kleine Schaltschränke, eingebettet im Maschinensockel. Die neue AX-Bridge ist bei der AX8000-Serie daher jetzt werkzeuglos zu verbinden und im Gerät integriert. Die Basis bildet ein Schiebemechanismus, mit dem wir sowohl den Zwischenkreis, PE als auch Ethercat und die 24 V zwischen den Modulen zuverlässig und schnell verbinden: einfach durch Verschieben und Einrasten der Federzugklemmtechnik. Im Vergleich zur Bridge des AX5000 mit insgesamt 18 Schraubkontakten geht die Installation nun wesentlich schneller.

Standardmäßig nutzen wir weiterhin die bewährte One-Cable-Technologie OCT, die nochmals überarbeitet wurde: Beim AX8000 kommt ein optimierter Steckverbinder zum Einsatz, der automatisch einrastet und sicher verbindet und der auch wieder entriegelt werden kann. Gleichzeitig fixiert der Stecker das Schirmblech. Das Schrauben entfällt!

Wie ist das System nun aufgebaut?

Wir sind unserer Philosophie treu geblieben – keine externen Komponenten, keine versteckten Kosten. Daher ist im Einspeisemodul der Netzfilter bereits integriert, ebenso wie ein interner Bremswiderstand und ein Brems-Chopper.

Insgesamt gibt es vier Einspeisemodule, jeweils zwei mit 20 und 40 A. Zwei Einspeisemodule sind für Netze von 100 bis 230 V geeignet. Mit diesen Spannungsebenen adressieren wir speziell den asiatischen und amerikanischen Markt. Abgestimmt auf diese Spannungen bieten wir auch Servomotoren der Baureihe AM8000 mit optimierten Wicklungen an. Für die europäischen und nordamerikanischen Netze mit 400 und 480 V gibt es ebenfalls zwei Einspeisemodule mit 20 und 40 A. Diese Versionen haben bei gleichem Formfaktor dann die doppelte Leistung.

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"Zielsetzung war, die AX8000-Reihe möglichst kompakt zu halten." Christian MischeRedaktion IEE/Renate Schildheuer

Und welche Achsmodule stehen zur Verfügung?

Die Achsmodule gibt es einachsig für Motoren bis 8 A in 60 mm Breite. Die Anpassung an den angeschlossenen Motor erfolgt über unsere spezielle Motorstrommessung. Sie ist die Voraussetzung, um mit einem einzigen Modul den Bereich von 1 A bis 8 A Motornennstrom abzudecken.

Das gleiche Prinzip kommt auch bei dem 90 mm breiten 18-A-Modul zum Einsatz. Besonders platzsparend ist das 60 mm breite Doppelachsmodul mit zweimal 6 A Nennstrom. Der Summenstrom kann dabei variabel genutzt werden, sodass an einem Kanal zum Beispiel ein 3-A-Motor betrieben werden kann und am anderen Kanal ein 8-A-Motor. Dies führt zu einer erhöhten Flexibilität innerhalb der Maschine.

Dann haben wir noch ein optionales Kondensatormodul entwickelt. Vor allem bei einer einphasigen Einspeisung beeinflusst der Spannungsrippel im Zwischenkreis die Regelgüte. Auch könnte die Spannung im Zwischenkreis bei starken Beschleunigungen einbrechen. Abhilfe schafft das Kondensatormodul. Gleichzeitig puffert es die anfallende Bremsenergie und stellt diese für spätere Beschleunigungsvorgänge wieder effizient zur Verfügung, statt die Energie im Bremswiderstand zu vernichten.

bold;">Warum ist die schnelle Strommessung so wichtig?

Die neue Prozessorgeneration beschleunigt die Strommessung und alle nachgelagerten Regelkreise. Wir messen den Strom innerhalb einer Mikrosekunde in einem FPGA und können auf Änderungen umgehend reagieren. Beim Stromregler erreichen wir 16 µs Zykluszeit.

Das gibt uns die Möglichkeit, den Geräteschutz im Verstärker zu integrieren. Ein Beispiel: Wenn bei einer Positionierfahrt der Motor gegen ein Hindernis auf Block fährt, würde normalerweise der Strom unzulässig ansteigen. Der Verstärker merkt diese Anomalie sofort und begrenzt den Strom innerhalb einer Mikrosekunde auf den Nennwert. Das heißt, weder Motor noch Regler können überlastet werden. Die eigentliche Abschaltung erfolgt dann über die Schleppfehler­überwachung.

Beim Positionsregler erreichen wir mit dem Dual-Core-Prozessor 31,25 µs. So schaffen wir pro­blemlos die 62,5 µs des Ethercat-Zyklus, was der Präzision bei Positionierungen und Bahnfahrten zu Gute kommt.

Darüber hinaus stellen wir unseren Kunden optional eine Twincat-Runtime je Achsmodul zur Verfügung. Teile der Firmware sind in sogenannten TCOM-Objekten geschrieben, also modular aufgebaut. Das sind zum Beispiel die Geschwindigkeits- oder Positionsregelung, Filter oder Observer.

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"Der Startschuss für die Baureihe AX8000 fällt im Herbst." Christian MischeRedaktion IEE/Renate Schildheuer

Und worin besteht der Vorteil dieser Twincat-Runtime?

Wenn ein Anwender der Meinung ist, er hat eine dieser Funktionen besser gelöst als Beckhoff, kann er unser Software-Modul durch sein eigenes ersetzen. Er könnte also in der Runtime jedes einzelne TCOM-Objekt optimieren, um die Regelungsgüte seiner spezifischen Applikation zu verbessern.

