Elektrische Aktoren als Ersatz für Fluidtechniksysteme: Ein praxisnaher Leitfaden für die industrielle Automatisierung

Seit Jahrzehnten dominieren Pneumatikzylinder und hydraulische Aktoren die industrielle Bewegungssteuerung. Ihre Beliebtheit beruht auf einfachen Steuerungsmethoden, einer robusten Kraftabgabe und einer unkomplizierten Installation. Ein Ventil wird angesteuert, das Fluid bewegt sich, und der Aktor fährt aus oder ein. Das Konzept ist leicht verständlich und noch einfacher zu warten.

Moderne Fertigungsanlagen stehen jedoch zunehmend unter Druck, die Energieeffizienz zu verbessern, den Wartungsaufwand zu verringern, Leckagen zu vermeiden und eine höhere Positioniergenauigkeit zu erreichen. Diese Anforderungen haben die Einführung elektrischer Aktoren in Branchen von Verpackung und Montage bis hin zur Halbleiterfertigung und Prozessautomatisierung beschleunigt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen fluidbetriebenen Systemen bieten elektrische Aktoren eine präzise Positionsregelung, programmierbare Bewegungsprofile, reproduzierbare Bewegungen und Diagnosefunktionen in Echtzeit. Ingenieure können Beschleunigung, Geschwindigkeit, Verzögerung und Stopp position steuern, ohne auf Druckregler, Durchflussregelungen oder mechanische Einstellungen angewiesen zu sein.

Historisch gingen diese Vorteile mit einem wesentlichen Nachteil einher. Elektrische Bewegungssysteme erforderten häufig Servoantriebe, SPS-Programmierung, Kommunikationsnetzwerke, Tuning-Software, Encoderrückmeldesysteme und spezielle Fachkenntnisse in der Bewegungssteuerung.

Für viele Anlagen, insbesondere bei der Ersetzung einfacher Pneumatikzylinder, stellte diese Komplexität eine erhebliche Hürde für die Einführung dar.

Moderne integrierte Plattformen für elektrische Aktoren zielen darauf ab, diese Herausforderung zu beseitigen, indem sie die Aktormechanik, die Motorelektronik und die Konfigurationssoftware in einem einzigen Paket vereinen. Das Ergebnis ist ein System, das die Vorteile elektrischer Bewegung bietet und zugleich die einfache Bedienung beibehält, die Pneumatiksysteme so beliebt gemacht hat.

Dieser Artikel untersucht die e-Actuator-Plattform von SMC und zeigt, wie integrierte elektrische Bewegungssysteme Herstellern dabei helfen, den Umstieg von herkömmlichen fluidtechnischen Technologien zu vollziehen.

Für Anlagen, die ihre Automatisierungsinfrastruktur modernisieren, ergänzen diese Technologien zunehmend fortschrittliche SPS- und PAC-Systeme, industrielle HMI-Plattformen und Motion-Control-Lösungen, die in modernen Fertigungsprozessen eingesetzt werden.

Abbildung 1. Die e-Actuator-Serie in einer Demonstrationseinheit von SMC.

Warum Hersteller pneumatische und hydraulische Aktoren ersetzen

Pneumatische Systeme gehören nach wie vor zu den am häufigsten eingesetzten Bewegungstechnologien in der industriellen Automatisierung. Druckluft ist in den meisten Fabriken problemlos verfügbar, und Pneumatikzylinder ermöglichen in vielen Anwendungen einen zuverlässigen Betrieb.

Hydrauliksysteme dominieren weiterhin Anwendungen, die extrem hohe Kräfte erfordern, darunter Pressen, Schwermaschinen, Metallumformanlagen und große Industrieaktuatoren.

Trotz dieser Vorteile bringen Fluidtechniktechnologien mehrere betriebliche Herausforderungen mit sich.

Druckluftsysteme sind grundsätzlich ineffizient. Bei der Verdichtung, Verteilung, Speicherung und Entspannung der Luft treten erhebliche Energieverluste auf. In alternden Anlagen entstehen häufig Luftlecks, wodurch die Energiekosten steigen, ohne dass nutzbare Arbeit geleistet wird.

Hydrauliksysteme bringen andere Herausforderungen mit sich. Flüssigkeitsverunreinigungen, Dichtungsverschleiß, Leckagen, Umweltaspekte und der laufende Wartungsaufwand erhöhen die Lebenszykluskosten.

Elektrische Aktuatoren begegnen vielen dieser Probleme direkt.

• Kein Druckluftverbrauch
• Keine Wartung von Hydraulikflüssigkeit
• Keine Bedenken hinsichtlich Leckagen
• Geringere Betriebsgeräusche
• Verbesserte Positioniergenauigkeit
• Programmierbare Bewegungsprofile
• Integrierte Diagnostik
• Höhere Energieeffizienz

Am wichtigsten ist vielleicht, dass elektrische Aktuatoren eine präzise Bewegungssteuerung ermöglichen, anstatt lediglich zwischen zwei festen Endpunkten zu verfahren.

