Mechatronisches Antriebssystem für flexible Einsatzfälle – RACOmatic® Elektrozylinder

von Dipl.-Ing. Stefan Blesch

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.

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

 

Mit der RACOmatic® hat die Firma RACO-ELEKTRO-MASCHINEN GmbH, Schwelm ihre bewährten Elektrozylinder fit für die zukünftigen Anwendungen und Anforderungen gemacht. Seit über 60 Jahren werden RACO Elektrozylinder® in rauen Umgebungsbedingungen des Anlagenbaus, über den Sondermaschinenbau und Automotive für lineare Verstellaufgaben eingesetzt.

 

 

Jetzt stellt RACO die neue Generation seiner Elektrozylinder mit RACOmatic® vor. Mit der RACOmatic® wird der RACO-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 RACO Drehstrom-Asynchronmotor mit integriertem, stromvektorgeregeltem Frequenzumrichter inklusive der Lageregelelektronik, einem soliden in das System integrierten Multiturn-Absolutwertgeber (Typ: RACO EPS-CAN) und einer Haltebremse, die optional erhältlich ist.

Bei dem Positionsgeber handelt es sich um eine Weiterentwicklung der seit 2006 im Einsatz bewährten RACO-Wegsensorik „EPS06“ die 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 die minimalste Leistung  für die Verstellaufgabe erforderlich. Kein unkontrollierter Nachlauf, sondern exakt reproduzierbare Bewegungsprofile mit Lageregelung sind garantiert. Automatischer, kontrollierter Einfall und Lösen der Haltbremse bei Aus- und Einschalten der Reglerfreigabe verhindert ein Absacken in Hubwerken und der Bremsenverschleiß ist minimiert.

Mit der RACO Wegsensorik EPS-CAN lassen sich Wiederholgenauigkeiten von bis zu +/-0,01 mm innerhalb eines Verfahrweges von 2000 mm oder größer erreichen. Große Massen, Behälter mit Flüssigkeiten, o.a. werden, die Mechanik schonend, durch angepasste Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen bewegt. Werkseitig vorgegebene und überwachte Grenzwerte wie die maximale Verstellkraft und maximaler Verstellweg tragen u.a. zur funktionalen Sicherheit bei der Inbetriebnahme und im Betrieb bei. Eine Überlastung und Verfahren in Endlage sind dadurch ausgeschlossen. Durch den Einsatz des Frequenzumrichters ist in vielen Fällen kein zusätzliches Getriebe mehr erforderlich und die Verstellgeschwindigkeit lässt sich in einem weiten Bereich definieren und damit variabel auch noch nachträglich an die Gegebenheiten anpassen. Mit der RACOmatic® wird der momentenbildende Strom überwacht und gesteuert. Durch die variable Einstellung der Stromgrenze lässt sich wie beim Hydraulikzylinder über den Mediumsdruck ein linearer Zusammenhang zur Verstellkraft erreichen. Auch im Stillstand kann für 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-Leistungsverhältnis.

 

Einfache Projektierung, Integration und Inbetriebnahme

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

Die RACOmatic® gehört zum bewährten RACO Baugruppensystems der Elektrozylinder, welches aus von RACO entwickelten und bewährten  Komponenten besteht.

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

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

 

Die Integration der RACOmatic® am Elektrozylinder reduziert den Verkabelungsaufwand und den benötigten Platz im Schaltschrank. Komfortable Steckverbinderlösungen ermöglichen den einfachen Ein- und Ausbau. Die Ansteuerung kann koventionell im I/O Klemmenbetrieb oder mit Feldbusstandards wie PROFIBUS, PROFINET, CANopen, DeviceNet und EtherCAT erfolgen. Dadurch ist die Integration in die übergeordnete Maschinensteuerung oder das Leitsystem problemlos möglich.

 

Die RACOmatic® spielt ihre Vorteile von der Stellaufgabe, z.B. an Verstellklappen, über die präzise Positionierung, kraftgesteuerte Anwendungen bis zu komplexen Bewegungsabläufen aus. Auch Hubbewegungen mit großen Massen und Lastwechseln zeigen die Leistungsfähigkeit der RACOmatic®.

