Mehr Effizienz und Nachhaltigkeit in der Industrie mit Motor- and Steuerungslösungen

Abbildung 1: Wasserpumpen in einem Großkraftwerk. (Bildquelle: Shutterstock)

Angesichts der ökologischen Herausforderungen und des Bedarfs an nachhaltiger Elektronik suchen Industrien auf der ganzen Welt nach Lösungen, um ihre Abläufe zu optimieren und ihren ökologischen Fußabdruck zu minimieren. Unabhängig von der Branche besteht die Notwendigkeit, Prozesse zu steuern, um den Energieverbrauch zu senken, Abfälle zu minimieren und die Produktion zu maximieren.

Motorsteuerungs- und andere Steuerungsprodukte arbeiten zusammen, um die Bewegung, die Geschwindigkeit und die Position von mechanischen Elementen in elektronischen Anwendungen zu steuern. Diese Produkte wurden entwickelt, um eine präzise, effiziente und zuverlässige Steuerung verschiedener Bewegungsaspekte zu ermöglichen, damit Maschinen und Geräte ihre Funktionen mit optimaler Leistung und minimalen Fehlern ausführen können.

DigiKey, ein weltweit tätiger Distributor elektronischer Komponenten, bietet eine große Auswahl an Antriebs- und Steuerungsprodukten von verschiedenen Anbietern, mit denen die Nachhaltigkeit und Effizienz automatisierter Systeme verbessert werden können.

Kernkomponenten von Bewegungs- und Kontrollsystemen

Das Herzstück von Antriebs- und Steuerungslösungen sind Elektromotoren, die als primäres Mittel zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie dienen. Es gibt verschiedene Arten von Anwendungen, die jeweils einzigartige Merkmale und Vorteile aufweisen. Wechselstrommotoren sind beispielsweise für ihre Langlebigkeit, ihren Wirkungsgrad und ihre Fähigkeit, mit hohen Drehzahlen zu arbeiten, bekannt. Dadurch eignen sie sich für den Einsatz in Industriemaschinen, HLK-Systemen und anderen Anwendungen, bei denen eine zuverlässige, langfristige Leistung erforderlich ist. Gleichstrommotoren hingegen bieten eine hervorragende Drehmoment- und Geschwindigkeitsregelung, wodurch sie sich gut für Anwendungen eignen, die präzise Bewegungen erfordern, wie z. B. Roboter- und Automobilsysteme. Schrittmotoren ermöglichen eine hochpräzise Positionierung und werden in 3D-Druckern, CNC-Maschinen und anderen Geräten eingesetzt, die präzise, inkrementelle Bewegungen erfordern. Servomotoren mit ihren schnellen Reaktionszeiten und hohen Drehmomenten werden in Anwendungen eingesetzt, die schnelle und präzise Bewegungen erfordern, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt.

Um den Betrieb von Motoren effektiv zu steuern und zu regeln, stützen sich Antriebs- und Steuerungslösungen auf eine Vielzahl von Antrieben und Steuerungen. Frequenzvariable Motorsteuerungen (VFD) werden zur Steuerung von Drehzahl und Drehmoment von Wechselstrommotoren eingesetzt und ermöglichen einen reibungslosen, effizienten Betrieb und Energieeinsparungen. Servomotortreiber, die speziell für Servomotoren entwickelt wurden, bieten einen geschlossenen Regelkreis und ermöglichen eine hochpräzise Positionierung und Bewegung. Motorsteuerungen, die in der Lage sind, mehrere Bewegungsachsen gleichzeitig zu steuern, werden in komplexen Anwendungen eingesetzt, wo sie die Bewegung verschiedener Komponenten koordinieren und synchronisieren, um einen reibungslosen und genauen Betrieb zu gewährleisten.

