Elektrische Aktuatoren als Ersatz für Fluidtechniksysteme: Ein praxisnaher Leitfaden zur industriellen Automatisierung

Pneumatikzylinder und hydraulische Aktoren dominierten jahrzehntelang die industrielle Bewegungssteuerung. Ihre Beliebtheit beruht auf einfachen Steuerungsmethoden, einer robusten Kraftübertragung 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 reduzieren, Leckagen zu beseitigen 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 fluidtechnisch betriebenen Systemen bieten elektrische Aktoren eine präzise Positionsregelung, programmierbare Bewegungsprofile, wiederholgenaue Bewegungen und Diagnosefunktionen in Echtzeit. Ingenieure können Beschleunigung, Geschwindigkeit, Verzögerung und Halteposition steuern, ohne auf Druckregler, Durchflussregelungen oder mechanische Einstellungen angewiesen zu sein.

Historisch waren diese Vorteile mit einem erheblichen Nachteil verbunden. Elektrische Bewegungssysteme erforderten häufig Servoantriebe, SPS-Programmierung, Kommunikationsnetzwerke, Tuning-Software, Encoder-Rückmeldesysteme und spezielle Fachkenntnisse in der Bewegungssteuerung.

Für viele Anlagen, insbesondere beim Ersatz einfacher Pneumatikzylinder, stellte diese Komplexität eine erhebliche Einführungshürde dar.

Moderne integrierte Plattformen für elektrische Aktoren sollen diese Herausforderung beseitigen, indem sie Aktormechanik, Motorsteuerungselektronik und Konfigurationssoftware in einem einzigen Paket kombinieren. 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 Hersteller dabei unterstützen, den Umstieg von herkömmlichen fluidtechnischen Technologien zu vollziehen.

Für Anlagen, die ihre Automatisierungsinfrastruktur modernisieren, ergänzen diese Technologien zunehmend fortschrittliche PLC- 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 bieten für viele Anwendungen einen zuverlässigen Betrieb.

Hydraulische Systeme dominieren weiterhin Anwendungen, die extrem hohe Kräfte erfordern, darunter Pressen, Schwermaschinen, Metallumformanlagen und große Industrieaktoren.

Trotz dieser Vorteile bringen fluidtechnische Technologien mehrere betriebliche Herausforderungen mit sich.

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

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

Elektrische Aktuatoren begegnen vielen dieser Probleme direkt.

• Kein Verbrauch von Druckluft
• Keine Wartung von Hydraulikflüssigkeit
• Keine Sorgen über Leckagen
• Geringere Betriebsgeräusche
• Verbesserte Positioniergenauigkeit
• Programmierbare Bewegungsprofile
• Integrierte Diagnose
• Höhere Energieeffizienz

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

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

Die traditionelle Komplexität elektrischer Bewegungssysteme

Obwohl elektrische Aktuatoren erhebliche Leistungsvorteile bieten, erfordern herkömmliche servobasierte Bewegungssysteme oft deutlich mehr Engineering-Aufwand als pneumatische Installationen.

Eine konventionelle elektrische Lösung zur Bewegungssteuerung 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 für die Konfiguration, Inbetriebnahme und Wartung eines herkömmlichen Bewegungssteuerungssystems erforderliche Engineering-Aufwand übersteigt bei einfachen Anwendungen mit linearer Bewegung oft den Nutzen.

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

Das Konzept des SMC e-Actuator verstehen

Die SMC-EQFS-e-Actuator-Serie verfolgt einen praxisorientierten Ansatz für die Bewegungssteuerung.

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

Diese Architektur reduziert die Komplexität der Installation erheblich.

Der integrierte Controller übernimmt automatisch:

• Positionsregelung
• Motor-Kommutierung
• Beschleunigungssteuerung
• Verzögerungssteuerung
• Positionsrückmeldung
• Bewegungsablaufsteuerung
• Fehlerüberwachung

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

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

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

Integrierte Controller: Vereinfachung der Implementierung elektrischer Bewegungen

Eine der größten Hürden für die Einführung elektrischer Aktoren war historisch die Komplexität der Controller.

Herkömmliche Servosysteme erfordern häufig eine umfangreiche Konfiguration und spezielles Fachwissen.

Integrierte Controller-Architekturen vereinfachen die Implementierung, indem sie die Bewegungsintelligenz direkt in die Aktoreinheit integrieren.

Aus Sicht der Installation haben Ingenieure hauptsächlich mit drei Anschlüssen zu tun:

• 24-V-Gleichstromeingang
• 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 Aktor als ein einheitliches System arbeiten.

