Servoantrieb Flottere Fahrt für Fahrerlose Transportsysteme

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Oliver Barth* / Ines Stotz

Autonome Shuttle-Fahrzeuge, freifahrende Transportplattformen im Schwarmverbund, ständig untereinander kommunizierend und sich im Prozess optimierend – solche Szenarien beschreiben den flexiblen Warentransport in der Smart Factory von morgen. Auch die Antriebstechnik ist hier eine wichtige Kernkomponente. Ein Produkt von Wittenstein fährt voraus.

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ITAS von Wittenstein Motion Control ist ein vollskalierbarer, modularer Antriebsbaukasten für FahrerloseTransportsysteme.
ITAS von Wittenstein Motion Control ist ein vollskalierbarer, modularer Antriebsbaukasten für FahrerloseTransportsysteme.
(Bild: Wittenstein Motion Control)

Mit der Umsetzung von Industrie 4.0 in der Intralogistik weichen starre Transportbänder und Rollenförderstrecken einer dynamischen und bedarfsorientierten Lenkung von Warenströmen – und in der finalen Ausbaustufe soll gar das Produkt selbst seinen Weg durch die Produktion bestimmen können. Verbesserungen bei Navigation, Safety, Energieeffizienz und Batteriemanagement zeigen, dass autonome Transportsysteme für aktuelle Smart-Factory-Konzepte immer attraktiver werden. Der Antrieb – aus funktionaler Sicht die Komponente eines Fahrerlosen Transportsystems (FTS), die wohl am direktesten die Performance der Fahrzeuge beeinflusst – trägt mit seiner zunehmenden Industrie 4.0-Konnektivität zu dieser Entwicklung bei.

Mit dem in der Leistung weiter verbesserten Simco Drive mit Webserver-Funktionalität hat Wittenstein Motion Control jetzt einen Antriebsverstärker entwickelt, der die Anforderungen autonomer und flexibler Transportsysteme erfüllt, nahtlos in den Baukasten des Servoantriebssystems ITAS passt und zudem Zusatznutzen bietet.

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Intelligentes Energiemanagement integriert

Die wesentlichen Bausteine sind zum einen direkt in die Räder integrierte, platzsparende Motor-Getriebe-Einheiten und zum anderen leistungsgerechte Servoregler. Bei deren Entwicklung und Auslegung stellt sich grundsätzlich die Frage nach den Besonderheiten, um in einem FTS zum Einsatz zu kommen.

Ein wesentlicher Aspekt ist die Energieversorgung der Fahrzeuge. Die Zwischenkreis-Spannungsversorgung kann aus einem Akkumulator, einem Kondensator oder kombiniert gespeist werden. Gängige Standards sind Blei-, Li-Ion- oder Nickel-Cadmium-Akkus, deren Spannungsdifferenz zwischen vollständig geladen und entladen einige 10 VDC betragen kann. Akkus können – bedingt durch schnelle Ladezeiten – von Kondensatoren gestützt werden. Lässt sich das Fahrzeug in kurzen Zyklen laden, ist es auch nur mit Kondensatoren betreibbar. Für ein Ausnutzen der gespeicherten Energie, benötigen diese einen großen Spannungshub. Um kompatibel zu den vielfältigen Spannungsbereichen zu sein, wurde für die leistungsstärkere Ausführung des Simco Drive der Eingangsspannungsbereich auf 12...60 VDC festgelegt. Damit eignet sich der gesamte Antriebsbaukasten für nahezu alle marktüblichen Akkumulator-/Kondensator-Systeme.

Bei FTS hat das Energiemanagement zudem direkten Einfluss auf die Bremsenregelung. Autonome Fahrzeuge und Plattformen verfügen in der Regel über Fahrantriebe mit einer Bremse, die im stromlosen Zustand schließt. Liegt die Betriebsspannung bei 24 VDC mit ±10 % Toleranz, kann diese nicht mit der stark veränderlichen Batteriespannung betrieben werden. Da diese sowohl über als auch unter der Bremsenspannung liegen kann, ist der Einsatz eines Buck-Boost-Converters notwendig, der die fahrzeugseitige Eingangsspannung für die Bremse entsprechend auf- oder abwärts wandelt. Für größere Bremsen können die Betriebsströme bis zu 2 A betragen. Hier liefert der Converter in der Simco Drive-Variante die erforderliche Leistung von 50 W – und spart dabei gleichzeitig Platz und Kosten für ein sonst erforderliches separates Netzteil ein.

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Zum schnellen Schalten hoher Ströme bei variabler Zuleitungslänge werden Pufferkondensatoren auf der Endstufenplatine benötigt. Werden diese beim Zuschalten der Batterie schlagartig geladen, fließen hohe Ströme, die sowohl die Kondensatoren selbst als auch in der Zuleitung befindliche Relaiskontakte schädigen können. Daher begrenzt die integrierte Softstartfunktion der größeren Leistungsvariante die Einschaltströme auf unkritische Werte und schützt so die Energieversorgung wie auch die Elektronik.