Diese Fähigkeit ermöglicht es Ingenieuren, flexible Produktionssysteme zu entwickeln, die mehrere Produkte, Rezepturen und Betriebsmodi ohne mechanische Anpassungen unterstützen können.

Die herkömmliche Komplexität elektrischer Bewegungssysteme

Obwohl elektrische Aktuatoren erhebliche Leistungsvorteile bieten, erfordern herkömmliche servobasierte Bewegungssysteme häufig deutlich mehr technischen Aufwand als pneumatische Installationen.

Eine herkömmliche elektrische Bewegungslösung umfasst typischerweise:

• Servomotor
• Servoantrieb
• Bewegungssteuerung
• Encoder-Rückmeldung
• Kommunikationsnetzwerk
• Programmiersoftware
• Hardware zur Energieverteilung
• Sicherheitsintegration

In vielen Industrieanlagen benötigen Ingenieure lediglich einen Zylinder, der sich von Position A zu Position B bewegt. Die Installation eines vollständigen Servosystems für eine derart einfache Anforderung kann unnötige Komplexität und Kosten verursachen.

Diese Herausforderung erklärt, warum Pneumatikzylinder trotz ihrer Einschränkungen weiterhin weit verbreitet sind.

Der technische Aufwand für die Konfiguration, Inbetriebnahme und Wartung eines herkömmlichen Bewegungssteuerungssystems übersteigt bei einfachen Anwendungen mit linearer Bewegung häufig dessen Vorteile.

Integrierte elektrische Aktuatoren versuchen, diese Lücke zu schließen, indem sie eine Positionierleistung auf Servoniveau bieten und gleichzeitig die Einfachheit herkömmlicher Fluidsteuerungsmethoden bewahren.

Das Konzept des SMC e-Actuator verstehen

Die SMC-EQFS-e-Actuator-Serie verfolgt bei der Bewegungssteuerung einen praxisorientierten Ansatz.

Anstatt Ingenieure zum Kauf separater Motoren, Antriebe, Rückmeldesysteme und Steuerungen zu zwingen, integriert der Aktuator diese Komponenten in einer kompakten Einheit.

Diese Architektur reduziert die Installationskomplexität erheblich.

Der integrierte Controller übernimmt automatisch:

• Positionsregelung
• Motorkommutierung
• Beschleunigungssteuerung
• Verzögerungssteuerung
• Positionsrückmeldung
• Bewegungsabläufe
• Fehlerüberwachung

Dadurch interagiert der Benutzer mit dem Aktuator ähnlich wie mit einem Pneumatikzylinder.

Einfache digitale Eingänge steuern die Bewegung, während der interne Controller die komplexen Berechnungen und Steuerungsalgorithmen im Hintergrund übernimmt.

Abbildung 2. Integrierter Controller mit dedizierten Anschlüssen für Stromversorgung, I/O und Konfiguration.

Integrierte Controller: Vereinfachung der Inbetriebnahme elektrischer Bewegungen

Eine der größten Hürden bei der Einführung elektrischer Aktuatoren war historisch die Komplexität der Controller.

Herkömmliche Servosysteme erfordern häufig eine umfangreiche Konfiguration und spezielles Fachwissen.

Integrierte Controller-Architekturen vereinfachen die Inbetriebnahme, indem sie die Bewegungsintelligenz direkt in die Aktuatorbaugruppe integrieren.

Aus Sicht der Installation interagieren Ingenieure hauptsächlich mit drei Anschlüssen:

• 24-VDC-Spannungseingang
• Digitale I/O-Schnittstelle
• Konfigurationsschnittstelle

Dieses Design beseitigt einen Großteil der Verdrahtungskomplexität, die üblicherweise mit eigenständigen Bewegungssteuerungssystemen verbunden ist.

Maschinenbauer profitieren von einem geringeren Platzbedarf im Schaltschrank, einer vereinfachten Dokumentation und schnelleren Inbetriebnahmeverfahren.

Auch das Wartungspersonal profitiert, da die Fehlersuche deutlich einfacher wird, wenn Antrieb und Aktuator als einheitliches System arbeiten.

Vorteile der elektrischen Infrastruktur gegenüber Fluidsystemen

Ein häufig übersehener Vorteil elektrischer Aktuatoren betrifft die Anlageninfrastruktur.

Pneumatische Systeme benötigen umfangreiche Zusatzgeräte, bevor auch nur ein Aktuator betrieben werden kann.

Diese Infrastruktur kann Folgendes umfassen:

• Luftkompressoren
• Trockner
• Filter
• Druckregler
• Speichertanks
• Verteilungsrohrleitungen
• Programme zur Leckagekontrolle

Hydrauliksysteme erfordern ebenfalls erhebliche Investitionen in die Infrastruktur.

Diese Systeme umfassen typischerweise Pumpen, Behälter, Ventile, Wärmetauscher, Filtersysteme und umfangreiche Rohrleitungsnetze.

