Servoantrieb vs. Frequenzumrichter: Worin liegt der Unterschied?
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A Servoantrieb Es ist als Teil eines geschlossenen Bewegungsregelsystems konzipiert. Es nutzt kontinuierlich die Rückmeldung eines Encoders oder eines anderen Positionssensors, um Position, Drehzahl und Drehmoment des Motors zu steuern. Es eignet sich, wenn die Maschine eine definierte Position anfahren, einem Bewegungsprofil folgen, sich mit einer anderen Achse synchronisieren oder schnell auf eine sich ändernde Last reagieren muss.
Ein Wechselrichter, Ein Frequenzumrichter (auch als Drehzahlregler oder Wechselstromantrieb bezeichnet) dient primär der Steuerung von Motordrehzahl und -drehmoment durch Änderung der Frequenz und Spannung. Er kommt zum Einsatz, wenn ein effizienter, drehzahlvariabler Betrieb von Förderbändern, Pumpen, Ventilatoren, Mischern, Kompressoren, Spindeln oder anderen rotierenden Lasten erforderlich ist.
Das ist der praktische Unterschied, aber keine absolute technische Grenze. Moderne Vektorumrichter können Encoder-Rückmeldung nutzen, das Drehmoment regeln und begrenzte Positionierungen durchführen. Servoantriebe enthalten ebenfalls eine Umrichter-Leistungsstufe und können im Drehzahl- oder Drehmomentmodus kontinuierlich betrieben werden. Die richtige Wahl hängt von den Bewegungsanforderungen ab, nicht von der Bezeichnung des Antriebs.
Dieser Artikel erklärt, wo sich die beiden Technologien unterscheiden, wo sie sich überschneiden und wie man die richtige Technologie auswählt, ohne für eine Leistung zu bezahlen, die die Maschine nicht nutzen kann, oder eine Kontrolle zu akzeptieren, die die Maschine nicht erfüllen kann.
Servoantrieb vs. Wechselrichter im Überblick
| Auswahlpunkt | Servoantrieb und Servomotor | Wechselrichter/Frequenzumrichter und Wechselstrommotor |
|---|---|---|
| Hauptzweck | Präzise Positions-, Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung | Einstellbare Drehzahl und Drehmoment für rotierende Geräte |
| Normales Feedback | Der Motor-Encoder bzw. Resolver ist Teil des Regelkreises | Oft sensorlos; bei geeigneten Vektorantrieben ist eine Encoder-Rückmeldung verfügbar. |
| Typische Kontrollstruktur | Verschachtelte Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsschleifen | V/f-, sensorlose Vektor-, PM-Regelung oder geschlossener Vektor-Regelkreis, je nach Modell |
| Positionierung | Eine Kernfunktion des Servosystems | Eine grundlegende Positionierung ist bei einigen Modellen möglich; nicht bei allen. |
| Dynamisches Verhalten | Entwickelt für schnelle Beschleunigung, Verzögerung und Störungskorrektur | Üblicherweise optimiert für eine reibungslose, stabile Maschinen- oder Prozessgeschwindigkeitsregelung |
| Betrieb mit niedriger Drehzahl | Starkes, kontrolliertes Drehmoment bei sehr niedriger oder Nulldrehzahl innerhalb der Systemgrenzen | Hängt stark von der Steuerart, der Encoder-Rückmeldung, der Motorkühlung und der Antriebsleistung ab. |
| Motor | Üblicherweise ein passender Permanentmagnet-Servomotor mit Rückkopplung | Üblicherweise ein Induktionsmotor; viele moderne Frequenzumrichter unterstützen auch zugelassene Permanentmagnetmotoren. |
| Kurzzeitdrehmoment | Servosysteme liefern üblicherweise ein beträchtliches Spitzendrehmoment für die Beschleunigung, abhängig von der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie und dem Tastverhältnis. | Die Überlastfähigkeit hängt von der Nennleistung (normales, hohes oder konstantes Drehmoment) und der zulässigen Dauer ab. |
| Mehrachsensynchronisation | Eigene Stärke in Kombination mit einem Bewegungscontroller und einem deterministischen Netzwerk | Bei leistungsstärkeren Systemen möglich, aber nicht der Hauptzweck eines einfachen Frequenzumrichters. |
| Inbetriebnahme | Motoranpassung, Encoder-Einrichtung, Abstimmung, Trägheit, Bewegungsprofil und Mechanik | Motordaten, Steuermodus, Beschleunigung/Verzögerung, Ein-/Ausgänge, Grenzwerte und Anwendungsparameter |
| Typische Systemkosten | Üblicherweise höher, da das System einen passenden Motor, Rückkopplung, Kabel und Bewegungstechnik umfasst. | Im Normalfall ist der Wert niedriger für Dauerdrehzahlbetrieb, insbesondere bei Standard-Wechselstrommotoren. |
| Gängige Anwendungen | Verpackungsregistrierung, Indexierung, Roboter, elektronische Kurvenscheiben, fliegender Schnitt, CNC-Vorschubachsen, Pick-and-Place | Pumpen, Ventilatoren, Förderbänder, Mischer, Extruder, Kompressoren, allgemeine Spindeln, Prozessanlagen |
Die Tabelle beschreibt typische Anwendungsfälle, sie stellt keine Regel für jedes Produkt dar. Mitsubishi Der FR-E800 kann beispielsweise Vektorsteuerung und Positionierung mit der erforderlichen Option und Motorkonfiguration bereitstellen. Schneider Der ATV320 unterstützt die Regelung verschiedener Motortypen im offenen Regelkreis und bietet über die grundlegende V/f-Regelung hinausgehende Maschinenfunktionen. Vergleichen Sie die einzelnen Modelle und Optionen, bevor Sie eine endgültige Entscheidung treffen.
Was ist ein Servoantrieb?
Ein Servoantrieb ist das Leistungs- und Steuergerät zwischen einem Bewegungscontroller und einem Servomotor.