Kompatibel zu Feldbus-Schnittstellen gängiger FTS-Automatisierungssysteme

FTS-Antriebe sollen in einem großen Drehzahlbereich mit hohem Gleichlauf arbeiten, besitzen aber im Gegensatz zu industriellen Servoantrieben nur eine geringe Dynamik. Als Betriebsart wird üblicherweise eine Drehzahlregelung benötigt. Aus Geschwindigkeitsgründen ist ein echtzeitfähiger Feldbus somit nicht erforderlich. Da aber die Steuerung eines FTS oft mit einer SPS realisiert wird, muss der Antrieb kompatibel zu deren Feldbus-Schnittstelle sein. Um hier kommunikationstechnisch und damit steuerungsseitig offen zu sein, verfügt der der 2,5 kW Servoregler etwa über TCP/IP, Canopen, Ethercat und Profinet RT/IRT. Damit deckt er das breite Spektrum unterschiedlicher Automatisierungssysteme ab, wie sie auf fahrerlosen Fahrzeugen üblich sind.

Offen für skalierbare Sicherheit und vielfältige Fahrszenarien

Als Basis vieler Safety-Funktionen ist bei allen Simco Drive-Servoreglern die Antriebsüberwachungsfunktion STO (für: Safe Torque Off, sicher abgeschaltetes Drehmoment) nach IEC 61508 / SIL3 zertifiziert. Besonders performante Ausführungen mit sicherheitszertifizierten Komponenten lassen sich mit Sicherheits-Laserscannern der Produktfamilien S3000, S300 und S300 mini von Sick, sicherheitszertifizierten Encodern an jeder Fahrachse und der Sicherheitssteuerung Flexi Soft des gleichen Herstellers realisieren.

In den Scannern lassen sich Warn- und Schutzfelder abhängig vom Streckenlayout und der Fahrgeschwindigkeit programmieren, aktivieren und umschalten, um beispielsweise eine sichere und zügige Kurvenfahrt zu ermöglichen. „Die Geschwindigkeit selbst wird durch Safety-Encoder wie den DFS60S Pro mit SIL2 und PL d erfasst und in der Flexi Soft mit Hilfe der Sicherheitsfunktionen Safe Speed Monitor SSM und Safety Limited Speed SLS sicher überwacht“, erklärt Mathias Ams, Produktmanager Motion Control in der Division Industrial Safety Systems bei Sick.

Beim Ansprechen von Warnfeldern leitet die Sicherheitssteuerung über den Servoregler automatisch eine sichere Reduzierung der Geschwindigkeit ein. „Beim Verletzen eines Schutzfeldes wird mit Blick auf den Antrieb die sichere Bremsenansteuerung SBC sowie die Safe-Stop-Überwachungsfunktionen SS1 und SS2 aktiviert, die dann über den Simco Drive einen Not-Stopp des Fahrzeugs auslösen und diesen sicher überwachen kann“, führt Mathias Ams weiter aus.

Beschleunigungssensor als Fahrtenschreiber und Kollisionsmelder

FTS bewegen sich anhand von Leitdrähten, Lasernavigation, Farbmarkierungen, Positioniersystemen mit Farbband, Data Matrix und Steuercodes oder mit Hilfe anderer Umgebungsmerkmale auf den Fahrwegen und Flächen eines definierten Parcours. Trotz eigener Kollisionsvermeidung durch Laserscanner, Ultraschallsensoren oder Bumper kann es dennoch zu einem Crash kommen, wenn z.B. ein Gabelstapler schnell auffährt. Die Servoregler bieten daher mit dem integrierten 3D-Beschleunigungssensor in MEMS-Technologie ein weiteres, spezifisch auf FTS-Anwendungen bezogenes Leistungsmerkmal.

Er erfasst alle Fahrzeugbewegungen in x-, y- und z-Richtung. Je nach dem Betrag einer absoluten Beschleunigung in einer oder mehreren Achsen erkennt er das Erreichen eines Grenzwertes und speichert dieses Ereignis zusammen mit einem Zeitstempel im EEPROM des Antriebsverstärkers.

Auf diese Weise lassen sich u.a. FTS-Kollisionen, die z.B. auf Fremdeinwirkung eines anderen Fahrzeuges zurückzuführen sind, zuverlässig nachvollziehen. Auch die in Kurven geschwindigkeitsabhängig auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte oder die Neigung einer Rampe, die das FTS befährt, können über den Beschleunigungssensor erfasst und ausgewertet werden.

* Dr.-Ing. Oliver Barth, Assistent der Geschäftsleitung, Wittenstein Motion Control, Igersheim

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