 

Mit dieser vorkonfigurierten Antriebslösung sind die Zylinder sowohl für Stellaufgaben, als auch für anspruchsvolle Positionier- und Regelaufgaben geeignet und als Plug & Move Lösung sofort einsatzbereit. Von der bekannten Ansteuerung über digitale I/O oder über die analoge Sollwertvorgabe (4-20mA) stehen jetzt neben dem PROFIBUS-Modul auch weitere Feldbusanschluss-Module (CANopen, DeviceNet und EtherCat) optional zur Verfügung. Zusätzlich ist die analoge Stellungsrückmeldung jetzt als Output-Signal nutzbar.

Auch für bestehende Anlagen ist eine Nachrüstung durch einen Elektrozylinder mit RACOmatic® problemlos möglich. Gerne beraten wir Sie auch bei neuen Anwendungen für unsere Elektrozylinder und Antriebssysteme.

 

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 gegen eine Dichtung angepresst werden.

Klassische ungeregelte Antriebe neigen insbesondere beim Absenkvorgang zum Aufschwingen und ein kontrolliertes Andrücken ist aufgrund des starken Motormoments bei Blockade praktisch nicht möglich.

 

Die Deckelanlenkung erfolgt meist über einen Hebelarm, sodass sich die Kraft über den Hebel bzw. 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 seht hoch und eine Kollision unvermeidbar. Ein gleichmäßiges Anpressen des Deckels gegen die Dichtfläche ist ohne eine Elastizität im Zylinder (z.B. Feder) beim konventionellen Betrieb des Drehstrommotors nicht realisierbar.

 

Die Lösung ist die RACOmatic®:

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 längerer Verfügbarkeit, höhere Sicherheit und  Engergieeffizienz. Insgesamt werden dadurch die Betriebskosten gesenkt.

 

Präzise Gleichlaufsteuerung von bis zu 4 Elektrozylindern

Klassische Anwendungen findet man z.B. 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. Die Antriebe sind daher absolut synchron zueinander zu 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® 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 dem Gleichlauffenster) werden die Antriebe gestoppt und eine Störungsmeldung angezeigt. Um es 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 bedienen und verfügt über ein grafisches LCD Display sowie eine Bedientastatur zur Diagnose bzw. zum komfortablen Einstellen der Parameter der Antriebe. Die Mikro-PLC überwacht die Positionen der Antriebe und deren Gleichlauf redundant. Die Position der jeweiligen Antriebe wird im Display visualisiert und bei bei einer Störung die entsprechende Klartextmeldung angezeigt. Der Betreiber kann an der PLC in Handbetrieb umschalten und jeden einzelnen Antrieb verfahren und so die Synchronstellung wieder herstellen. Die verschiedenen Bedienebenen sind Passwort geschützt und für die Level (gemäß Hierarchie für die Bediener) freigegeben.

 

Auch für die Notabschaltung steht ein sicheres Konzept zur Abbremsung zur Verfügung. Da das Einfallen der Haltbremse 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 Bremsensystem entwickelt. Mehrere hintereinandergeschaltete Haltebremsen mit abgestuften Bremsmomenten fallen 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 usw. 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 zu Verfügung gestellt werden, aber auch über optionale Baugruppen per HTTP Protokoll über Ethernet bzw. GSM- Modem per Ferndiagnose über Internetbrowser oder Smartphone App abgefragt werden. Akute Warnhinweise oder Störungen werden z.B. 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 max. 50 m Zuleitungslänge zum Elektrozylinder zur Verfügung.

 

Die zunehmende Integration von intelligenten Steuerungslösungen in die Antriebstechnik trägt heute stärker denn je dazu bei, Maschinen und Anlagen wettbewerbsfähig zu machen. Dezentrale intelligente Komponenten mit Modulen zur kooperative Netzwerkarchitektur sind Voraussetzung für zukünftige Vernetzung mit Blick auf Industrie 4.0.

 

Autor: Dipl.-Ing. Stefan Blesch
Artikel online veröffentlicht am 14.07.2015 auf MM Maschinenmarkt.