Vorteile der elektrischen Infrastruktur gegenüber Fluidsystemen

Ein häufig übersehener Vorteil elektrischer Aktoren betrifft die Infrastruktur der Anlage.

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

Diese Infrastruktur kann Folgendes umfassen:

• Druckluftkompressoren
• Trockner
• Filter
• Druckregler
• Speichertanks
• Verteilerleitungen
• Programme zur Leckageüberwachung

Hydraulische Systeme erfordern Investitionen in eine ebenso umfangreiche Infrastruktur.

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

Elektrische Antriebe machen viele dieser Maßnahmen überflüssig.

In den meisten Industrieanlagen ist bereits eine Infrastruktur zur Stromverteilung vorhanden. Elektrische Anschlüsse zu abgelegenen Bereichen zu erweitern, ist oft deutlich einfacher als die Installation neuer Druckluft- oder Hydrauliknetze.

Dieser Vorteil ist bei Erweiterungs- und Modernisierungsprojekten von Anlagen besonders wichtig.

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

Verständnis der Stromversorgungs- und I/O-Anschlüsse

Der e-Actuator nutzt eine unkomplizierte Verdrahtung, die den gängigen Praktiken 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 verwenden bereits 24-VDC-Stromversorgungsarchitekturen für Sensoren, Steuerungen, HMIs und Kommunikationsgeräte.

Diese Kompatibilität vereinfacht die Systemintegration.

Abbildung 3. Pinbelegung für Stromversorgung und digitale I/Os des integrierten Controllers.

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

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

Das Verständnis dieses Zusammenhangs ist 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 Antriebe in Systeme von Allen-Bradley ControlLogix, Siemens SIMATIC S7 oder Schneider Modicon Quantum integrieren, sollten bei der Installation die üblichen Vorgehensweisen für gemeinsame Bezugspotenziale überprüfen.

Industrielle Anwendungen, die am meisten von elektrischen Antrieben profitieren

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

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

Beispiele hierfür sind:

• Verpackungsmaschinen
• Pick-and-Place-Systeme
• Montageanlagen
• Elektronikfertigung
• Pharmazeutische Verarbeitung
• Lebensmittel- und Getränkeproduktion
• Laborautomation
• Halbleiteranlagen

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

Elektrische Antriebe bieten Vorteile, die mit herkömmlichen fluidtechnischen Systemen 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 Konnektivität, Diagnosen, Effizienz und betriebliche Transparenz ausgerichtet sind.

Softwarekonfiguration: Wo elektrische Bewegung praxisnah wird

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

Herkömmliche Plattformen für die Bewegungssteuerung erfordern häufig eine umfangreiche Parametrierung, Kommunikationszuordnung, Achskonfiguration, Tuning-Verfahren und Programmierkenntnisse.

Das Ziel der e-Actuator-Plattform unterscheidet sich grundlegend.

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

Dieser Ansatz verkürzt die Inbetriebnahmezeit erheblich und bewahrt gleichzeitig die Leistungsvorteile elektrischer Bewegungen.

Die Konfigurationssoftware identifiziert automatisch das angeschlossene Antriebsmodell 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

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:

• Antriebstyp
• 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 Antriebe einsetzen, kann diese Funktion die Inbetriebnahmezeit erheblich verkürzen.

Inbetriebnahmetechniker können Konfigurationen schnell überprüfen, Einstellungen anpassen und den Betrieb validieren, ohne über umfangreiche Programmierkenntnisse zu verfügen.

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

Die Betriebsmodi im Überblick

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 deutlich verkürzt.

Die Plattform bietet drei grundlegende Betriebsmodi.

Einmagnetbetrieb

Dieser Modus funktioniert ähnlich wie ein pneumatisches Ventil mit Federrückstellung.

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

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

Dieser Betriebsmodus ist ideal für:

• Werkstückauswurfsysteme
• Einfache Positioniervorrichtungen
• Spannmechanismen
• Ausschleusklappen
• Beladestationen

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

Doppelmagnetbetrieb

Der Doppelmagnetbetrieb ahmt das Verhalten eines häufig in der pneumatischen Automatisierung eingesetzten 5/2-Wegeventils mit Doppelmagnet nach.

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

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

Dieser Ansatz bietet eine größere Flexibilität bei der Steuerung und ähnelt stark herkömmlichen industriellen Maschinendesigns.

Zu den Anwendungen gehören:

• Transfersysteme
• Materialhandhabungsgeräte
• Automatisierte Montagestationen
• Taktmechanismen
• Verpackungsanlagen

Modus mit geschlossener Mittelstellung

Der Modus mit geschlossener Mittelstellung bietet eine Funktion, die bei den meisten herkömmlichen pneumatischen Zylindern nicht verfügbar ist.