Die Steuerung sendet einen Befehl, z. B. für Zielposition, -geschwindigkeit oder -drehmoment. Der Servoantrieb versorgt den Motor mit geregeltem Drehstrom und liest die Rückmeldung des Encoders aus. Er berechnet die Differenz zwischen Soll- und Ist-Bewegung und korrigiert den Motorstrom kontinuierlich.
Eine typische industrielle Servoachse enthält:
- Eine SPS, PAC, CNC, Robotersteuerung oder ein dedizierter Bewegungscontroller
- Ein Servoantrieb, manchmal auch Servoverstärker genannt
- Ein kompatibler Dreh-, Linear- oder Direktantriebs-Servomotor
- Ein Encoder oder Resolver, oft im Motor integriert
- Motorleistung, Rückkopplung und Bremskabel
- Eine Kupplung, ein Getriebe, ein Riemen, eine Kugelumlaufspindel, eine Zahnstange oder eine direkte mechanische Last
- Endschalter, Referenzsensoren und Sicherheitsvorrichtungen, wo erforderlich
Aktuelle Systeme kombinieren häufig Befehls- und Diagnosedaten über EtherCAT, CC-Link IE TSN, PROFINET, EtherNet/IP mit Bewegungssteuerung, SERCOS oder einem herstellerspezifischen Bewegungsnetzwerk. Impuls- und analoggesteuerte Servoantriebe sind bei Einzelplatzmaschinen und älteren Geräten weiterhin verbreitet.
Die aktuelle MELSERVO-J5-Produktreihe von Mitsubishi Electric unterstützt beispielsweise Positions-, Geschwindigkeits-, Drehmoment- und vollständig geschlossene Regelung bei entsprechenden Verstärkerversionen. Omrons 1S-Servosysteme kombinieren EtherCAT-Kommunikation mit hochauflösender Encoder-Rückmeldung. Die Lexium-Produktreihe von Schneider Electric ist für anspruchsvolle Bewegungssteuerungsanwendungen konzipiert.
Wichtig ist, dass ein Servoantrieb nur ein Teil des Servosystems ist. Seine Leistungsfähigkeit hängt vom Motor, dem Encoder, der Aktualisierungsrate des Reglers, dem Netzwerk, der Abstimmung, der Lastträgheit, der Kupplung, dem Getriebe, der Maschinensteifigkeit und dem Bewegungsprofil ab.
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Was ist ein Wechselrichter oder Frequenzumrichter?
In der industriellen Automatisierung bezeichnet der Begriff Wechselrichter üblicherweise einen Frequenzumrichter. Die interne Leistungsumwandlung erfolgt typischerweise in drei Stufen:
- Die Wechselstrom-Eingangsspannung wird in Gleichstrom umgewandelt.
- Kondensatoren erzeugen und stabilisieren einen Gleichstromzwischenkreis.
- Leistungstransistoren schalten den Gleichstromzwischenkreis in einen geregelten dreiphasigen Wechselstromausgang um.
Durch die Änderung von Ausgangsfrequenz und -spannung steuert der Frequenzumrichter die Motordrehzahl und den magnetischen Fluss. Modernere Umrichter schätzen oder messen die Motorbedingungen, um Drehzahl und Drehmoment genauer zu regeln.
Gängige VFD-Steuerungsmodi sind:
- V/f-Regelung: einfache Spannungs-Frequenz-Regelung für allgemeine Lasten
- Sensorlose Vektorregelung: Verbesserte Drehmoment- und Drehzahlregelung ohne Motorgeber
- Geschlossene Vektorregelung: Encoder-Rückkopplung für präzisere Drehzahl- und Drehmomentregelung
- PM-Motorsteuerung: Steuerungsalgorithmen für unterstützte Permanentmagnetmotoren
- Anwendungssteuerung: Funktionen wie PID, fliegender Anlauf, Bremslogik, Drehmomentbegrenzungen, einfache Positionierung, Wicklung oder Pumpensteuerung
Mitsubishi beschreibt FREQROL-Frequenzumrichter als Frequenzumrichter zur flexiblen Drehzahlregelung von Drehstrommotoren. Die aktuelle Baureihe FR-E800 unterstützt Induktions- und zugelassene Permanentmagnetmotoren und bietet Regelungsmöglichkeiten von V/f-Regelung bis hin zu Vektorregelung und Positionssteuerung in entsprechenden Konfigurationen. Der ATV320 von Schneider Electric ist ein OEM-Maschinenantrieb zur Regelung von Asynchron- und Synchronmotoren im offenen Regelkreis mit sensorloser Vektorregelung und Anwendungsfunktionen.
Daher ist die Definition “Frequenzumrichter = offener Regelkreis” nicht mehr zuverlässig. Die Unterscheidung ist vielmehr folgende: Ein Frequenzumrichter wird üblicherweise anhand einer kontinuierlichen oder zyklischen Motorlast ausgewählt, während ein Servosystem anhand eines erforderlichen Bewegungsprofils und einer bestimmten Nachführgenauigkeit ausgewählt wird.
1. Der Hauptunterschied liegt im Kontrollziel.
Die zentrale Frage lautet: Benötigt die Maschine eine kontrollierte Geschwindigkeit oder eine kontrollierte Bewegung?
Ein Frequenzumrichter sorgt üblicherweise dafür, dass ein Motor mit der gewünschten Drehzahl und dem gewünschten Drehmoment läuft. Soll ein Förderband beispielsweise mit 35 Hz betrieben werden, beschleunigt der Umrichter auf diesen Betriebspunkt und hält ihn bei Laständerungen konstant. Die Maschine benötigt dabei unter Umständen keine exakte Winkelposition der Motorwelle.
Eine Servoachse ist üblicherweise für das Abfahren einer vorgegebenen Bahn verantwortlich. Wenn sich ein Drehtisch um 90 Grad drehen, in einem definierten Bereich stabilisieren, auf einen Vorgang warten und anschließend wieder indexieren muss, sind die Position von Steuerung und Antrieb während der gesamten Bewegung entscheidend. Beschleunigung, Geschwindigkeit, Verzögerung, Ruck, Drehmomentbegrenzung und Bahnfehler spielen dabei eine wichtige Rolle.