Elektrische Antriebe machen viele dieser Anforderungen überflüssig.

In den meisten Industrieanlagen ist bereits eine Stromverteilungsinfrastruktur vorhanden. Elektrische Anschlüsse zu abgelegenen Standorten zu erweitern, ist oft deutlich einfacher, als neue Druckluft- oder Hydrauliknetze zu installieren.

Dieser Vorteil ist insbesondere bei Erweiterungs- und Modernisierungsprojekten von Anlagen von Bedeutung.

Ingenieure können Bewegungssysteme an Orten einsetzen, an denen Druckluft möglicherweise nicht verfügbar oder die Installation zu kostspielig ist.

Die Strom- und I/O-Anschlüsse verstehen

Der e-Actuator verwendet einen unkomplizierten Verdrahtungsansatz, der gängigen Vorgehensweisen in der industriellen Automatisierung entspricht.

Der Stromversorgungsstecker nimmt eine standardmäßige 24-VDC-Steuerspannung auf und ermöglicht so die Kompatibilität mit bestehenden industriellen Stromversorgungssystemen.

Die meisten modernen Automatisierungsplattformen nutzen bereits 24-VDC-Stromversorgungsarchitekturen für Sensoren, Controller, HMIs und Kommunikationsgeräte.

Diese Kompatibilität vereinfacht die Systemintegration.

Abbildung 3. Pinbelegung der Stromversorgung und der digitalen E/A des integrierten Controllers.

Die Architektur der Digitaleingänge unterscheidet sich geringfügig von der vieler herkömmlicher SPS-Eingangsmodule.

Da der Aktuator intern auf die Versorgungsspannung Bezug nimmt, müssen externe Geräte ein gemeinsames elektrisches Bezugspotenzial verwenden.

Das Verständnis dieses Zusammenhangs wird bei der Systemintegration wichtig.

Eine ordnungsgemäße Erdung und die Verwaltung gemeinsamer Bezugspotenziale tragen zu einem zuverlässigen Betrieb bei und minimieren gleichzeitig elektrische Störungen und Kommunikationsprobleme.

Ingenieure, die elektrische Aktuatoren in Systeme mit Allen-Bradley ControlLogix, Siemens SIMATIC S7 oder Schneider Modicon Quantum integrieren, sollten bei der Installation die gängigen Vorgehensweisen für gemeinsame Bezugspotenziale überprüfen.

Industrielle Anwendungen, die am meisten von elektrischen Aktuatoren profitieren

Nicht jede pneumatische oder hydraulische Anwendung sollte automatisch auf elektrische Bewegung umgestellt werden.

Bestimmte Anwendungen können jedoch erheblich von der Technologie elektrischer Aktuatoren profitieren.

Beispiele hierfür sind:

• Verpackungsmaschinen
• Pick-and-Place-Systeme
• Montageausrüstung
• Elektronikfertigung
• Pharmazeutische Verarbeitung
• Lebensmittel- und Getränkeproduktion
• Laborautomatisierung
• Halbleiterausrüstung

Diese Anwendungen erfordern häufig eine wiederholgenaue Positionierung, flexible Bewegungsprofile und einen geringeren Wartungsaufwand.

Elektrische Aktuatoren bieten Vorteile, die mit herkömmlichen Fluidtechniksystemen nur schwer zu erreichen sind.

Da Fertigungsumgebungen zunehmend Strategien für intelligente Fabriken übernehmen, entsprechen elektrisch gesteuerte Bewegungssysteme immer stärker den Zielen von Industrie 4.0, die auf Vernetzung, Diagnose, Effizienz und Transparenz im Betrieb ausgerichtet sind.

Softwarekonfiguration: Wo elektrische Bewegung praxisnah wird

Für viele Ingenieure stellt die Softwarekonfiguration die größte Herausforderung beim Umstieg von Pneumatikzylindern auf elektrische Aktuatoren dar.

Herkömmliche Bewegungssteuerungsplattformen erfordern häufig eine umfangreiche Parametrierung, Kommunikationszuordnung, Achskonfiguration, Abstimmungsverfahren und Programmierkenntnisse.

Das Ziel der e-Actuator-Plattform ist grundlegend anders.

Anstatt Hunderte von Bewegungsparametern offenzulegen, konzentriert sich die Software auf die Konfiguration der Einstellungen, die für gängige industrielle Anwendungen erforderlich sind.

Dieser Ansatz verkürzt die Inbetriebnahmezeit deutlich und erhält gleichzeitig die Leistungsvorteile elektrischer Bewegungen.

Die Konfigurationssoftware identifiziert automatisch das angeschlossene Aktuatormodell und zeigt nur die relevanten Parameter zur Anpassung an.

Dadurch verbringen Ingenieure weniger Zeit mit dem Navigieren durch komplizierte Menüs und mehr Zeit mit der Optimierung der Maschinenleistung.