Aktuatoren spielen auch in Bewegungs- und Kontrollsystemen eine entscheidende Rolle, da sie für die Umwandlung von Energie in Bewegung und die Bereitstellung von Kraft zur Bewegung mechanischer Komponenten zuständig sind. Hydraulische Aktuatoren sind für ihre hohe Kraftleistung und ihre Fähigkeit, schwere Lasten zu bewältigen, bekannt und werden in Baumaschinen, Industriemaschinen usw. eingesetzt, wo rohe Kraft erforderlich ist. Pneumatische Aktuatoren, die sich auf Druckluft stützen, um Bewegungen zu erzeugen und schnelle Reaktionszeiten zu ermöglichen, werden in Anwendungen eingesetzt, die schnelle, sich wiederholende Bewegungen erfordern, wie z. B. in Verpackungs- und Montagelinien. Elektrische Stellantriebe, einschließlich Linear- und Drehantriebe, ermöglichen eine präzise Steuerung in Anwendungen wie Medizintechnik, Automobilbau und Luft- und Raumfahrt.

Abbildung 2: Roboter-Bildsensor-Kamerasystem in einer intelligenten Fabrik. (Bildquelle: Shutterstock)

Sensoren, Rückkopplungskomponenten und Steuersysteme

Um sicherzustellen, dass Motorsteuerungs- und andere Steuerungssysteme mit einem Höchstmaß an Genauigkeit und Zuverlässigkeit arbeiten, werden Sensoren und Rückkopplungsmechanismen zur Überwachung und Messung verschiedener Aspekte der Bewegung eingesetzt. Positionssensoren, wie z. B. Linear- und Drehpotentiometer, liefern Echtzeitdaten über die genaue Position mechanischer Elemente und ermöglichen so eine präzise Positionierung und Verfolgung. Drehgeber, wie z. B. Inkremental- und Absolutwertgeber, werden zur Bestimmung der Winkelposition und der Geschwindigkeit von rotierenden Wellen verwendet und ermöglichen eine genaue Geschwindigkeits- und Positionssteuerung. Resolver, die ähnlich wie Drehgeber arbeiten aber für den Einsatz in rauen Umgebungen konzipiert sind, bieten ebenfalls eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit in empfindlichen Anwendungen.

Das Bindeglied zwischen all diesen Komponenten sind die Steuerungssysteme, die den Gesamtbetrieb der Motor- und Steuerungslösungen steuern und verwalten. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), robuste Industriecomputer für die Steuerung und Automatisierung, verarbeiten mehrere Eingangs- und Ausgangssignale gleichzeitig in der Fabrikautomatisierung, Prozesssteuerung und anderen Anwendungen. Industrie-PCs, die eine größere Flexibilität und Verarbeitungsleistung als SPSen bieten, werden häufig in Verbindung mit fortschrittlicher Motorsteuerungssoftware zur Simulation von Bewegungssteuerungsalgorithmen in komplexen Mehrachssystemen eingesetzt.

Motor- und Steuerungskomponenten in industriellen Anwendungen

Motor- und Steuerungslösungen sind entscheidend für die Verbesserung von Effizienz, Genauigkeit und Produktivität in einer Vielzahl von industriellen Prozessen. So steuern sie beispielsweise Geräte wie Roboterarme und Werkzeugmaschinen, um industrielle Abläufe zu verbessern und Fehler zu minimieren. In Automobilwerken und Warenhäusern koordinieren Motor- und Steuerungssysteme die Bewegungen von Industrierobotern, kollaborativen Robotern (Cobots) und autonomen mobilen Robotern (AMRs), um Aufgaben wie Handhabung, Montage und Inspektion durchzuführen. Ähnlich verhält es sich bei industriellen Verpackungsanwendungen, wo Motor- und Steuerungslösungen Artikel wie Kartons und Paletten mit Hilfe von Fördersystemen, Sortiermaschinen und automatischen Regalbediengeräten (AS/RS) kommissionieren und transportieren.