Der Unterschied wird bei einer Störung deutlich. Wenn eine Last eine Servoachse von ihrer Sollposition wegdrückt, erkennt der Regelkreis den Positionsfehler und wendet innerhalb der Systemgrenzen ein Korrekturdrehmoment an. Ein drehzahlgeregelter Frequenzumrichter kann zwar die Drehzahl korrigieren, kennt aber nicht unbedingt die exakte verlorene Position oder kann diese wiederherstellen.
2. Feedback verändert, was das System weiß.
Ein Servomotor verfügt üblicherweise über einen direkt mit dem Servoantrieb verbundenen Encoder oder Resolver. Der Antrieb kennt daher die Rotorposition und kann Drehzahl und Drehmoment mit hoher Bandbreite schätzen oder regeln.
Viele moderne Servosysteme verwenden Absolutwertgeber. Ein solches System kann die Achsenposition je nach Konstruktion, Konfiguration und Batterieanforderungen auch nach mehreren Stromzyklen beibehalten oder wiederherstellen. Dies kann die Referenzfahrtzeit verkürzen, ersetzt aber nicht die Notwendigkeit einer sicheren Anlauflogik, von Verfahrwegbegrenzungen oder einer mechanischen Überprüfung.
Ein einfacher Frequenzumrichter arbeitet oft ohne Motorrückmeldung. Er schätzt das Motorverhalten anhand von Ausgangsstrom, Spannung, Frequenz und einem Motormodell. Dies ist für eine Vielzahl industrieller Verbraucher ausreichend.
Die Integration eines Encoders in einen geeigneten Vektor-Frequenzumrichter verbessert die Regelung niedriger Drehzahlen und die Drehmomentsteuerung. Sie ermöglicht unter Umständen auch Positionierfunktionen. Allerdings macht ein Encoder allein das System nicht mit einem Servo vergleichbar. Die Regelkreisbandbreite, der Positionsplaner, die Netzwerksynchronisation, die Motorträgheit, die Encoderschnittstelle und die mechanische Konstruktion bestimmen weiterhin die Leistungsfähigkeit.
Beachten Sie außerdem, dass die Encoderauflösung nicht der Maschinengenauigkeit entspricht. Spiel, Kupplungsnachgiebigkeit, Riemendehnung, Kugelgewindetriebfehler, Wärmeausdehnung, Rahmensteifigkeit und Sensormontage können das Endergebnis maßgeblich beeinflussen. Ein hochauflösender Motor-Encoder kann Bewegungsverluste nach einem flexiblen Getriebe nur dann erfassen, wenn das System lastseitige Rückmeldung nutzt und eine vollständig geschlossene Regelung unterstützt.
3. Servomotoren und Frequenzumrichtermotoren sind unterschiedlich konstruiert.
Ein industrieller AC-Servomotor ist üblicherweise ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit integrierter Rückkopplungseinrichtung. Er ist für schnelles Ansprechverhalten, hohe Drehmomentdichte, geringe Rotorträgheit, schnelle Beschleunigung und geregelten Betrieb über einen weiten Drehzahlbereich ausgelegt.
Ein Frequenzumrichter steuert üblicherweise einen Standard- oder Umrichter-Induktionsmotor. Diese Motoren sind robust, weit verbreitet und über einen breiten Leistungsbereich wirtschaftlich. Viele moderne Frequenzumrichter können auch bestimmte Permanentmagnetmotoren ansteuern; hierbei müssen jedoch der vom Umrichter zugelassene Motortyp und die Einstellmethode überprüft werden.
Die Kombination aus Motor und Antrieb ist in beiden Fällen entscheidend.
Servomotoren und -antriebe werden üblicherweise als kompatibles Paar ausgewählt. Encoderprotokoll, Rückkopplungsspannung, Poldaten, Temperatursensor, Bremssteuerung, Kabelbelegung und Motorkonstanten müssen übereinstimmen. Zwei Motoren mit gleicher Nennleistung und Steckerform sind nicht unbedingt austauschbar.
Ein Frequenzumrichter bietet mehr Flexibilität bei der Auswahl kompatibler Standardmotoren, doch auch diese Flexibilität hat Grenzen. Prüfen Sie Spannung, Nennstrom, Grundfrequenz, Isolierung, Kühlung, Anforderungen für explosionsgefährdete Bereiche, Kabellänge, Lagerstrombegrenzung und Eignung für den Betrieb mit einem Frequenzumrichter.
Schließen Sie einen Servomotor nicht an einen universellen Frequenzumrichter an, nur weil Spannung und Leistung ähnlich erscheinen. Einige moderne Umrichter können bestimmte Permanentmagnet-Servomotoren ansteuern, jedoch nur, wenn der Regelalgorithmus, die Rückkopplung, die Motordaten, die Drehzahlbegrenzungen und die Schutzfunktionen explizit unterstützt werden.
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4. Drehzahlbereich und Drehmoment bei niedriger Drehzahl sind nicht dasselbe.
Eine Pumpe oder ein Ventilator benötigt selten das Nenndrehmoment bei Stillstand. Eine Vertikalachse, ein Teilapparat, eine Spannwalze oder ein Pressenvorschub benötigen hingegen unter Umständen ein erhebliches Drehmoment bei langsamer Bewegung oder beim Halten einer Position.
Servosysteme sind für die kontrollierte Drehmomentregelung bei sehr niedrigen Drehzahlen ausgelegt und können innerhalb der Dauer- und Spitzenwerte der gewählten Motor-Antriebs-Kombination auch bei Stillstand ein Drehmoment erzeugen. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Motors, die Wicklung, das thermische Modell, die Kühlung und der Betriebspunkt bleiben dabei relevant.
