Speziell bei Maschinen mit großer Ausdehnung und zahlreichen Optionen ist es wichtig, mechatronische Einheiten in Hard- und Software zu bilden. Viele Achsen und Sicherheitstechnik erhöhen zudem den Anspruch an die Automatisierungslösung. Für genau diese Anwendungen wurde ein motorintegrierter Servoverstärker entwickelt, der ohne Derating auskommt und ein Maschinenmodul allein beherrschen kann.

Die Region Parma ist über die Grenzen Italiens hinaus für ihre Delikatessen bekannt. Auch OCME, Hersteller von Verpackungs- und Abfüllanlagen, hat hier seit fast 60 Jahren seinen Hauptsitz. Auf seinen Anlagen werden beispielsweise San-Benedetto-Getränkeflaschen abgefüllt. Bei der Entwicklung der neuen Verpackungslinie DryBlock wurde sowohl auf einen geringen Platzbedarf als auch einen optimierten Energieverbrauch geachtet. „Wir suchten nach einer Möglichkeit, alles in einer kompakten Einheit zu kombinieren - sowohl den Motor als auch den Servoverstärker", erklärte Antonio Mosca, Leiter der Elektroabteilung bei OCME, Davide Beviglieri, dem Key Account bei B&R.
Mit dem DryBlock-System sollte es möglich sein, eine komplette Verpackungslinie in der Lebensmittelindustrie zu entwickeln, zu konstruieren und zu verwalten. Dazu kamen technologische Neuheiten, wie eine flexible Produktaufnahme, die Handhabung von Einzelflaschen und die Vermeidung von Produktberührungen untereinander. Die einzelnen Maschinenmodule - Etikettierer, Foliermaschine und Palettierer - sollten für die Maschinensteuerung, die Linienkommunikation sowie die Synchronisierung den OMAC-Standard PackML verwenden und über ein zentrales Multitouch-Panel bedient werden. Für dieses Konzept waren eine konsequente Modularisierung sowie dezentrale Steuerungs- und Antriebstechnik notwendig.

Was sich bewährt hat, soll bleiben

Ziel war es, das bewährte Konzept des bereits verfügbaren dezentralen Antriebssystems Acoposremote so weit wie möglich zu nutzen. Durch konzeptionelle Arbeit, Simulationen und Modellversuche war schnell klar, welche Baugruppen prinzipiell verwendet werden können.
Der Temperaturhaushalt in Kombination mit der avisierten kompakten Baugröße stellte eine Herausforderung dar. Zum einen würde die Elektronik auf einem Gehäuse sitzen, das sich im normalen Betrieb auf bis zu 110 °C aufheizt. Das wiederum bedeutet, dass kein konventionelles Bauelement diesen Temperaturen lange standhalten würde, da eine Temperaturerhöhung um 10 °C die Ausfallrate verdoppelt.
Zum anderen würde auch der Motor zusätzlich belastet: Es würde effektiv weniger Fläche zur Verfügung stehen, um die entstehende Wärmeenergie abzugeben. Um dieses Problem zu lösen, wurden verschiedene Konzepte beleuchtet: Wasserkühlung, Peltier-Elemente und Zusatzlüfter erwiesen sich als ungeeignet und preistreibend. Daher suchten die Entwickler von B&R nach der optimalen Lösung und begannen mit umfassenden Versuchen.

Unter extremen Bedingungen getestet

Daraufhin wurde ein Motor so umgearbeitet, dass er die charakteristischen thermischen Eigenschaften des Endprodukts aufwies. Dann folgte der Test unter extremer Belastung. Dabei wurde die Temperaturverteilung in den Wicklungen, den Lagern und vor allem im Geber analysiert. Das Ergebnis: Verfügbare Motoren waren ohne Modifikationen nicht geeignet.
In der Elektronik wurden die Betriebs- und Grenztemperaturen jedes einzelnen der weit über tausend benötigten Bauelemente ermittelt. Schnell wurde deutlich, welche Möglichkeiten es gab. Während Komponenten der Leistungselektronik mit den höheren Temperaturen gut zurechtkommen, würde es bei hochintegrierten digitalen Komponenten kritisch. Das gilt auch für viele passive Bauelemente, wozu vor allem die Zwischenkreiskondensatoren zählen. Um die Anforderungen an eine kompakte Bauform zu erfüllen, mussten diese zudem sehr klein bauen. Eine kleine Bauform und damit Kapazität birgt die Gefahr von Resonanzen in der Zwischenkreisversorgung.
„Das Ziel ist und bleibt die weitgehende Kompatibilität zu unseren übrigen Komponenten. Damit können sich unsere Kunden in jeder Applikation frei entscheiden, ob sie mit dem dezentralen Antriebssystem Acoposremote oder dem motorintegrierten Antriebssystem Acoposmotor arbeiten möchten. Sie sollen ihre Lösung jederzeit flexibel skalieren können", so Alois Holzleitner, Chef der Business Unit Motion bei B&R.

Kompatibilität erfolgreich umgesetzt

Durch die Anordnung der Bauelemente, verschiedene Temperaturzonen und die Einbeziehung von Herstellern kritischer Komponenten ist es gelungen, ohne Derating die volle Kompatibilität zum Acopos- und Motor-Portfolio von B&R zu gewährleisten. Ein einziges Hybridkabel bringt die Leistung aus dem Zwischenkreis des Acoposmulti gemeinsam mit Powerlink direkt vor Ort.
Über IP67-Stecker können Module der X67-I/O-Familie - auch Safety-Komponenten - beliebig zugefügt werden. Optional stehen alle aus der IEC 61800-5-2 bekannten SafeMotion-Funktionen zur Verfügung. Damit kann die dezentrale Achse, unabhängig vom STO-Signal des Hybridkabels, sicher stehen oder unter anderem im Einrichtbetrieb mit sicherer Geschwindigkeit fahren. „Dieser Antrieb hat uns entscheidend vorangebracht. Damit können wir auch unser Ziel, bei mehr Produktivität zugleich bis zu 36 Prozent Energie einzusparen, sicher erreichen", so Antonio Mosca abschließend.