In der Medizinbranche beeinflussen Motor- und Steuerungssysteme die Art und Weise, wie Gesundheitsversorgung und Forschung durchgeführt werden. Sie ermöglichen eine präzise Positionierung, Dosierung und Automatisierung in medizinischen Geräten und Ausrüstungen wie chirurgischen Robotern, diagnostischen Bildgebungssystemen und Laborinstrumenten. Chirurgische Roboter, die mit Motor- und Steuerungskomponenten ausgestattet sind, können beispielsweise Eingriffe präzise und minimalinvasiv durchführen, wodurch sich die Genesungszeit der Patienten verkürzt und die Ergebnisse insgesamt verbessert werden. Automatisierte Flüssigkeitshandhabungssysteme in pharmazeutischen Forschungslabors nutzen ebenfalls Motor- und Steuersysteme, um Reagenzien präzise zu dosieren und zu mischen, was den Prozess der Arzneimittelentdeckung optimiert und die Entwicklung neuer Therapien beschleunigt.

Auch die Luft- und Raumfahrt- sowie die Verteidigungsindustrie sind auf präzise Motor- und Steuerungslösungen für unternehmenskritische Anwendungen wie Satellitenpositionierung, Flugzeugsteuerungssysteme und Raketensteuerung angewiesen. In diesen Bereichen kann schon die kleinste Abweichung von der vorgesehenen Bewegung oder Position katastrophale Auswirkungen haben. Motorsteuerungen und andere Steuerungstechnologien sorgen dafür, dass diese Systeme mit außergewöhnlicher Genauigkeit und Zuverlässigkeit arbeiten, so dass Satelliten ihre Umlaufbahnen beibehalten, Flugzeuge sicher fliegen und Raketen ihre Ziele erreichen können. Darüber hinaus ermöglichen diese Lösungen die Entwicklung und Erprobung neuer Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungstechnologien, so dass komplexe Systeme simuliert und validiert werden können, bevor sie in der Praxis eingesetzt werden.

Die Strategie von DigiKey verstehen

Durch die Zusammenarbeit mit mehreren Anbietern stellt DigiKey sicher, dass der Zugang zu einer breiten Auswahl an Produkten jederzeit gesichert ist. Diese Strategie erhöht nicht nur die Produktvielfalt, sondern verbessert auch die Verfügbarkeit, fördert eine wettbewerbsfähige Preisgestaltung und bietet Zugang zu einer Fülle von technischem Know-how. Ein klarer Vorteil des Ansatzes mit vielen Anbietern von DigiKey ist die Fähigkeit, eine Vielzahl von industriellen Anforderungen zu erfüllen. Ob es sich um einen kompakten Schrittmotor für Präzisionsinstrumente oder einen Servoantrieb mit hohem Drehmoment für die Schwerlastautomatisierung handelt, DigiKey hat für alle Anwendungen eine Lösung parat. Diese Vielfalt ermöglicht es, die am besten geeigneten Produkte für ihre spezifischen Anforderungen zu finden, die die Gesamtleistung und Effizienz des Systems optimieren können. Darüber hinaus minimiert DigiKey durch die Beschaffung bei mehreren Anbietern das Risiko von Unterbrechungen in der Lieferkette - wenn es bei einem Hersteller zu Produktionsproblemen oder Verzögerungen kommt, können alternative Produkte von anderen Anbietern bezogen werden, wodurch eine zuverlässige und konsistente Versorgung der Kunden gewährleistet ist. Diese Ausfallsicherheit macht den Unterschied in Industrieanlagen aus, wo selbst minimale Ausfallzeiten erhebliche Auswirkungen auf Ressourcen, Budgets und Betriebsabläufe haben können.

Moderne Motor- und Steuerungsprodukte von Branchenführern

Die Partnerschaften von DigiKey mit führenden Herstellern wie Schneider Electric, Siemens und Omron zeigen das Engagement des Unternehmens für Qualität und Innovation. Diese Branchenriesen sind bekannt für ihre hochmodernen Motor- und Steuerungslösungen, die fortschrittliche Funktionen und Technologien zur Steigerung von Effizienz und Nachhaltigkeit beinhalten.