Ein Frequenzumrichter im V/f-Betrieb verliert normalerweise an Drehmomentqualität, wenn die Drehzahl gegen Null geht. Sensorlose Vektorregelung verbessert das Verhalten bei niedrigen Drehzahlen deutlich. Geschlossene Vektorregelung mit Encoder kann in geeigneten Systemen ein geregeltes Drehmoment bei oder nahe Nulldrehzahl bereitstellen.
Die technische Frage lautet nicht: “Kann es ein Drehmoment erzeugen?”, sondern:
- Welches kontinuierliche Drehmoment ist bei minimaler Drehzahl erforderlich?
- Wie lange muss es dort halten oder funktionieren?
- Ist der Motor selbstkühlend, separat belüftet oder flüssigkeitsgekühlt?
- Welche Drehzahlgenauigkeit ist bei Laständerungen erforderlich?
- Ist die Wellenposition während der Niedriggeschwindigkeitsphase wichtig?
- Was geschieht nach einem Stromausfall oder einer Sicherheitsabschaltung?
Ein Motor, der kurzzeitig ausreichend Drehmoment erzeugt, kann bei längerem Betrieb mit niedriger Drehzahl dennoch überhitzen. Prüfen Sie den zulässigen Betriebsbereich des Motors, anstatt sich auf die Spitzenstromangabe des Umrichters zu verlassen.
5. Dynamisches Ansprechverhalten begünstigt das Servosystem
Servosysteme werden normalerweise dann gewählt, wenn die Maschine häufige und schnelle Änderungen der Geschwindigkeit oder Richtung erfordert.
Beispiele hierfür sind:
- Indexieren eines Drehtisches mehrmals pro Sekunde
- Korrektur der Filmregistrierung an einer Verpackungsmaschine
- Nach einem elektronischen Kameraprofil
- Synchronisierung eines Schneidgeräts mit einem sich bewegenden Bahn
- Bewegung einer Roboterachse entlang einer kontrollierten Bahn
- Ein Werkzeug in Position bringen und es unter wechselnder Kraft halten
Die geringe Trägheit des Servomotors und die schnellen Regelkreise für Strom, Drehzahl und Position des Antriebs ermöglichen eine rasche Korrektur. Der Bewegungsregler erzeugt eine Trajektorie, die Geschwindigkeits-, Beschleunigungs-, Verzögerungs- und oft auch Ruckgrenzwerte einhält.
Ein Frequenzumrichter kann bei korrekter Dimensionierung, insbesondere mit Vektorsteuerung und Bremsvorrichtungen, schnell beschleunigen und abbremsen. Für viele Förderbänder und Spindeln ist sein Ansprechverhalten mehr als ausreichend. Eine schnelle Rampe ist jedoch nicht dasselbe wie eine Bewegungssteuerung mit hoher Bandbreite. Wenn die Anwendung enge Toleranzen für den Folgefehler aufweist oder die Position mit einer anderen Achse synchronisiert werden muss, sollte die Frequenzumrichterlösung unter realer Last getestet werden, bevor sie standardisiert wird.
6. Die Positionierung ist der Punkt, an dem der Unterschied praktisch sichtbar wird.
Wenn eine Achse wiederholt an einer exakten mechanischen Position anhalten muss, ist Servotechnik in der Regel die erste Technologie, die in Betracht gezogen wird.
Servosysteme unterstützen die Positionierung je nach Modell durch Impulsbefehle, interne Indextabellen oder Netzwerkbewegungsbefehle. Bewegungssteuerungen können Getriebe, Kurvenfahrten, Interpolation, Registrierung, Referenzfahrt, Messtastererfassung und Mehrachsensynchronisation koordinieren.
Einige moderne Frequenzumrichter unterstützen die einfache Positionierung über Impulseingang, Encoder-Zählungen, Endschalter oder interne Logik. Der Mitsubishi FR-E800 beispielsweise bietet die Positionierung unter Vektorsteuerung an, wenn die entsprechende Rückkopplungsoption verwendet wird. Der Omron MX2-V2 verfügt über einfache Positionierungsfunktionen.
Diese Funktionen können sehr nützlich sein für:
- Ein Förderband, das sich zwischen einer kleinen Anzahl von Stationen bewegt.
- Eine Tür, ein Tor oder ein Transfermechanismus mit mäßiger Genauigkeit
- Ein Wickel- oder Hebesystem, das bereits eine Vektorregelung im geschlossenen Regelkreis benötigt.
- Eine Nachrüstung, bei der der Austausch eines großen Induktionsmotors durch einen Servomotor unpraktisch wäre
Sie sollten nicht als gleichwertig mit einer koordinierten Servoachse angesehen werden. Überprüfen Sie Positionsauflösung, Wiederholgenauigkeit, Einschwingzeit, Befehlsschnittstelle, Referenzfahrtverfahren, maximale Impulsrate, Encoderposition, Umkehrspiel und Verhalten nach Stromausfall.
7. Drehmoment- und Leistungsdimensionierung folgen unterschiedlichen Arbeitsabläufen
Dimensionierung eines Wechselrichters
Bei einem Frequenzumrichter beginnen Sie mit dem auf dem Typenschild des Motors angegebenen Nennstrom bei der tatsächlichen Versorgungsspannung. Überprüfen Sie anschließend Folgendes:
- Den kontinuierlichen Ausgangsstrom unter der gewählten Einschaltdauer liefern
- Erforderlicher Überlaststrom und Dauer
- Lastcharakteristik mit konstantem oder variablem Drehmoment
- Umgebungstemperatur, Höhe, Trägerfrequenz und Montageart Beeinträchtigung
- Anlauf- und Losbrechmoment
- Mindestdrehzahl und Motorkühlung
- Beschleunigungs- und Verzögerungsenergie
- Bremswiderstand, Bremsanlage, gemeinsamer Gleichstromzwischenkreis oder regenerative Anforderung
- Motorkabellänge, EMV, Ausgangsdrossel und Motorisolierung
Wählen Sie einen Frequenzumrichter nicht allein anhand der Motorleistung in Kilowatt aus. Umrichter mit gleicher Nennleistung können unterschiedliche Ströme im Normal- und Überlastbetrieb aufweisen.
