Intelligente Motorsteuerung für die intelligente Fertigung

Motorsteuerung ist eine meiner Lieblingsdisziplinen. Ich erinnere mich an den Sommer, in dem ich in meinem Universitätslabor an Steuerungen für instabile Systeme arbeitete. Meine Werkzeuge waren für die damalige Zeit unglaublich fortschrittlich, aber die Motorsteuerung hat sich seitdem zum Glück sehr weiterentwickelt.

Fabriken auf der ganzen Welt stehen unter dem Druck, mit weniger mehr zu erreichen. Anhaltende Unterbrechungen der Lieferkette, On- und Nearshoring sowie Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen zwingen die Hersteller, immer flexibler und widerstandsfähiger zu werden.

Um das zu erreichen, brauchen Fabriken eine intelligentere Motorsteuerung. Abbildung 1 verdeutlicht, warum dies der Fall ist: Die Motorsteuerung ist für viele Fertigungsprozesse von zentraler Bedeutung. Die zugrunde liegenden Motorsteuerungssysteme müssen dieselben Kriterien erfüllen, damit die Fabrik effizient, reaktionsschnell und robust ist.

Abbildung 1: Intelligente Fabriken umfassen eine Vielzahl von Motorsteuerungsanwendungen. (Bildquelle: Analog Devices)

In diesem Blog werde ich aufzeigen, wie diese Ziele mit hochpräziser Motorsteuerung und Maschinenüberwachung erreicht werden können. Ich werde erklären, wie diese Techniken entscheidende Elemente des Trends zur digitalen Transformation sind, der zu wirklich intelligenten Fabriken führt.

Hochpräzise Motorsteuerung

Der Weg zu einer intelligenteren Motorsteuerung beginnt mit präziseren Strom- und Positionsmessungen, die Möglichkeiten zur Minimierung von Ausschuss bei gleichzeitiger Maximierung der Reaktionsfähigkeit und des Durchsatzes schaffen. Die Präzision eines jeden Kontrollsystems hängt von seinen Sensoren ab.

Bei der Positionserfassung gibt es zwar viele Optionen, aber magnetische Sensoren sind besonders attraktiv, weil sie eine hohe Auflösung bei geringeren Kosten als optische Encoder bieten. Sie sind robuster in Anwendungen, die Staub und Vibrationen ausgesetzt sind, und ihre berührungslose Beschaffenheit minimiert die Abnutzung und den Verschleiß.

Magnetische Sensoren sind jedoch anfällig für Störungen durch externe Magnetfelder und den Einfluss der sie umgebenden Materialien. Ihre Genauigkeit kann auch durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden, so dass eine Kalibrierung erforderlich sein kann, um ihre Genauigkeit zu erhalten, was ihre Vorteile in Bezug auf Kosten und Zuverlässigkeit schmälern kann. Außerdem funktionieren viele magnetische Sensoren nur im Nahbereich gut, was ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt.

Eine Möglichkeit, diese Überlegungen auszugleichen, sind anisotrope Magnetowiderstandssensoren (AMR). Im Gegensatz zu Hall-Effekt-, Riesenmagnetowiderstands- (GMR) und Tunnelmagnetowiderstandssensoren (TMR) zeichnen sich AMR-Sensoren durch ihre Robustheit in magnetisch rauen Umgebungen aus und behalten ihre Genauigkeit bei großen Luftspalttoleranzen bei. Der Bedarf an Kalibrierung und Wartung ist erheblich geringer, da AMR-Sensoren unter diesen Bedingungen keine Degradation und keinen Winkelfehler aufweisen.

Ein gutes Beispiel ist die Familie ADA4571 der Winkelsensoren von Analog Devices. Diese Sensoren, die mit integrierten Signalaufbereitern ausgestattet sind, ermöglichen eine Positionserfassung mit höherer absoluter Genauigkeit für Motorantriebs- und Servoanwendungen. Der ADA4571 verfügt über integrierte Kalibrierungsmodule, die die Fehler über einen weiten Temperaturbereich auf <0,5° beschränken (Abbildung 2).

