Frequenzumrichter

Waffeln smart positionieren

Mit der „Integrated Motion Control“-Funktionalität bietet Danfoss eine Alternative zur Servosteuerung, die direkt integriert im Umrichter der Baureihe VLT AutomationDrive sehr einfach Lage-, Positionier- sowie Synchronisieraufgaben mit und ohne Geber übernimmt. Bei der Bühler Gruppe  im niederösterreichischen Leobendorf wissen die Techniker diese Vorteile zu schätzen – insbesondere die daraus resultierende Motorenunabhängigkeit.

Der Maschinenbauer von Produktionsanlagen für Waffeln, Kekse und Süßwaren, setzt bereits seit vielen Jahren VLT-Frequenzumrichter von Danfoss ein. Durch die zunehmende Notwendigkeit, zu synchronisieren und zu positionieren, stellte das Unternehmen in jüngster Vergangenheit die Maschinenantriebe schrittweise auf Servotechnik um. Als Danfoss 2017 die „Integrated Motion Control“-Funktionalität (IMC) launchte, stellte man sich bei – damals noch – Haas die Frage, ob die neue Regelungstechnik wohl auch für ihre Maschinen eine praktische Alternative zu den Servosteuerungen wäre. Vor allem von der damit verbundenen freien Motorauswahl, der Technologieunabhängigkeit sowie der einfachen Systemoptimierung durch die automatische Motoranpassung versprach man sich Vorteile.

Integrated Motion Control bietet drei Arten der Positionierung

Grundsätzlich ist die IMC-Funktionalität universell einsetzbar, da sie absolut, relativ und mit Sensor positionieren kann. Bei der absoluten Positionierung beziehen sich die Positionswerte auf einen definierten Maschinennullpunkt. Dieser wird beim Start der Maschine durch die sogenannte Referenzfahrt (Homing) ermittelt. Setzt man ein optionales Rückführsystemen mit absoluter Position ein, ist das nicht nötig, weil der Nullpunkt durch den Geber festgelegt wird. Eine typische Anwendung dafür ist der „Downstream“ des Tütenbackofens mit einer absoluten Positionierung von Linearachsen. Diese haben die Aufgabe, Papiertüten vor die kontinuierlich bewegten Zuckertüten zu legen, um sie im nächsten Schritt ineinander schieben zu können. Die eingesetzten Motoren sind PM-Motoren, die in Open-Loop betrieben werden.

Der Vorteil von IMC: Der Drehgeber kann entfallen und somit lassen sich die Kosten für den Geber sowie für die Verkabelung, die Auswertung und die Arbeitszeit für Montage und Inbetriebnahme einsparen. Auch die Verwendung des VLT AutomationDrive mit IMC selbst bringt Einsparung, weil die Anschaffungs- und Installationskosten für ein entsprechendes Servosystem wesentlich höher sind im Vergleich zur Frequenzumrichtertechnik.

Relativ (genau) positionieren

Eine weitere Anwendung betrifft die relative Positionierung. Im Unterschied zur absoluten Positionierung bezieht sich die Positionsangabe nicht auf einen Nullpunkt der Maschine, sondern auf die jeweilige aktuelle Ist-Position des Antriebs.

Beispiel für eine solche Anwendung bei Bühler sind Dosierpumpen für Teig. Dabei entspricht der zurückgelegte Weg des Motors einer bestimmten Menge an Teig, die gepumpt wird. Nach der erfolgten Positionierung (durch den definierten Fahrweg) mit der exakt richtigen Teigmenge wird der Antrieb noch minimal in der entgegengesetzten Drehrichtung bewegt, um einen kleinen Unterdruck zu erzeugen. Dadurch wird der Teig in der Leitung etwas zurückgezogen und es tropft nicht nach. Beide Bewegungen sind relative Positionierungen. Die Vorteile für den Anwender sind die gleichen wie in der vorherigen Variante.

Touchprobe auf Anschlag

Eine weitere Anwendungsvariante ist die Sensor- bzw. Touchprobe-Positionierung. Dabei startet der Antrieb und fährt so lange, bis ein externer Sensor ein Signal an den Frequenzumrichter sendet. Ab der Position dieses Sensors wird die gewünschte Zielposition errechnet. Die Sensorpositionierung kommt überall dort zum Einsatz, wo man keine exakte Zielposition ohne externe Vorgaben errechnen kann. Oftmals wird der Sensor auch zur Korrektur der Zielposition eingesetzt, um z.B. den durch den Schlupf eines Asynchronmotors entstehende Fehler auszugleichen.

Zur Anwendung kommt dieses Verfahren bei der sogenannten Polsterhippenpresse. Hier fährt ein in Open-Loop betriebener Asynchronmotor mit Getriebe mehrere Umdrehungen, um einen kompletten Zyklus der Mechanik zu absolvieren. Dann stoppt er an einer bestimmten Position. Nur in dieser Position kann erneut Material aufgenommen und ein neuer Zyklus gestartet werden. Der Vorteil bei der Touchprobe-Positionierung ist eine noch exaktere Positionierung als rein über Start/Stopp am VLT-AutomationDrive-Frequenzumrichter. Zudem ist die Zielposition sehr einfach zu verstellen, weil nur ein Parameter geändert werden muss. Dadurch lässt sich auch die Maschine extrem leicht an unterschiedliche Produkte anpassen.