Dimensionierung eines Servosystems
Bei einem Servo beginnt man mit dem Bewegungsprofil und der Mechanik. Berechnen oder simulieren Sie:
- Lastmasse und Trägheitsmoment
- Übersetzungsverhältnis, Steigung der Spindel, Riemenscheibendurchmesser und mechanischer Wirkungsgrad
- Erforderliche Fahrstrecke, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Verzögerung und Verweilzeit
- Reibung, Schwerkraft, Prozesskraft und äußeres Stördrehmoment
- Maximales Drehmoment während des anstrengendsten Teils des Zyklus
- Effektivwert des Drehmoments über den gesamten Wiederholungszyklus
- Maximale Motordrehzahl und das bei dieser Drehzahl verfügbare Drehmoment
- Verhältnis der Trägheitskräfte von Motor und Last sowie Einstellspielraum
- Beim Abbremsen oder Absenken zurückgewonnene Energie
- Getriebespiel, Torsionssteifigkeit und zulässiger Positionierungsfehler
Das Spitzendrehmoment gibt an, ob die Achse die Bewegung ausführen kann. Das Effektivdrehmoment gibt an, ob die Bewegung ohne Überhitzung wiederholt werden kann. Beide Werte müssen innerhalb der vom Hersteller vorgegebenen Drehmoment-Drehzahl- und Belastungsgrenzen liegen.
Eine Überdimensionierung des Servomotors ist nicht automatisch sicherer. Ein größerer Motor kann die Rotorträgheit erhöhen, die Justierung erschweren und einen größeren Antrieb, ein größeres Kabel, ein größeres Getriebe und ein größeres Bedienfeld erfordern. Wählen Sie das passende Bewegungsprofil und überprüfen Sie anschließend die Achse mithilfe des Dimensionierungstools des Herstellers und der tatsächlichen mechanischen Konstruktion.
8. Bremsen und Rekuperation gelten für beide
Sowohl Frequenzumrichter- als auch Servosysteme können beim Abbremsen oder wenn eine Überhollast den Motor antreibt, Energie vom Motor zurückgewinnen.
Der Gleichstromzwischenkreis kann nur eine begrenzte Menge dieser Energie aufnehmen. Je nach Anforderung benötigt das System möglicherweise Folgendes:
- Eine längere Verzögerungszeit
- Ein externer Bremswiderstand
- Eine separate Bremseinheit
- Ein vom Hersteller zugelassener gemeinsamer Gleichstrombus.
- Ein regenerativer Umrichter oder ein regenerativer Antrieb
Servoanwendungen weisen häufig aggressive zyklische Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge auf, daher ist die Rückgewinnung von Energie Bestandteil der normalen Dimensionierung. Auch bei Frequenzumrichteranwendungen wie Hebezeugen, Zentrifugen, Förderbändern, Abwicklern und Ventilatoren mit hoher Massenträgheit kann dieses Problem auftreten.
Ein Bremswiderstand ist keine mechanische Haltebremse. Bei einer vertikalen Achse müssen Bremse, Antriebsmoment, Stoppsequenz, STO-Verhalten, Sicherheitssteuerung, Gegengewicht und Risikobewertung gemeinsam ausgelegt werden. Eine Motorhaltebremse dient im Allgemeinen dazu, eine gestoppte Achse zu halten, nicht aber dazu, wiederholte Betriebsbremsenergie aufzunehmen, sofern der Hersteller nicht ausdrücklich etwas anderes angibt.
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9. Kommunikation und SPS-Programmierung sind unterschiedlich.
Ein einfacher Frequenzumrichter lässt sich oft mit einem Betriebseingang und einem analogen Drehzahlsollwert steuern. Die Netzwerksteuerung erweitert die Steuerung um Befehlswörter, Drehzahl- oder Drehmomentsollwerte, Antriebsstatus, Strom, Frequenz und Fehlerdiagnose.
Eine Servoachse benötigt üblicherweise eine Bewegungssignalquelle. Je nach Architektur kann dies Folgendes sein:
- Puls und Richtung
- CW/CCW-Impulsfolge
- Analoge Drehzahl- oder Drehmomentsteuerung
- Interner Positionierungstisch
- Deterministisches Bewegungsnetzwerk, gesteuert durch ein SPS, PAC-, CNC- oder Robotersteuerung
Netzwerknamen allein belegen nicht die Bewegungsfähigkeit. Standardmäßige EtherNet/IP-, PROFINET-, Modbus TCP- oder herkömmliche Ethernet-Kommunikation eignen sich zwar für die Frequenzumrichtersteuerung und -diagnose, jedoch nicht für synchronisierte Mehrachsenbewegungen. Stellen Sie sicher, dass die Steuerung, das Netzwerkprofil, der Antrieb, der Aktualisierungszyklus, die Taktsynchronisation und die Bewegungsanweisungen die erforderliche Funktion unterstützen.
Definieren Sie für ein Servoprojekt Achseinheiten, Referenzfahrt, Softwaregrenzen, Bewegungszustände, Reaktion auf Folgefehler, Stoppkategorien, Fehlerbehebung und die Handhabung der Absolutposition. Definieren Sie für ein Frequenzumrichterprojekt die Befehlsquelle, die Referenzskalierung, Beschleunigung/Verzögerung, minimale und maximale Drehzahl, lokales/fernes Verhalten, Reaktion auf Kommunikationsverlust und die Neustartrichtlinie.
10. Die funktionale Sicherheit wird nicht durch die Antriebsart bestimmt.
Viele moderne Servoantriebe und Frequenzumrichter bieten eine sichere Drehmomentabschaltung (STO). Einige Modelle unterstützen zusätzliche Funktionen wie sicheren Stopp 1, sichere Drehzahlbegrenzung, sicheren Betriebsstopp, sichere Bremssteuerung oder sichere Positionsbegrenzung.