Verbindung mit dem e-Actuator Setup Tool herstellen

Die Konfiguration erfolgt mit dem von SMC bereitgestellten dedizierten e-Actuator Setup Tool.

Die Software kommuniziert über den dedizierten M12-Konfigurationsanschluss am integrierten Controller.

Nach dem Herstellen der Kommunikation erkennt die Software automatisch:

• Aktuatortyp
• Hublänge
• Controllerversion
• Verfügbare Betriebsmodi
• Aktuelle Parametereinstellungen

Dieser automatische Erkennungsprozess macht viele der manuellen Einrichtungsschritte überflüssig, die traditionell mit Servosystemen verbunden sind.

Für Maschinenbauer, die mehrere Aktuatoren einsetzen, kann diese Funktion die Inbetriebnahmezeit erheblich verkürzen.

Inbetriebnahmetechniker können Konfigurationen schnell überprüfen, Einstellungen anpassen und den Betrieb validieren, ohne umfassende Programmierkenntnisse zu benötigen.

Abbildung 4. Verfügbare Betriebsmodi im e-Actuator Setup Tool.

Betriebsmodi erklärt

Einer der innovativsten Aspekte der Plattform ist ihre Fähigkeit, das vertraute Verhalten pneumatischer Ventile nachzubilden.

Wartungstechniker und Maschinenbediener wissen bereits, wie pneumatische Wegeventile funktionieren.

Durch die Nachbildung dieser Steuerungsmethoden wird die Lernkurve für elektrische Bewegungen erheblich verkürzt.

Die Plattform bietet drei primäre Betriebsmodi.

Einmagnetmodus

Dieser Modus verhält sich ähnlich wie ein pneumatisches Ventil mit Federrückstellung.

Wenn der digitale Eingang aktiviert wird, fährt der Aktuator in Richtung der vorgegebenen Position.

Wenn das Signal entfernt wird, kehrt der Aktuator automatisch in seine Ausgangsposition zurück.

Dieser Betriebsmodus ist ideal für:

• Teileausstoßsysteme
• Einfache Positioniervorrichtungen
• Klemmmechanismen
• Ausschleusklappen
• Beladestationen

Viele Anwendungen mit Pneumatikzylindern können mit dieser Steuerungsmethode direkt ersetzt werden.

Doppelmagnetmodus

Der Doppelmagnetmodus ahmt das Verhalten eines häufig in der pneumatischen Automatisierung eingesetzten Wegeventils mit zwei Magneten nach.

Ein digitaler Eingang steuert das Ausfahren, während ein zweiter Eingang das Einfahren steuert.

Der Aktuator behält seine Position bei, bis ein neuer Befehl empfangen wird.

Dieser Ansatz bietet eine größere Flexibilität bei der Steuerung und ähnelt stark traditionellen industriellen Maschinenausführungen.

Zu den Anwendungen gehören:

• Transfersysteme
• Materialhandhabungsgeräte
• Automatisierte Montagestationen
• Indexiermechanismen
• Verpackungsanlagen

Modus „Geschlossene Mitte“

Der Modus „Geschlossene Mitte“ bietet eine Funktion, die bei den meisten herkömmlichen Pneumatikzylindern nicht verfügbar ist.

Zusätzlich zu den Ausfahr- und Einfahrpositionen kann sich der Aktuator in eine Zwischenposition bewegen.

Dies ermöglicht eine Dreipunktsteuerung mit nur zwei digitalen Eingängen.

Die Möglichkeit, an einer konfigurierbaren Mittelposition anzuhalten, eröffnet Optionen für anspruchsvollere Maschinenabläufe, ohne dass eine vollständige Servobewegungssteuerung erforderlich ist.

Zu den Anwendungen gehören:

• Mehrpositions-Handhabung von Werkstücken
• Sortiersysteme
• Inspektionsstationen
• Transfermechanismen
• Produktpositioniersysteme

Diese Funktionalität verdeutlicht einen der wesentlichen Vorteile elektrischer Aktuatoren gegenüber herkömmlichen fluidtechnischen Technologien.

Die Lücke zwischen Pneumatik und Servoregelung schließen

Die Betriebsarten veranschaulichen einen wichtigen Trend, der sich in der gesamten industriellen Automatisierung abzeichnet.

Hersteller suchen zunehmend nach Lösungen, die die Einfachheit traditioneller Automatisierung mit der Flexibilität moderner digitaler Technologien verbinden.

Elektrische Aktuatoren nehmen in diesem Übergang eine einzigartige Stellung ein.

Sie bieten deutlich mehr Funktionalität als Pneumatikzylinder und vermeiden gleichzeitig einen Großteil der Komplexität, die mit vollständigen Servobewegungsplattformen verbunden ist.

Dieses Gleichgewicht ist besonders attraktiv für Maschinenbauer, die Anlagen für Kunden entwickeln, die möglicherweise keine speziellen Kenntnisse in der Bewegungssteuerung besitzen.