Hinsichtlich Produkt- und Versionspflege wäre es für jeden Hersteller aufwendig, solche kundenspezifischen Features in der Standard-Software zu implementieren und über Jahre vorzuhalten. Mit dem TCOM-Konzept schaffen wir hier Differenzierungsmöglichkeiten für unsere Kunden. Die Runtime arbeitet allerdings ausschließlich achsbezogen und kommuniziert nicht mit anderen Achsen.

Ist der Trend zu kompakten Schaltschränken im Maschinenbau so ausgeprägt, dass Schaltschränke künftig komplett verschwinden?

Das würde ich nicht sagen. Wir sehen einen Trend, dass in einigen Applikationen Platz in der Maschine geschaffen wird, um die langen Motorleitungen zu eliminieren. Leitungen kosten viel Geld, ohne in irgendeiner Form Nutzen zu bringen. Dementsprechend haben sich einige Kunden überlegt, den Platz unter der Maschine zu nutzen und einen Teil der Automatisierung in die Maschine zu verlagern. Das reduziert auch die Leitungslänge. Aber es gibt ja noch weitere Automatisierungskomponenten, die ebenfalls Platz in einem Schrank benötigen.

Beckhoff bietet bereits ein breites Spektrum an IP67-Komponenten. Ist es denkbar, die Servoantriebe anders zu verpacken und noch näher am Motor zu platzieren?

Solche Überlegungen gibt es sicherlich. Im Moment sehen wir hierfür aber keine Notwendigkeit im Bereich der Servotechnik. Zumal das den Ansatz, Leitungen einzusparen, konterkarieren würde. Seit wir OCT in den Markt eingeführt haben, verkaufen wir fast ausschließlich Motoren mit dieser Anschlusstechnik. Der Grund: Die Leitungs- und Anschlusskosten reduzieren sich. Bei dezentralen Antrieben in IP65 wären wieder Leitungen für Energieversorgung, DC-Zwischenkreis, 24 V und Kommunikation notwendig. Ob sich das unter dem Strich für den Maschinenbauer rechnet?

Servoantriebe sind die Rennwagen in der Automation. Spielt hier Energieeffizienz überhaupt eine Rolle?

Energieeffizienz ist definitiv ein Thema. Dabei spielt die optimale Achsauslegung eine ebenso wichtige Rolle wie die Verlustleistung der einzelnen Komponenten. Energie spart das Kondensatormodul, indem es Bremsenergie puffert und im nächsten Maschinentakt den Achsen wieder zur Verfügung stellt. Weiterhin haben wir Funktionen realisiert wie die reduzierte Bremsspannung. Ähnlich wie bei Magnetventilen kann man nach dem Öffnen der Bremse die Haltespannung verringern. Das spart ebenfalls Energie, weil die Haltebremse ja während der Motorbewegung elektrisch offen ­gehalten werden muss.

Bei den Servomotoren setzen wir auf die Einzelzahnwicklung. Sie ermöglicht es, mehr Kupfer im ­gleichen Bauraum unterzubringen. Mehr Kupfer heißt mehr Drehmoment bei gleichem Motorvolumen. Zudem sorgt die schnelle Regelungstechnologie im Servoverstärker in Verbindung mit unserer schnellen XFC-Technologie grundsätzlich für kürzere Taktzeiten.

Wie ist hier der Zusammenhang?

Lässt sich ein Sensor durch XFC schneller abtasten, steht er eventuell schon einen Regelungszyklus früher im PC zur Ver­fügung und kann eher ausgewertet werden. Dementsprechend ermittelt Twincat die Stellgrößen früher, die ­Maschine reagiert früher und der Maschinentakt steigt. In Summe betrachtet ­erreicht man so einen spürbar höheren Produktionsausstoß ­ bei gleichem Energieeinsatz, allein aufgrund der schnelleren Steuerungstechnik. Bei Verpackungs­maschinen ist der Effekt besonders deutlich spürbar.

Warum sollte ein Maschinenbauer künftig noch die AX5000 einsetzen?

Ziel ist nicht, den AX5000 zu ersetzen oder unsere Kunden zu einem Wechsel zu bewegen. Dazu gibt es keinen Grund. Mit dem AX8000 wollen wir den Anforderungen des Marktes gerechter werden, welche darin bestehen, immer mehr und kleinere Servoachsen in Maschinen zu integrieren, um damit die Flexibilität, Genauigkeit und Geschwindigkeit der Anlagen zu erhöhen. Beide Produktreihen haben ihre Daseinsberechtigung.

Woran machen Sie das fest?

Punkt 1: Das AX5000-Spektrum reicht mittlerweile von 1,5 A bis 170 A. Der AX8000 endet aktuell bei 18 A Motor-Nennstrom. Von daher gibt es nur eine geringe Überschneidung.

Punkt 2: Der AX5000 unterstützt zahlreiche Fremdmotoren und Gebersysteme. Beim AX8000 liegt der Fokus auf einer möglichst einfachen Inbetriebnahme und Installation. Daher ist das Gerät im Moment nur für die One-Cable-Technologie (OCT) vorbereitet. In Verbindung mit unserer Motorenreihe AM8000 und dessen elektronischen Typenschildern, lassen sich dessen Leistungsreserven optimal nutzen.

Stefan Kuppinger

ist Chefredakteur der IEE.

(sk)

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