Abbildung 2: Gezeigt ist der typische Fehler der ADA4571-Sensoren für VDD = 5,5 (links), der durch Aktivierung der eingebauten Gain-Control-Funktion (GC) verbessert werden kann (rechts). (Bildquelle: Analog Devices)

Maschinenzustandsüberwachung

In der intelligenten Fabrik sind nicht nur Leistung, sondern auch Effizienz und Ausfallsicherheit von entscheidender Bedeutung. Durch die Überwachung von Motorvibrationen und -stößen können Maschinenzustandssensoren (z. B. Schwingungssensoren) in Fabriken ungeplante Ausfallzeiten reduzieren, die Nutzungsdauer der Anlage verlängern und gleichzeitig die Wartungskosten senken. Es gibt zwar viele Sensoroptionen, aber MEMS-Beschleunigungssensoren (MikroElektroMechanische Systeme) bieten ein attraktives Gleichgewicht an Fähigkeiten, da sie eine hohe Bandbreite und ein geringes Rauschen zu einem Bruchteil des Preises und des Stromverbrauchs von piezoelektrischen Systemen bieten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die für die Überwachung des Maschinenzustands verfügbaren Sensoren weisen Kompromisse bei Kosten, Leistung und Stromverbrauch auf. (Bildquelle: Analog Devices)

Ein gutes Beispiel für MEMS sind die Sensoren der Familie ADXL1001/ADXL1002. Zu den bemerkenswerten Merkmalen des ADXL1002 gehören ein Rauschen von nur 25 μg/√Hz im Bereich von ±50 g und eine Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Stößen von bis zu 10.000 g. Durch den linearen Frequenzgang von DC bis 11 Kilohertz (kHz) eignen sich die Bauteile für langsam rotierende Geräte, während der geringe Stromverbrauch die Entwicklung drahtloser Sensoren erleichtert. Für Anwendungen, die eine Messung entlang von drei Achsen erfordern, kann der ADXL371 eine geeignete Wahl sein.

Echtzeitvernetzung für die digitale Transformation

Die wahre Stärke der bisher diskutierten Sensorlösungen liegt in ihrer Fähigkeit, tiefe Einblicke in den Fabrikbetrieb zu gewähren. Sobald Daten wie Spannungen, Ströme, Positionen und Temperaturen von verschiedenen Motorsteuerungssystemen erfasst werden, können automatisierte Systeme diese Daten analysieren, um Fertigungsabläufe in Echtzeit zu optimieren.

Wie in Abbildung 4 dargestellt, umfasst die deterministische Datenerfassung derzeit eine Vielzahl von Feldbusprotokollen wie EtherCAT und PROFINET. In der Branche wird jedoch die zeitabhängige Vernetzung (Time-Sensitive Networking, TSN) als Standard für Netze der nächsten Generation rasch eingeführt. Dieser Trend ist grundlegend für das Entstehen einer konvergenten IT/OT-Infrastruktur, die Unternehmens- und Fabriksysteme in einem einzigen Netzwerk zusammenführt.

Abbildung 4: Das verarbeitende Gewerbe geht von eigenständigen Feldbusnetzen zu einer konvergenten IT/OT-Infrastruktur auf der Grundlage von TSN über Gigabit Ethernet (GbE) über. (Bildquelle: Analog Devices)

Diese Netze benötigen Netzzykluszeiten von weniger als einer Millisekunde, um Determinismus zu gewährleisten, und eine Bandbreite von bis zu einem Gigabit, um neue Highspeed-Datenströme wie Videoeinspeisungen von Bildverarbeitungssystemen zu bewältigen. Moderne Motorsteuerungssysteme benötigen Ethernet Physical Layers (PHYs) wie die Familie ADIN1200/1300, um diese Anforderungen zu erfüllen. Diese robusten, stromsparenden und latenzarmen PHYs unterstützen GbE in industriellen Umgebungen. Sie können bei Umgebungstemperaturen von bis zu 105 °C betrieben werden, wurden ausgiebig auf elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) getestet und bieten robuste Funktionen wie Schutz vor Stromausfall.

Fazit

In der sich entwickelnden Landschaft der intelligenten Fertigung ist die intelligente Motorsteuerung ein zentrales Element, das Fabriken zu mehr Flexibilität und Widerstandsfähigkeit verhilft. Im Mittelpunkt dieser Optimierung stehen die Präzision und Effizienz von Motorsteuerungssystemen. Mit den neuen, erweiterten Sensoroptionen bietet sich die Möglichkeit, alles von der Positionsverfolgung bis zur Überwachung des Maschinenzustands zu verbessern. Indem diese immer umfangreicheren und präziseren Daten in immer leistungsfähigere Fabriknetze eingespeist werden, wird das Versprechen der digitalen Transformation schnell zur Realität. In diesem digitalen Zeitalter verspricht die aufregende Verschmelzung von intelligenter Motorsteuerung und fortschrittlicher Vernetzung eine Zukunft der wirklich intelligenten Fertigung.