Der Altivar™-Softstarter ATS480 von Schneider Electric (Abbildung 3) baut auf der Start-Stopp-Performance früherer Iterationen auf, um die Lebensdauer von Geräten weiter zu verlängern und die Verfügbarkeit von Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen zu maximieren. Der Altivar 212 VSD bietet maximale Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit in HLK-Systemen, spart Energie und verbessert den Gebäudekomfort und das Gebäudemanagement. Ebenso bieten die VFDs ATV320 Sicherheit, Zuverlässigkeit und Einfachheit in kompakten Formfaktoren für eine einfache Installation und effiziente Raumnutzung.

Abbildung 3: Altivar™-Softstarter ATS480 von Schneider Electric. (Bildquelle: Schneider Electric)

Die Easy-TeSys-Reihe von Schneider Electric umfasst manuelle Motorstarter mit magnetischem Schutz bei 13-facher maximaler Einstellung, thermische Überlastrelais mit Schraubklemmenanschlüssen und 3-polige Schütze mit einer Lebensdauer von etwa einer Million elektrischer Betätigungen. Diese Geräte sind zum Schalten und Schützen gängiger Motoranwendungen konzipiert. Die kommunizierenden TeSys™-Insel-Motorstarter machen die Steuerverdrahtung und die SPS-IO mit einem einzigen Flachbandkabel-Klick überflüssig und bieten Zugang zu Daten über industrielle Kommunikationsprotokolle.

Die Antriebe SINAMICS V20 von Siemens sind mit ihrer kompakten, robusten und widerstandsfähigen Bauweise ideal für den Einsatz in einer Vielzahl von grundlegenden Antriebsanwendungen in Prozess- und Fertigungsanlagen. Darüber hinaus verhindern die Wendeschütz-Baugruppen der Serie SIRIUS 3RA23 Verdrahtungsfehler in den Haupt- und Steuerstromkreisen. Controls-SIRIUS-Schütze bieten flexible Möglichkeiten zum Schalten elektrischer Lasten, wobei zwischen konventionellen und Halbleiterschaltern gewählt werden kann.

Die frequenzvariablen Antriebe der Serie MX2 von Omron bieten eine fortschrittliche Motor- und Maschinensteuerung mit VFD-Technologie für präzisen Betrieb, Energieeinsparungen und Fehlerschutz. Dank ihres modernen Designs und ihrer Algorithmen bietet die MX2 eine sanfte Steuerung bis zum Stillstand und eine Drehmomentsteuerung im offenen Regelkreis.

Abbildung 4: Thermisches TeSys-Überlastrelais von Schneider Electric. (Bildquelle: Schneider Electric)

Verbesserung der Nachhaltigkeit in einer automatisierten Produktionslinie

Um die Auswirkungen von Antriebs- und Steuerungstechnologien auf die Nachhaltigkeit zu veranschaulichen, betrachten wir eine automatisierte Produktionslinie in einer Fertigungsanlage. Von der präzisen Steuerung von Förderbandgeschwindigkeiten und Motoren von Verpackungsmaschinen bis hin zur Integration von Roboterarmen und der Implementierung von Sicherheitssystemen ermöglichen diese Komponenten den Herstellern, ihre Ziele zu erreichen, nämlich Energieverbrauch und Abfall zu minimieren und gleichzeitig die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Betriebs zu gewährleisten:

Fördersysteme: In der automatisierten Produktionslinie spielen Fördersysteme eine Schlüsselrolle beim Transport von Materialien und Produkten zwischen den verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses. Durch den Einsatz des VSD Altivar 212 von Schneider Electric oder des VFD der MX2-Serie von Omron kann die Geschwindigkeit der Fördermotoren entsprechend der erforderlichen Produktionsrate gesteuert werden. Da das Förderband mit optimaler Geschwindigkeit läuft, wird weniger Energie verbraucht und die mechanischen Komponenten werden weniger abgenutzt. Darüber hinaus sorgen Softstarter wie der Altivar™-Softstarter ATS480 von Schneider Electric für ein sanftes Starten und Stoppen von Förderbandmotoren, wodurch die mechanische Belastung verringert und die Lebensdauer der Geräte verlängert wird.