Einfache digitale Befehle bleiben dem Wartungspersonal vertraut, während fortgeschrittene Bewegungsprofile den Engineering-Teams weiterhin zur Verfügung stehen.

Vorteile integrierter Bewegungsprofile

Eine der größten Einschränkungen von Pneumatikzylindern ist die fehlende präzise Bewegungssteuerung.

Obwohl Durchflussregelungen die Geschwindigkeit beeinflussen können, bleibt die Umsetzung wiederholbarer Beschleunigungs- und Verzögerungsprofile schwierig.

Pneumatikzylinder bewegen sich typischerweise so schnell, wie es Systemdruck und Lastbedingungen zulassen.

Dies führt häufig zu:

• Mechanischer Stoß
• Produktschäden
• Geräuschentwicklung
• Komponentenverschleiß
• Geringere Positioniergenauigkeit

Elektrische Aktuatoren lösen diese Probleme durch programmierbare Bewegungsprofile.

Die Steuerung regelt die Motorleistung kontinuierlich, um über den gesamten Verfahrweg eine kontrollierte Bewegung zu erzielen.

Dies führt zu einem ruhigeren Betrieb, einer besseren Wiederholgenauigkeit und einer längeren Lebensdauer der Geräte.

In Hochgeschwindigkeits-Produktionsumgebungen kann die Reduzierung von Stoßkräften die Maschinenzuverlässigkeit und Produktqualität erheblich verbessern.

Dieser Vorteil allein rechtfertigt häufig den Wechsel von pneumatischen Systemen zu elektrischen Bewegungstechnologien.

Konfigurieren von Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Positionsparametern

Der vielleicht größte Vorteil elektrischer Aktuatoren gegenüber fluidbetriebenen Systemen ist die vollständige Kontrolle über die Bewegungseigenschaften.

Bei Pneumatikzylindern stellen Ingenieure normalerweise Durchflussregelventile und Reglereinstellungen ein, um die Geschwindigkeit zu beeinflussen. Dieser Ansatz funktioniert zwar für viele Anwendungen, doch die Leistung kann je nach Lastbedingungen, Schwankungen des Luftdrucks und Verschleiß der Komponenten variieren.

Elektrische Aktuatoren beseitigen diese Variablen, indem sie die Bewegungsparameter direkt in der Steuerung definierbar machen.

Anstatt sich auf Druck- und Durchflussbegrenzungen zu verlassen, können Ingenieure präzise Werte für Folgendes festlegen:

• Beschleunigungsrate
• Maximale Verfahrgeschwindigkeit
• Verzögerungsrate
• Zielpositionen
• Zwischenpositionen
• Bewegungszeiten

Dieses Maß an Kontrolle verbessert die Konsistenz über die Produktionszyklen hinweg erheblich.

Jede Bewegung folgt demselben Profil, unabhängig von geringfügigen Umgebungs- oder Betriebsabweichungen.

Abbildung 5. Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung können über die Einrichtungssoftware konfiguriert werden.

Warum Bewegungsprofile in der modernen Fertigung wichtig sind

Die Bewegungsqualität ist mit der Weiterentwicklung der Produktionssysteme zunehmend wichtiger geworden.

Ältere Fertigungsanlagen stellten häufig die Geschwindigkeit über alles andere. Solange der Zylinder schnell aus- und einfuhr, hatte das System sein Ziel erreicht.

Die heutigen Fertigungsumgebungen verlangen deutlich mehr.

Produktionslinien verarbeiten heute empfindliche Produkte, leichte Materialien, Präzisionsbaugruppen und stark kundenspezifische Produktvarianten.

Übermäßige Stoßkräfte können Produkte beschädigen, die Qualität mindern und den Verschleiß der Ausrüstung beschleunigen.

Programmierbare Bewegungsprofile helfen, diese Probleme zu vermeiden.

Anstatt abrupt auf mechanische Anschläge zu treffen, können elektrische Aktuatoren allmählich beschleunigen, eine kontrollierte Verfahrgeschwindigkeit beibehalten und vor dem Erreichen der Zielposition sanft abbremsen.

Zu den Vorteilen gehören:

• Reduzierter mechanischer Stoß
• Geringere Vibrationspegel
• Verbesserte Produktqualität
• Längere Maschinenlebensdauer
• Geringere Wartungskosten
• Höhere Positioniergenauigkeit

Diese Vorteile sind besonders in Branchen wie der Elektronikfertigung, der pharmazeutischen Produktion, der Halbleiterfertigung und automatisierten Montageabläufen wichtig.

Konfigurierbare Positionierung über mechanische Endanschläge hinaus

Herkömmliche Pneumatikzylinder arbeiten typischerweise zwischen zwei festen mechanischen Endlagen.

Wenn eine andere Position erforderlich ist, müssen Ingenieure häufig mechanische Anschläge installieren, die Hardware neu konstruieren oder eine andere Hublänge des Aktuators wählen.

Elektrische Aktuatoren bieten eine deutlich größere Flexibilität.