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

Dies ermöglicht eine Steuerung mit drei Positionen über nur zwei digitale Eingänge.

Die Möglichkeit, an einer konfigurierbaren Mittelposition anzuhalten, eröffnet Chancen für einen anspruchsvolleren Maschinenbetrieb, ohne dass eine vollständige Servobewegungssteuerung erforderlich ist.

Zu den Anwendungen gehören:

• Handhabung von Teilen an mehreren Positionen
• Sortiersysteme
• Inspektionsstationen
• Transfermechanismen
• Produktpositioniersysteme

Diese Funktionalität verdeutlicht einen der wesentlichen Vorteile, die elektrische Aktuatoren gegenüber herkömmlichen fluidtechnischen Technologien bieten.

Die Lücke zwischen Pneumatik und Servosteuerung schließen

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

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

Elektrische Aktuatoren nehmen innerhalb dieses Übergangs eine einzigartige Position ein.

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

Dieses Gleichgewicht ist besonders attraktiv für Maschinenbauer, die Anlagen für Kunden entwickeln, die möglicherweise nicht über spezielles Know-how in der Bewegungssteuerung verfügen.

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

Vorteile integrierter Bewegungsprofile

Eine der größten Einschränkungen pneumatischer Zylinder ist die fehlende präzise Bewegungssteuerung.

Obwohl Durchflussregler die Geschwindigkeit beeinflussen können, bleibt das Erreichen wiederholbarer Beschleunigungs- und Verzögerungsprofile schwierig.

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

Dies führt häufig zu:

• Mechanischer Stoß
• Produktschäden
• Geräuschentwicklung
• Komponentenverschleiß
• Verringerte Positioniergenauigkeit

Elektrische Aktuatoren lösen diese Probleme durch programmierbare Bewegungsprofile.

Die Steuerung regelt die Motorleistung kontinuierlich, um entlang des gesamten Verfahrwegs eine kontrollierte Bewegung zu erreichen.

Das führt zu einem ruhigeren Betrieb, einer verbesserten Wiederholgenauigkeit und einer längeren Lebensdauer der Ausrüstung.

In Fertigungsumgebungen mit hohen Geschwindigkeiten kann die Reduzierung von Stoßkräften die Maschinenzuverlässigkeit und Produktqualität erheblich verbessern.

Dieser Vorteil allein rechtfertigt häufig den Umstieg von pneumatischen Systemen auf elektrische Bewegungstechnologien.

Konfiguration von Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Positionsparametern

Der vielleicht größte Vorteil, den elektrische Aktuatoren gegenüber fluidbetriebenen Systemen bieten, ist die vollständige Kontrolle über die Bewegungseigenschaften.

Bei Pneumatikzylindern stellen Ingenieure typischerweise 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 dem Verschleiß der Komponenten variieren.

Elektrische Aktuatoren eliminieren diese Variablen, indem sie die direkte Definition von Bewegungsparametern in der Steuerung ermöglichen.

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

• Beschleunigungsrate
• Maximale Verfahrgeschwindigkeit
• Verzögerungsrate
• Zielpositionen
• Zwischenpositionen
• Verfahrzeiten

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

Mit der Weiterentwicklung der Produktionssysteme gewinnt die Bewegungsqualität zunehmend an Bedeutung.

Bei älteren Fertigungsanlagen hatte die Geschwindigkeit oft oberste Priorität. Solange der Zylinder schnell aus- und einfuhr, erfüllte das System sein Ziel.

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 Anlagen 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:

• Reduzierte mechanische Stoßbelastung
• 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 Montageprozessen von Bedeutung.

Konfigurierbare Positionierung über mechanische Endanschläge hinaus

Herkömmliche Pneumatikzylinder arbeiten typischerweise zwischen zwei festen mechanischen Endanschlägen.

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

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 Packungsgrößen
• Flexible Montageprozesse
• Automatisierte Umrüstvorgänge
• Adaptive Produktionssysteme

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

Anstatt die Maschinen zwischen den 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 der Fluidtechnik auf elektrische Antriebstechnik 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 in der Regel nur begrenzte Rückmeldungen.

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

Elektrische Aktoren erzeugen naturgemäß wesentlich umfangreichere Betriebsdaten.

Beispiele hierfür sind:

• Positionsrückmeldung
• Bewegungsstatus
• Zykluszähler
• Fehlerzustände
• Verfahrzeiten
• Leistungstrends
• Betriebsverlauf

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

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

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.

Weitere Verluste entstehen durch:

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

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

Elektrische Aktoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Bewegung um.

Dieser direkte Umwandlungsprozess erreicht im Allgemeinen eine deutlich höhere Gesamtsystemeffizienz.