Funktionsumfang und Zertifizierungsstufe hängen von der genauen Antriebsversion, dem optionalen Sicherheitsmodul, dem Rückmeldegerät, der Firmware, der Verdrahtung und der Sicherheitsarchitektur ab. Ein Servoantrieb ist nicht automatisch sicherer, nur weil er über einen Encoder verfügt, und ein Frequenzumrichter ist nicht automatisch auf STO beschränkt.
Wählen Sie die Sicherheitsfunktionen aus der Maschinenrisikobewertung aus. Befolgen Sie anschließend die Anweisungen im Sicherheitshandbuch des Herstellers hinsichtlich Verdrahtung, Testintervallen, Konfiguration, Abnahmeprüfung und zulässigen Motor- oder Encoderbedingungen.
Vor Arbeiten an beiden Antriebstypen müssen alle Energiequellen getrennt, unerwartete mechanische Bewegungen verhindert, die angegebene Entladezeit abgewartet, die vollständige Entladung des DC-Zwischenkreises überprüft und die Installationsanleitung genau befolgt werden. Ein deaktivierter Ausgang oder ein erloschenes Display beweisen nicht automatisch die Sicherheit der Anschlüsse.
Wann sollte man sich für einen Wechselrichter entscheiden?
Wählen Sie einen Frequenzumrichter, wenn die primäre Anforderung in der Regel steuerbare Drehzahl und das Drehmoment und nicht in der präzisen Wellenposition liegt.
Es ist in der Regel die praktische Wahl für:
- Pumpen, Ventilatoren, Gebläse und Kompressoren
- Kontinuierliche Förderbänder und Schneckenförderer
- Mischer, Rührwerke und Zentrifugen
- Extruder und Prozesswalzen
- Allgemeine Maschinenspindeln
- HLK- und Wasseraufbereitungsanlagen
- Anwendungen, bei denen ein Standard-Industriemotor und ein breiter Leistungsbereich von Vorteil sind
- Energiesparende Steuerung von Lasten mit variablem Drehmoment
Ein Frequenzumrichter kann auch die bessere Lösung für eine Achse mit hoher Leistung oder mechanischer Robustheit sein, bei der eine Drehzahl- oder Drehmomentregelung im geschlossenen Regelkreis erforderlich ist, eine Positionierung auf Servoebene jedoch nicht.
Wann sollte man sich für einen Servoantrieb entscheiden?
Wählen Sie ein Servosystem, wenn der Prozess von Position, Synchronisation, schneller Reaktion oder kontrollierten Bewegungsprofilen abhängt.
Es ist in der Regel die praktische Wahl für:
- Indextabellen und Pick-and-Place-Mechanismen
- Verpackungsregistrierung und Ablängenachsen
- Elektronische Getriebe und Nocken
- CNC-Vorschubachsen und Werkzeugmaschinenpositionierung
- Robotergelenke und kartesische Portale
- Etikettierungs-, Druck- und Bahnregistrierungssysteme
- Hochzyklus-Montage- und Prüfgeräte
- Anwendungen, die nach Laststörungen eine schnelle Positionskorrektur erfordern
Der Vorteil eines Servos kommt nur dann zum Tragen, wenn Mechanik und Steuerung ihn auch nutzen können. Spiel, lose Kupplungen, flexible Gehäuse, mangelhafte Abstimmung, langsame SPS-Logik oder ein ungeeignetes Getriebe können die Leistung eines teuren Servosystems zunichtemachen.
Die Grauzone: Geschlossener Vektor-Frequenzumrichter oder Servo?
Manche Anwendungen bewegen sich zwischen normaler Geschwindigkeitsregelung und Hochleistungs-Bewegungssteuerung.
Ein Vektor-Frequenzumrichter mit geschlossenem Regelkreis ist möglicherweise die bessere Wahl, wenn:
- Die Motorleistung ist hoch, daher wird ein Induktionsmotor bevorzugt.
- Eine präzise Drehzahl- oder Drehmomentregelung ist erforderlich.
- Die Achse bewegt sich unter schwerer Last langsam.
- Eine einfache Positionierung genügt.
- Die vorhandene Mechanik und das Motorgehäuse erschweren einen Servoumbau.
- Die Anwendung betrifft eine Hebevorrichtung, eine Wickelmaschine, einen Extruder, einen Prüfstand oder eine Prozessachse und nicht einen schnellen Indexierer.
Ein Servo ist in der Regel die bessere Wahl, wenn:
- Die Achse muss einer Positionstrajektorie mit geringem Folgefehler folgen.
- Die Einschwingzeit beeinflusst direkt die Maschinenzykluszeit.
- Mehrere Achsen müssen elektronisch synchronisiert bleiben
- Wiederholtes Beschleunigen und Abbremsen dominieren den Arbeitszyklus.
- Registrierungs- oder Berührungsereignisse erfordern eine schnelle, deterministische Erfassung
- Kompakte Größe und hohe Drehmomentdichte rechtfertigen das passende Motorsystem
Bei einer Grenzanwendung sollte eine reale Achse getestet werden. Gemessen werden Drehzahlfehler, Folgefehler, Einschwingzeit, Spitzen- und Effektivdrehmoment, Motortemperatur, Rückgewinnungsenergie und Wiederherstellung nach einem Fehler. Ein Machbarkeitsnachweis ist kostengünstiger als eine Überarbeitung der Maschine nach der Abnahmeprüfung.