Die Software ermöglicht es Ingenieuren, Betriebspositionen unabhängig von den physikalischen Verfahrgrenzen des Aktuators zu definieren.

Das bedeutet, dass ein einzelner Aktuator mehrere Maschinenkonfigurationen ohne mechanische Änderungen unterstützen kann.

Beispiele hierfür sind:

• Produktspezifische Rezepturen
• Mehrere Verpackungsgrößen
• Flexible Montageabläufe
• Automatisierte Umrüstungen
• Adaptive Produktionssysteme

Da Hersteller zunehmend flexible Fertigungsstrategien verfolgen, wird diese Fähigkeit zu einem bedeutenden Wettbewerbsvorteil.

Anstatt Maschinen zwischen Produktionsläufen physisch anzupassen, können Bediener einfach über die Maschinenschnittstelle ein neues Rezept auswählen.

Der Aktor bewegt sich automatisch entsprechend den neuen Konfigurationsparametern.

Vorteile von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung

Die Umstellung von Fluidtechnik auf elektrische Bewegung steht in engem Zusammenhang mit den umfassenderen Initiativen der Industrie 4.0.

Moderne Fabriken sind zunehmend auf vernetzte Anlagen angewiesen, die Einblick in den Betrieb, Diagnoseinformationen und Leistungsanalysen liefern können.

Pneumatikzylinder bieten im Allgemeinen nur begrenzte Rückmeldungen.

Im besten Fall können Ingenieure externe Sensoren installieren, um die ausgefahrenen und eingefahrenen Positionen zu bestimmen.

Elektrische Aktoren erzeugen von Natur aus deutlich umfangreichere Betriebsdaten.

Beispiele hierfür sind:

• Positionsrückmeldung
• Bewegungsstatus
• Zykluszahlen
• Fehlerzustände
• Bewegungszeiten
• Leistungstrends
• Betriebshistorie

Diese Informationen können Initiativen zur vorausschauenden Wartung unterstützen und die Gesamtanlageneffektivität verbessern.

In Kombination mit modernen industriellen Kommunikationsnetzwerken und industriellen Computerplattformen werden elektrische Aktoren zu wertvollen Datenquellen in vernetzten Produktionsumgebungen.

Vergleich der Energieeffizienz: Elektrische vs. pneumatische Systeme

Energieeffizienz bleibt eines der stärksten Argumente für den Einsatz elektrischer Aktoren.

Druckluft wird häufig als eines der teuersten Betriebsmittel in einer Produktionsanlage bezeichnet.

Die Erzeugung von Druckluft erfordert erhebliche elektrische Energie.

Zusätzliche Verluste entstehen durch:

• Ineffizienzen bei der Verdichtung
• Verluste in den Verteilerleitungen
• Druckabfälle
• Luftlecks
• Ventilverluste
• Abluftverluste

Branchenstudien schätzen häufig, dass ein erheblicher Anteil der in Fabriken erzeugten Druckluft niemals nutzbringende Arbeit verrichtet.

Elektrische Aktoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Bewegung um.

Dieser direkte Umwandlungsprozess erreicht in der Regel eine deutlich höhere Gesamtsystemeffizienz.

Bei Anlagen mit Hunderten von Aktoren über mehrere Produktionslinien hinweg können sich die kumulierten Energieeinsparungen erheblich summieren.

Diese Einsparungen verbessern häufig die Berechnung der Gesamtbetriebskosten beim Vergleich elektrischer und pneumatischer Technologien.

Reduzierung des Wartungsaufwands

Wartungsaspekte gehen über den Energieverbrauch hinaus.

Fluidtechnische Systeme erfordern kontinuierliche Aufmerksamkeit, um einen zuverlässigen Betrieb aufrechtzuerhalten.

Zu den üblichen Wartungsarbeiten gehören:

• Lecksuche
• Dichtungswechsel
• Filterwartung
• Druckeinstellung
• Schmierstoffmanagement
• Überwachung der Luftqualität
• Austausch von Hydraulikflüssigkeit

Elektrische Antriebe machen viele dieser Anforderungen überflüssig.

Obwohl mechanische Komponenten weiterhin regelmäßig geprüft werden müssen, vereinfachen der Verzicht auf Druckluft und Hydraulikflüssigkeiten die langfristigen Instandhaltungsstrategien.

Viele Betriebe, die Programme für zuverlässigkeitsorientierte Instandhaltung verfolgen, betrachten elektrische Bewegungssysteme zunehmend als Möglichkeit, ungeplante Ausfallzeiten und den Instandhaltungsaufwand zu reduzieren.

Abbildung 6. Bewegungsparameter können direkt in den Antrieb geschrieben werden, wodurch die Inbetriebnahme und künftige Konfigurationsänderungen vereinfacht werden.

Industrielle Anwendungen, bei denen elektrische Antriebe den größten Nutzen bieten

Obwohl elektrische Antriebe viele Pneumatikzylinder ersetzen können, wird die höchste Kapitalrendite häufig bei Anwendungen erzielt, die Flexibilität, Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit erfordern.