Bei Anlagen, die Hunderte von Aktoren über mehrere Produktionslinien hinweg betreiben, können sich die kumulierten Energieeinsparungen erheblich summieren.

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

Wartungsaufwand reduzieren

Wartungsaspekte gehen über den Energieverbrauch hinaus.

Fluidtechnische Systeme erfordern kontinuierliche Aufmerksamkeit, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Zu den üblichen Wartungsarbeiten gehören:

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

Elektrische Antriebe machen viele dieser Maßnahmen überflüssig.

Obwohl mechanische Komponenten weiterhin regelmäßig inspiziert werden müssen, vereinfachen der Verzicht auf Druckluft und Hydraulikflüssigkeiten langfristige Instandhaltungsstrategien.

Viele Anlagen, die Instandhaltungsprogramme mit Schwerpunkt auf Zuverlässigkeit verfolgen, betrachten elektrische Bewegungssysteme zunehmend als Möglichkeit, ungeplante Stillstandszeiten und den Wartungsaufwand zu reduzieren.

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

Industrielle Anwendungen, bei denen elektrische Antriebe den größten Nutzen bieten

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

Nicht jede Maschine profitiert gleichermaßen 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, Produktwechsel oder mehrere Betriebsmodi erfordern, profitieren jedoch häufig von elektrischen Lösungen.

Zu den erfolgreichsten Einsatzbereichen gehören:

• Automatisierte Montagesysteme
• Verpackungsmaschinen
• Anlagen zum Verpacken von Kartons
• Produktprüfstationen
• Robotergestützte Transfersysteme
• Elektronikfertigungslinien
• Produktion 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 für:

• Produktpositionierung
• Kartonhandling
• Torsteuerung
• Ausschleusen von Teilen
• Kartonbeladung
• Etikettenpositionierung

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

Mechanische Anpassungen werden immer dann erforderlich, wenn 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.

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

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

Viele OEMs für Verpackungsanlagen kombinieren inzwischen elektrische Antriebe mit industriellen HMI-Systemen, um benutzerfreundliche Einrichtungsoberflächen zu schaffen, die die Bedienung der Maschine vereinfachen.

Automatisierte Montagesysteme

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

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

Elektrische Antriebe bieten eine wiederholbare Positionierleistung, die Folgendes unterstützt:

• Komponenteneinsetzen
• Presspassmontage
• Positionierung von Befestigungselementen
• Steckerinstallation
• 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

Betriebe der Lebensmittelherstellung 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 Senkung des Gesamtluftverbrauchs kann die Energieeffizienz erheblich verbessern.

Elektrische Antriebe bieten weitere 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 ständig unter Druck, den Engineering-Aufwand zu reduzieren und gleichzeitig die Maschinenleistung zu verbessern.

Integrierte elektrische Antriebe helfen, beide Ziele zu erreichen.

Herkömmliche Bewegungssysteme erfordern häufig die Koordination mehrerer Lieferanten, darunter Hersteller von Antrieben, Antriebsreglern, Kabeln und Steuerungssystemen.

Eine integrierte Antriebsplattform bündelt einen Großteil dieser Komplexität.

Zu den Vorteilen für OEMs gehören:

• Reduzierte Komponentenanzahl
• Vereinfachte elektrische Auslegung
• 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 Antriebe 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 Antriebscontroller die Bewegungsberechnungen intern durchführt, muss die SPS lediglich einfache Befehlssignale bereitstellen.

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

Wann pneumatische Systeme weiterhin sinnvoll sind

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

Ingenieure sollten die Anforderungen objektiv bewerten, statt anzunehmen, dass neuere Technologien automatisch die beste Lösung bieten.

Pneumatikzylinder bleiben häufig vorteilhaft, wenn:

• Extrem hohe Taktzahlen sind erforderlich
• Die Positioniergenauigkeit ist nicht entscheidend
• Eine bestehende Druckluftinfrastruktur ist vorhanden
• Die anfänglichen Kosten sind das wichtigste Kriterium
• 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 weiter voran:

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

Integrierte elektrische Aktoren begegnen vielen dieser Herausforderungen gleichzeitig.

Sie ermöglichen erweiterte Diagnosefunktionen, einen softwarekonfigurierbaren Betrieb, eine höhere Energieeffizienz und eine vereinfachte Wartung und bleiben dabei für Techniker, die mit herkömmlichen Automatisierungssystemen vertraut sind, zugänglich.

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

Fazit

Elektrische Aktoren 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 kann und gleichzeitig die Präzision, Flexibilität und Effizienzvorteile moderner Motorsteuerungstechnologie bietet.

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

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