Anwendungsbeispiele
| Anwendung | Vermutlich erste Wahl | Warum |
|---|---|---|
| Kreiselpumpe mit Druckregelung (PID) | Frequenzumrichter | Effiziente Prozesssteuerung mit variabler Drehzahl; die genaue Wellenposition ist irrelevant. |
| Langes Förderband, das mit einstellbarer Geschwindigkeit läuft | Frequenzumrichter | Eine stufenlose Drehzahlregelung und eine robuste Motorauswahl sind normalerweise wichtiger als die Position. |
| Förderband führt Produkte zu einer Versiegelungsstation | Servo oder ein bewährter Positionier-Frequenzumrichter für moderate Anforderungen | Die erforderliche Stoppgenauigkeit, Zykluszeit und Störungsbehebung bestimmen das Ergebnis. |
| Rundtisch | Servo | Wiederholte Positionsänderungen, kontrollierte Profile und die Einschwingzeit sind von zentraler Bedeutung. |
| Ein fliegendes Messer ist mit einem sich bewegenden Netz synchronisiert. | Servo | Elektronische Getriebe, Positionserfassung und Synchronisierung sind erforderlich |
| Extruderschnecke | Vector VFD | Kontinuierliche Drehmoment- und Drehzahlregelung ist normalerweise wichtiger als die Winkelposition. |
| Aufwickler oder Abwickler | Geschlossener Vektor-Frequenzumrichter oder Servo | Spannungsbereich, Walzendurchmesser, Bandgeschwindigkeit, Drehmomentgenauigkeit und Synchronisation bestimmen die Wahl |
| Vertikallift | Servo- oder geschlossener Vektor-Frequenzumrichter mit ausgelegtem Brems- und Sicherheitssystem | Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit, Rückmeldung, Bremssequenz, Bremsvorgang und Risikobewertung sind von entscheidender Bedeutung. |
| Hochgeschwindigkeitsspindel | Frequenzumrichter oder Spindelantrieb | Ein großer Drehzahlbereich und kontinuierliche Leistung sind oft wichtiger als die Indexierungsposition. |
| Robotergelenk | Servo | Positionstrajektorie, dynamische Korrektur, kompakte Drehmomentdichte und Mehrachsenkoordination sind erforderlich. |
Häufige Auswahlfehler
Unter der Annahme, dass jedes Encodersystem ein Servo ist
Ein Encoder kann einen Drehzahlregler eines Frequenzumrichters schließen oder Positionsinformationen an eine SPS liefern. Die gesamte Steuerungsstruktur, die Aktualisierungsrate, der Motor und die Bewegungsfunktionen bestimmen, ob das System als Servoachse fungieren kann.
Vergleich nur der Motorleistung
Ein 2-kW-Servomotor und ein 2-kW-Induktionsmotor erzeugen nicht zwangsläufig die gleiche Bewegung. Vergleichen Sie Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien, Spitzen- und Effektivdrehmoment, Trägheitsmoment, Überlastfähigkeit, Kühlung und mechanische Kraftübertragung.
Die Encoderauflösung als Maschinengenauigkeit behandeln
Eine hohe Impulszahl beseitigt weder Spiel, Nachgiebigkeit, thermische Fehler noch lastseitige Bewegungen. Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit müssen am Arbeitsplatz der Maschine definiert werden.
Verwendung der Motorbremse für wiederholtes Anhalten
Eine integrierte Servobremse ist normalerweise eine Haltebremse. Wiederholtes Bremsen im Betrieb kann zu vorzeitigem Verschleiß führen, es sei denn, die Motordokumentation erlaubt diese Anwendung ausdrücklich.
Servo für jedes Förderband auswählen
Der Einsatz eines Servoantriebs ist dann gerechtfertigt, wenn das Förderband seine Position genau erfassen, registrieren, synchronisieren oder wiederherstellen muss. Ein kontinuierlich laufendes Transferförderband lässt sich in der Regel mit einem Frequenzumrichter einfacher und wirtschaftlicher realisieren.
Auswahl des Frequenzumrichters aufgrund seines Positionierungsparameters
Eine einfache Positionierung mag ausreichend sein, aber überprüfen Sie Wiederholgenauigkeit, Referenzfahrt, Einschwingzeit, Impuls- oder Netzwerkbefehlsgrenzen, Laststörungen und Wiederherstellungsverhalten. Eine einzelne Positionierungsfunktion bildet keine vollständige Bewegungssteuerungsplattform.
Ersetzen eines vorhandenen Laufwerks
Ersetzen Sie einen Servoantrieb nicht durch einen Frequenzumrichter oder einen Frequenzumrichter durch ein Servosystem ausschließlich aufgrund von Leistung und Spannung.
Für einen Servo-Austausch notieren Sie Folgendes:
- Vollständige Antriebs- und Motormodellnummern
- Encodertyp und Auflösung
- Motorleistung, Nenn- und Höchstdrehzahl, Nenn- und Spitzendrehmoment
- Details zu Bremsen und Temperatursensoren
- Bezugspunkte für Strom-, Encoder- und Bremskabel
- Befehlsschnittstelle und Bewegungsnetzwerk
- Übersetzungsverhältnis, Lastträgheitsmoment, Bewegungsprofil und mechanische Grenzen
- Sicherheitsfunktionen und Verkabelung
- Vorhandenes Parameter-Backup- und Controller-Projekt
Bei einem VFD-Austausch ist Folgendes zu beachten:
- Eingangsspannung und Phase
- Motor-Nennstrom, Spannung, Frequenz, Drehzahl und Anschluss
- Steuermodus- und Motorabstimmungsdaten
- Normal- oder Schwerlastausführung
- I/O-Zuweisungen und analoge Skalierung
- Kommunikationsprotokoll und Kontrollwörter
- Bremswiderstand oder regenerative Hardware
- EMV-Filter, Drosseln, Motorkabellänge und Gehäusebedingungen
- Parameter, Fehler und Anwendungsverhalten
Kwoco Kann bei der Suche nach einem kompatiblen Servo- oder Umrichterersatz helfen, wenn das Originalmodell veraltet oder schwer zu beschaffen ist. Das nützliche Ausgangspaket umfasst die vollständigen Typenschilder von Antrieb und Motor, Fotos von Steckern und Schaltschrank, Kabelreferenzen, SPS-Modell und -Netzwerk, Sicherheitsverdrahtung sowie die Original-Parameterdatei. Dadurch wird verhindert, dass ein oberflächlich ähnlicher Antrieb ohne die für die Maschine benötigte Feedback-, Brems- oder Kommunikationshardware empfohlen wird.