Nicht jede Maschine profitiert in gleichem Maße von elektrischer Bewegungstechnik.

Einfache Anwendungen mit kontinuierlichem Schieben und Zurückziehen bei hoher Geschwindigkeit können aufgrund der geringeren Anschaffungskosten weiterhin die Pneumatik bevorzugen.

Anwendungen, die eine kontrollierte Positionierung, Produktumstellungen oder mehrere Betriebsmodi erfordern, profitieren jedoch häufig von elektrischen Lösungen.

Zu den erfolgreichsten Implementierungen gehören:

• Automatisierte Montagesysteme
• Verpackungsmaschinen
• Anlagen zum Verpacken in Kartons
• Produktprüfstationen
• Robotergestützte Transfersysteme
• Elektronische Fertigungslinien
• Herstellung medizinischer Geräte
• Anlagen zur Halbleiterverarbeitung

In diesen Umgebungen bietet die Möglichkeit, Bewegungsparameter per Software statt durch Hardwareanpassungen zu ändern, erhebliche betriebliche Vorteile.

Modernisierung von Verpackungsmaschinen

Verpackungsanlagen bieten eine der größten Chancen für den Einsatz elektrischer Antriebe.

Herkömmliche Verpackungssysteme enthalten häufig Dutzende Pneumatikzylinder, die für Folgendes zuständig sind:

• Produktpositionierung
• Kartonhandhabung
• Torbetätigung
• Ausschleusen von Teilen
• Kartonbefüllung
• Etikettenpositionierung

Mit zunehmender Produktvielfalt haben Hersteller häufig mit langwierigen Umrüstverfahren zu kämpfen.

Mechanische Anpassungen werden erforderlich, sobald sich die Abmessungen der Verpackung ändern.

Elektrische Antriebe ermöglichen eine automatische Durchführung dieser Anpassungen.

Anstatt Anschläge und Führungen manuell neu zu positionieren, wählen Bediener einfach ein neues Produktrezept aus.

Die Maschine passt die Positionen der Antriebe anschließend automatisch anhand gespeicherter Konfigurationsparameter an.

Diese Funktion verkürzt die Umrüstzeit erheblich und verbessert gleichzeitig die Wiederholgenauigkeit.

Viele Verpackungs-OEMs kombinieren heute elektrische Antriebe mit industriellen HMI-Systemen, um benutzerfreundliche Einrichtungsoberflächen zu schaffen, die die Maschinenbedienung vereinfachen.

Automatisierte Montagesysteme

Montagevorgänge erfordern häufig eine deutlich höhere Positioniergenauigkeit, als Pneumatikzylinder zuverlässig bieten können.

Bauteile müssen vor dem Einsetzen, Befestigen, Schweißen oder Prüfen präzise ausgerichtet werden.

Elektrische Aktoren bieten eine wiederholbare Positionierleistung für:

• Bauteileinsetzen
• Presspassmontage
• Positionierung von Befestigungselementen
• Steckermontage
• Teiletransfer

Da die Positionierung softwaredefiniert ist, können Ingenieure Bewegungsprofile problemlos an die Weiterentwicklung der Produkte anpassen.

Diese Flexibilität wird in Fertigungsumgebungen, in denen mehrere Produktvarianten auf gemeinsam genutzten Produktionsanlagen hergestellt werden, zunehmend wertvoll.

Lebensmittel- und Getränkeproduktion

Lebensmittelproduktionsanlagen prüfen weiterhin Alternativen zu pneumatischen Systemen – sowohl aus betrieblichen als auch aus Nachhaltigkeitsgründen.

Druckluft ist in der Lebensmittelverarbeitung nach wie vor weit verbreitet, doch eine Reduzierung des Gesamtluftverbrauchs kann die Energieeffizienz erheblich verbessern.

Elektrische Aktoren bieten zusätzliche Vorteile, darunter:

• Geringerer Energieverbrauch
• Verbesserte Positionierkonsistenz
• Geringerer Wartungsaufwand
• Vereinfachte Hygieneverfahren
• Verbesserte Prozesswiederholbarkeit

Anwendungen wie Befüllen, Sortieren, Verpacken und Materialtransport profitieren häufig von den präzisen Steuerungseigenschaften elektrischer Bewegungssysteme.

Konstruktionsvorteile für Maschinenbauer und OEMs

Maschinenbauer stehen unter ständigem Druck, den Engineering-Aufwand zu reduzieren und gleichzeitig die Maschinenleistung zu verbessern.

Integrierte elektrische Aktoren tragen dazu bei, beide Ziele zu erreichen.

Herkömmliche Bewegungssysteme erfordern häufig die Koordination zwischen mehreren Lieferanten, darunter Aktorhersteller, Antriebsanbieter, Kabelzulieferer und Anbieter von Steuerungssystemen.

Eine integrierte Aktorplattform bündelt einen Großteil dieser Komplexität.