Touchprobe in Speed Mode

Als Variante der Touchprobe gibt es als Art der Positionierung noch den Speed Mode. Hier wird der Antrieb in normaler Geschwindigkeitssteuerung gestartet und kontinuierlich betrieben. Über ein Feldbussignal wird die Überwachung des Touchprobe-Einganges aktiviert. Ab diesem Zeitpunkt wartet der Frequenzumrichter auf das Sensorsignal und führt die Positionierung durch. Die Umschaltung von Speed Mode auf Positionierung erfolgt stoßfrei, während der Motor läuft. Dies ist eine Funktion, die man nur mit einem Frequenzumrichter derart einfach lösen kann.

Synchronisierung wird ganz einfach

Synchronisieren bedeutet, einen winkelsynchronen Gleichlauf von zwei oder mehr Achsen herbeizuführen. Das Übersetzungsverhältnis der beiden Achsen zueinander kann stufenlos verstellt werden. Das Sollwertsignal für die Position und Geschwindigkeit wird entweder von einem externen Geber abgegriffen, von einer SPS als Pulssignal erzeugt oder aber über ein „virtuelles Mastersignal“ vorgegeben. Dieses virtuelle Mastersignal ist ein Pulssignal aus dem Drehrichtung, Geschwindigkeit und Position abgeleitet werden können. Die Vorgabe an den Führungsantrieb erfolgt entweder klassisch über ein Analogsignal oder über einen Sollwert am Feldbus. Der Führungsantrieb wandelt anschließend das Signal in ein virtuelles Mastersignal um, das den Folgeantrieben sowie auch ihm selbst als Sollwert dient.

Die Leobendorfer Waffelmaschinen-Spezialisten nutzen die Synchronisierung mit einem Mastersignal beispielsweise in den Folgeantrieben des Tütenbackofens. In den nachfolgenden Prozessen fahren bis zu acht Achsen jeweils winkelsynchron zueinander. Als Mastersignal wird ein Pulssignal aus der SPS verwendet, vor dem Start der Antriebe werden alle auf eine Referenzposition gefahren (Homing). Die verwendeten PM-Motoren in Open Loop mit Getriebe erreichen trotz unterschiedlicher Getriebe und unterschiedlicher Motoren durch exakte Einstellung des Übersetzungsverhältnisses einen winkelsynchronen Gleichlauf. So werden das komplette Gebersystem für die acht Achsen sowie die Servoregler eingespart. Zudem lässt sich der Ofen sehr viel schneller in Betrieb nehmen, auch das Engineering hat sich vereinfacht.

Starten aus definierter Position

Die Referenzfahrt des Antriebs ist notwendig, um bei der Verwendung von inkrementalen Drehgebern oder bei Open-Loop-Betrieb einen Maschinennullpunkt zu definieren und den Antrieb auf diese festgelegte Ausgangsposition zu bringen. Es gibt verschiedene Arten den Referenzpunkt festzulegen. Der VLT AutomationDrive FC302 IMC unterstützt folgende Möglichkeiten:

  • Die aktuelle Position kann als Nullpunkt definiert werden.
  • Ein externer Sensor definiert die Nullposition; dieser Sensor wird mit eingestellter Drehzahl angefahren.
  • Ein Analogeingang definiert die Referenzposition.
  • Der Nullimpuls eines Inkrementalgebers ist die Referenzposition.
  • Eine Kombination aus externem Sensor und dem Nullimpuls definiert die Nullposition.
  • Die eingestellte Drehmomentgrenze definiert die Referenzposition (Fahren auf Anschlag, mechanisch).
  • „Home-Sync“-Funktion

Die „Home-Sync“-Funktion bietet die Möglichkeit, die Referenzposition während des Positionier- oder Synchronisiervorgangs zu definieren. Die Erfassung erfolgt mittels eines schnellen Digitaleinganges, alle laufenden Positionier- oder Synchronisierbewegungen werden direkt an die geänderte Nullposition angepasst. Ein Stoppen des Antriebs ist nicht erforderlich.

Zudem lässt sich die Referenzposition durch Einstellung des Versatzes über Parameter anpassen. Das bietet den Vorteil, dass sich als Referenzposition auch eine abweichende Position zur Nullposition wählen lässt. Zum Beispiel könnte eine Endlage der Maschine die Nullposition sein, selbst wenn die Referenzposition an einer anderen Stelle liegt.

Einfaches Troubleshooting

Neben der einfachen Parametrierung bietet IMC dank bewährter Frequenzumrichtertechnik eine hohe Zuverlässigkeit und im Fehlerfall einfaches Troubleshooting: Bei IMC kann die Wiederinbetriebnahme in der Regel durch den Bediener erfolgen, ohne den Einsatz besonders geschulten Personals. So spart IMC für OEM und Anwender Kosten sowohl durch das einfache Engineering mit weniger Komponenten als auch durch geringere Ausfallzeiten.

Was die IMC-Funktion bringt

  • Motorunabhängigkeit – ermöglicht freie Wahl des Motors und der Motortechnologie (PM, Asynchron)
  • Einfache Anpassung an jeden Motor durch automatische Motoranpassung (AMA)
  • Betrieb mit Geber (inkremental, absolut) oder auch geberlos möglich
  • Feldbusunabhängigkeit
  • eigenes IMC-Motion-Profil für Feldbusbetrieb mit anpassbarem Steuerwort
  • Unterstützt lineare und rotierende Systeme
  • Handling von Endschaltern integriert
  • Keine extra Software und keine Programmierung durch Spezialisten nötig – alle Einstellungen der Parameter erfolgt über die Bedienpanel „LCP“ oder wahlweise über die Konfigurationssoftware „MCT10“
  • Einfacher Tausch im Servicefall, Parameterkopie über „LCP“ oder „MCT102
  • Handbetrieb über Bedienpanel „LCP“ möglich

 

Autor: Michael Hitter ist Business Development Manager bei Danfoss Drives in Österreich