Eine praktische Auswahl-Checkliste
Stellen Sie sich diese Fragen, bevor Sie ein Angebot anfordern:
- [ ] Benötigt die Achse eine Drehzahlregelung, eine Drehmomentregelung, eine Positionsregelung oder alle drei?
- [ ] Welche Positionsgenauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Einschwingzeit sind an der Last erforderlich?
- [ ] Ist eine Mehrachsensynchronisation, Kurvensteuerung, Getriebeübersetzung oder Registrierung erforderlich?
- [ ] Wie hoch sind die Höchstgeschwindigkeit, die maximale Beschleunigung, das maximale Drehmoment und das Effektivdrehmoment?
- [ ] Welches kontinuierliche Drehmoment ist bei minimaler Drehzahl oder Stillstand erforderlich?
- [ ] Wie hoch sind das Lastträgheitsmoment, das Übersetzungsverhältnis, der Wirkungsgrad und das Zahnflankenspiel?
- [ ] Wie viel Energie wird bei der Verzögerung oder Absenkung zurückgewonnen?
- [ ] Welcher Motortyp und welche Kühlmethode eignen sich für die Umgebung?
- [ ] Welche SPS, welcher Bewegungscontroller, welche Befehlsschnittstelle und welches Netzwerk werden verwendet?
- [ ] Welche Sicherheitsfunktionen sind in der Risikobewertung erforderlich?
- [ ] Kann das Werk die Software, die Kabel, die Datensicherung und die Ersatzteile instand halten?
- [ ] Wurde die Bewegung mit dem höchsten Risiko mit repräsentativen Mechaniken getestet?
Wenn Position und dynamisches Verhalten nicht zu den Anforderungen gehören, beginnen Sie mit einer Frequenzumrichterlösung. Wenn wiederholgenaue Position, synchronisierte Bewegung und kurze Einschwingzeit die Maschinenleistung bestimmen, beginnen Sie mit einer Servolösung. Nutzen Sie die Grauzonenbewertung nur dann, wenn die Anwendung tatsächlich zwischen diese beiden Fälle fällt.
Häufig gestellte Fragen
Ja, aber nur, wenn die Anwendung keine Servopositionierung, Synchronisierung, Einschwingzeit oder dynamische Korrektur erfordert. Ein Vektor-Frequenzumrichter kann einen Servo auf einer drehzahl- oder drehmomentgesteuerten Achse ersetzen, sofern seine Strom-, Langsamlauf-, Rückkopplungs-, Brems- und Steuerungsfunktionen den Maschinenspezifikationen entsprechen. In der Regel sind Anpassungen am SPS-Programm, Motor, Encoder, der Verkabelung und der Sicherheitsauslegung erforderlich.
Nur wenn der Frequenzumrichter den betreffenden Motortyp und die erforderlichen Motordaten, die Rückmeldemethode, den Drehzahlbereich und die Schutzfunktionen explizit unterstützt. Einige moderne Umrichter steuern zugelassene Permanentmagnetmotoren, jedoch sollten ein beliebiger Servomotor und ein universeller Frequenzumrichter nicht allein aufgrund von Spannung und Leistung verbunden werden. Die Kompatibilität und die Parameterdokumentation des Herstellers müssen die Kombination bestätigen.
Einige Frequenzumrichter ermöglichen mit der entsprechenden Encoderoption und dem passenden Steuermodus eine einfache oder sogar geschlossene Positionierung. Mitsubishi FR-E800 und Omron MX2-V2 sind Beispiele für Frequenzumrichterfamilien mit Positionierfunktionen in geeigneten Konfigurationen. Prüfen Sie die Befehlsauflösung, die Rückmeldeschnittstelle, die Wiederholgenauigkeit, die Referenzfahrt, die Einschwingzeit und die Netzwerksynchronisation, bevor Sie den Umrichter als Bewegungsachse verwenden.
Nicht automatisch. Die Effizienz hängt vom Motor, Antrieb, Lastprofil, Drehzahlbereich, der Energierückgewinnung, dem mechanischen Getriebe und dem Betriebspunkt ab. Frequenzumrichter können bei Pumpen und Ventilatoren mit variablem Drehmoment erhebliche Energieeinsparungen erzielen, während Servosysteme bei häufigen Bewegungen effizient sein können, da sie einen passenden Motor verwenden und die Rückgewinnungsenergie nutzen können. Vergleichen Sie den gesamten Betriebszyklus anstatt der Antriebskategorie.
Verwenden Sie einen Frequenzumrichter für Förderbänder, die hauptsächlich eine stufenlose Geschwindigkeitsregelung benötigen. Setzen Sie einen Servomotor ein, wenn das Förderband Positionen anfahren, Produkte registrieren, mit Schneid- oder Versiegelungsmaschinen synchronisieren oder Bewegungen schnell korrigieren muss. Definieren Sie im Grenzfall die Anforderungen an Stoppgenauigkeit, Zykluszeit, Lastschwankungen und Wiederherstellungsparameter und testen Sie anschließend das gewählte Motorantriebssystem mit der realen Anlage.
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Endgültige Antwort
Ein Servoantrieb steuert einen zugehörigen Servomotor als Teil eines rückkopplungsbasierten Bewegungssystems. Er ist so ausgelegt, dass Position, Geschwindigkeit und Drehmoment einem Befehl präzise und dynamisch folgen.
Ein Frequenzumrichter (auch Frequenzumrichter genannt) steuert Frequenz, Spannung und Stromstärke eines Wechselstrommotors. Er ist primär für die effiziente Drehzahl- und Drehmomentregelung ausgelegt, moderne Modelle bieten jedoch zusätzlich Encoder-Rückmeldung und Positionsbestimmung.
Wählen Sie den Frequenzumrichter, wenn die Last eine gleichmäßige und zuverlässige Drehzahlregelung erfordert. Wählen Sie den Servoantrieb, wenn die Produktivität oder Qualität der Maschine davon abhängt, wo sich die Achse befindet, wie schnell sie diese Position erreicht und wie genau sie einem vorgegebenen Bewegungsprofil folgt.
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