Verpackungsmaschinen: Verpackungsmaschinen sind ein wesentlicher Bestandteil der automatisierten Produktionslinie, die für das Einwickeln, Versiegeln und Etikettieren von Produkten zuständig ist. Diese Maschinen erfordern oft eine präzise Steuerung der Motordrehzahl und des Drehmoments, um eine gleichmäßige und genaue Verpackung zu gewährleisten. Durch die Integration der VFDs ATV320 von Schneider Electric können die Motoren von Verpackungsmaschinen mit hoher Präzision gesteuert werden, was die Gesamtleistung und Energieeffizienz des Systems verbessert.

Roboterarme: Roboterarme werden häufig in automatisierten Produktionslinien für Aufgaben wie Materialtransport, Montage und Qualitätskontrolle eingesetzt. Diese Werkzeuge erfordern eine präzise Steuerung mehrerer Bewegungsachsen, um ihre Aufgaben präzise und effizient zu erfüllen. Die kommunizierenden Motorstarter „TeSys island“ von Schneider Electric bieten eine Steuerung für Roboterarm-Motoren. Da der „TeSys island“ keine komplexe Verdrahtung und keine SPS-IO benötigt, ermöglicht er auch eine schnellere Installation und eine einfache Konfiguration des Steuerungssystems des Roboterarms. Die integrierte digitale Schnittstelle und das intelligente Konfigurationstool vereinfachen die Inbetriebnahme und Einstellung, während die Möglichkeit, über Kommunikationsprotokolle auf wichtige Daten zuzugreifen, eine Fernüberwachung und vorausschauende Wartung ermöglicht.

Pumpen und Lüfter: Pumpen und Lüfter sind für verschiedene Aspekte einer automatisierten Produktionslinie von entscheidender Bedeutung, z. B. für Kühlsysteme, Hydraulikaggregate und Belüftungssysteme. Die Optimierung der Leistung dieser Komponenten kann den Energieverbrauch senken und eine maximale Betriebszeit gewährleisten. Die Antriebssysteme SINAMICS V20 von Siemens mit ihrem kompakten, robusten Design eignen sich für die Steuerung von Pumpen und Lüftern in industriellen Umgebungen. Die Antriebssysteme SINAMICS V20 bieten verschiedene Funktionen, darunter PID-Regelung, Mehrpumpenregelung und Energiesparmodi.

Sicherheitssysteme: Die Gewährleistung der Sicherheit von Personal und Ausrüstung ist in Produktionsstätten von größter Bedeutung. Mit sicherheitsbewerteten Schützbaugruppen können Produktionslinien ein hohes Maß an Sicherheit erreichen und das Risiko von Unfällen und Ausfallzeiten verringern. Mit den Wendeschütz-Baugruppen der Baureihe SIRIUS 3RA23 von Siemens können Sicherheitsfunktionen in der Motorsteuerung realisiert werden. Diese Baugruppen lassen sich nahtlos in funktionale Sicherheitssysteme nach internationalen Normen wie IEC 61508 und ISO 13849-1 integrieren. Die integrierten mechanischen und elektrischen Verriegelungsfunktionen der Serie 3RA23 vermeiden außerdem Verdrahtungsfehler und gewährleisten einen sicheren Betrieb von Motorumkehrschaltungen.

Abbildung 5: Intelligente Industrieroboterarme für die digitale Fabrikproduktion. (Bildquelle: Shutterstock)

Fazit

Fortschrittliche Motor- und Steuerungslösungen sind in einer Vielzahl von Branchen entscheidend für Effizienz und Nachhaltigkeit. Durch die Integration dieser Technologien in automatisierte Produktionslinien verbessern die Hersteller die betriebliche Effizienz, reduzieren den Energieverbrauch, minimieren den Materialabfall und verlängern die Lebensdauer der Anlagen. Das Produktportfolio von DigiKey, das von verschiedenen Anbietern bezogen wird, ermöglicht es, Systeme zu entwickeln, die eine hohe Performance bieten und gleichzeitig umweltfreundlich sind. DigiKey bietet eine Plattform, auf der die am besten geeigneten Antriebs- und Steuerungsprodukte für alle Anwendungen gefunden, verglichen und beschafft werden können.