Zu den Vorteilen für OEMs gehören:

• Weniger Komponenten
• Vereinfachte Elektroplanung
• Schnellere Montage
• Geringerer Platzbedarf im Schaltschrank
• Vereinfachte Dokumentation
• Kürzere Inbetriebnahmezyklen

Diese Vorteile können die Kosten für die Maschinenentwicklung erheblich senken und gleichzeitig die Standardisierung über verschiedene Anlagenplattformen hinweg verbessern.

Integration in moderne SPS-Plattformen

Ein Grund für die zunehmende Beliebtheit elektrischer Aktoren ist ihre Kompatibilität mit modernen industriellen Steuerungssystemen.

Die einfache Architektur mit digitalen Eingängen ermöglicht eine unkomplizierte Integration in praktisch jede SPS-Plattform.

Zu den gängigen Integrationsplattformen gehören:

• Allen-Bradley ControlLogix
• Allen-Bradley CompactLogix
• Siemens SIMATIC S7
• Mitsubishi MELSEC iQ-R
• Omron CJ-Serie
• Schneider Modicon Quantum

Da der Aktorcontroller die Bewegungsberechnungen intern übernimmt, muss die SPS lediglich einfache Befehlssignale bereitstellen.

Diese Architektur minimiert den Programmieraufwand und gewährleistet gleichzeitig die Kompatibilität mit bestehender Automatisierungsinfrastruktur.

Wann pneumatische Systeme weiterhin sinnvoll sind

Trotz der Vorteile elektrischer Antriebe bleibt die Pneumatik für viele industrielle Anwendungen äußerst effektiv.

Ingenieure sollten die Anforderungen objektiv bewerten, anstatt davon auszugehen, dass neuere Technologien automatisch die beste Lösung bieten.

Pneumatikzylinder bleiben oft vorteilhaft, wenn:

• Es sind extrem hohe Taktzahlen erforderlich
• Die Positioniergenauigkeit ist nicht kritisch
• Eine bestehende Druckluftinfrastruktur ist vorhanden
• Die Anschaffungskosten stehen im Vordergrund
• Die Umgebungsbedingungen sind extrem
• Eine einfache Bewegung von Anfang bis Ende ist ausreichend

Die erfolgreichsten technischen Entscheidungen beruhen auf der Bewertung der gesamten Lebenszykluskosten, statt sich ausschließlich auf den anfänglichen Anschaffungspreis zu konzentrieren.

In vielen Anlagen bietet eine Kombination aus pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Bewegungstechnologien die optimale Lösung.

Die Zukunft der industriellen Bewegungssteuerung

Die Zukunft der industriellen Automatisierung wird voraussichtlich durch eine zunehmende Einführung intelligenter elektrischer Bewegungssysteme geprägt sein.

Mehrere Branchentrends treiben diesen Wandel weiterhin voran:

• Initiativen der Industrie 4.0
• Programme zur vorausschauenden Wartung
• Ziele zur Energieeffizienz
• Anforderungen an eine flexible Fertigung
• Projekte zur digitalen Transformation
• Fachkräftemangel

Integrierte elektrische Antriebe begegnen vielen dieser Herausforderungen gleichzeitig.

Sie bieten erweiterte Diagnosefunktionen, softwarekonfigurierbaren Betrieb, höhere Energieeffizienz und vereinfachte Wartung und bleiben dabei für Techniker zugänglich, die mit traditionellen Automatisierungssystemen vertraut sind.

Mit der weiteren Entwicklung der Steuerungstechnik werden elektrische Antriebe voraussichtlich noch einfacher einzusetzen sein und zugleich immer anspruchsvollere Funktionen bieten.

Fazit

Elektrische Antriebe sind nicht mehr auf komplexe servogesteuerte Anwendungen beschränkt. Moderne integrierte Lösungen wie die SMC-e-Actuator-Plattform zeigen, wie elektrische Bewegung die traditionell mit pneumatischen Systemen verbundene Einfachheit erreichen und gleichzeitig die Präzision, Flexibilität und Effizienzvorteile moderner Motorsteuerungstechnologie bieten kann.

Durch die direkte Integration von Steuerungen in die Antriebseinheit, die Vereinfachung der Verdrahtung und die Bereitstellung intuitiver Softwarekonfigurationswerkzeuge reduzieren diese Systeme viele der Hürden, die bisher von der Einführung elektrischer Bewegungslösungen abgehalten haben.

Für Hersteller, die eine höhere Effizienz, geringeren Wartungsaufwand, verbesserte Positioniergenauigkeit und größere Produktionsflexibilität anstreben, bieten elektrische Antriebe eine überzeugende Alternative zu konventionellen Fluidtechniksystemen. Pneumatische und hydraulische Technologien werden auch weiterhin wichtige industrielle Aufgaben erfüllen, doch integrierte elektrische Bewegungslösungen werden zu einer zunehmend attraktiven Option für Automatisierungssysteme der nächsten Generation.