Die Produktion der Endkunden wird von Variantenvielfalt, Typenmix und Schwankungen der Produktionszahlen geprägt. Um den immer komplexeren Anforderungen gerecht werden zu können, setzen Maschinenbauer vermehrt auf integrierte Systemlösungen. Die Erwartungen liegen klar auf der Hand: Eine erhebliche Reduzierung der Engineeringzeiten und -kosten bei gleichzeitiger Steigerung der Flexibilität. Für das Zusammenspiel zwischen der Steuerungs- und der Antriebsseite der Maschine existieren unterschiedliche Konzepte. Klassische Anbieter von Antriebssystemen tendieren dazu, den Leistungsumfang der Servoverstärker zu erhöhen und vermehrt SPS-Funktionalität in die Antriebsregler zu implementieren. Trotz der standardisierten Schnittstellen ist eine vollständige Integration nur bedingt möglich, da bei den meisten Maschinen eine übergeordnete SPS zwingend notwendig ist, um den gesamten Prozessablauf zu steuern. Folglich ist hier eine gewisse Redundanz zwischen der Antriebsseite und der Steuerungsseite vorhanden, die sich in erhöhten Hardware- und Software-Kosten niederschlägt. Hinzu kommen die Kosten, um Mitarbeiter auf verschiedene Programmiersysteme zu schulen, damit eine qualifizierte Wartung durchgeführt werden kann. Steckt die Intelligenz und damit auch die anwendungsspezifische Software im Antriebsregler, so muss bei einem Austausch auch die Software wieder eingespielt werden. Erfahrungen aus vielen Applikationen zeigen, dass sich durch Integration von Motion Control, SPS, Safety und Visualisierung in einem zentralen Steuerungssystem eine sehr übersichtliche Strukturierung der Applikations-Software erreichen lässt. Die zentrale Architektur vereinfacht zudem die Datenverwaltung und ermöglicht komfortable Fernwartungskonzepte. Gerade bei komplexen Maschinen wie Robotik- und Handhabungssystemen mit vielen Achsen kommt der präzisen Steuerung und Synchronisierung der Maschinenachsen eine wichtige Rolle zu. Gerade hier eignen sich zentrale Steuerungstopologien perfekt.
Integrierte Systemarchitektur
Bei einem steuerungsbasierten Ansatz wie ihn Sigmatek verfolgt, werden die Aufgaben des Antriebssystems so weit wie möglich reduziert und die Intelligenz aus dem Drive in die Steuerung verlagert. Durch diese integrierte Systemarchitektur vereinfacht sich die Handhabung der Servoantriebe und die Rechenleistung im Antrieb wird reduziert. Alle Parameter und Konfigurationsdaten der Drives sind zentral in der Steuerung abgelegt und werden beim Tausch eines Servoantriebs automatisch eingespielt. Neben Service- und Wartungsfreundlichkeit lässt sich so natürlich die Verfügbarkeit der Maschine erhöhen.Die nahtlose Integration von SPS, Motion Control, Funktionalität und Visualisierung führt zu einer verbesserten Synchronisation von Prozess- und Bewegungsabläufen in der Maschine. Daraus ergeben sich eine höhere Produktionsgeschwindigkeit, Präzision und Produktqualität. Ermöglicht wird diese moderne Steuerungsstruktur durch den Einsatz eines hart-echtzeitfähigen Ethernet-Systems wie beispielsweise Varan, das eine taktsynchrone Kommunikation zwischen den Antrieben und der Steuerung mit minimalen Zykluszeiten ermöglicht. Mit der richtigen Architektur wird die Komplexität reduziert und das Automatisierungssystem insgesamt schlanker. So kann der Maschinenbauer in der Steuerung sämtliche Motion-Control-Aufgaben erledigen, wie beispielsweise die Berechnung der Bewegungsprofile oder komplexe, mehrachsige Bahninterpolationen. Ein Querverkehr zwischen den Achsen ist bei einer solchen Systemarchitektur nicht erforderlich. Mit kompakten Mehrachsantrieben und modularen Drive-Systemen wie den DIAS-Serien von Sigmatek in Kombination mit hochdynamischen Servomotoren lässt sich der Antriebsstrang bestmöglich auf die speziellen Anforderungen abstimmen.
Durchgängiges Engineering
Mindestens ebenso wichtig wie die Wahl der geeigneten Hardware-Plattform, sind die passenden Werkzeuge für die Entwicklung der Maschinen-Software. Diese muss mit den gestiegenen Anforderungen mechatronischer Produktionsmaschinen Schritt halten können. Wenn das gesamte Engineering einer Maschine mit einem einzigen Tool – also ohne Systemwechsel – durchgeführt werden kann, lassen sich Engineering zeiten und -kosten deutlich reduzieren. Damit steigt die Produktivität. Da Engineeringkosten heute fast ein Drittel der Maschinenherstellungskosten ausmachen, liegt hier ein großes Einsparungspotenzial. All-in-one-Engineering-Tools wie Lasal von Sigmatek ermöglichen eine schnelle, effiziente und übersichtliche Implementierung von Maschinenkonzepten: von der Projektierung, der Parametrierung und Konfiguration der Steuerung, der Antriebe und aller Peripheriegeräte, der Programmierung des Gesamtsystems bis hin zu Test und Fehlerdiagnose bei Inbetriebnahme und Service. Mit Lasal kann die Steuerung gemäß IEC 61131-3 objektorientiert programmiert werden. Durch die grafische Darstellung der Programmmodule (Objekte) wird die Komplexität der Software-Implementierung gekapselt und der Programmierer kann sich schnell und einfach einen Überblick über die Projektstruktur verschaffen. Der Programmcode ist auf den ersten Blick nicht ersichtlich. Dargestellt werden die Beziehungen von Programmteilen zueinander, sowie die wichtigsten Daten eines Programmteils. Der Anwender kann in Funktionen und Modulen denken, die wie in einem Baukastensystem digital verdrahtet werden. Einmal erstellte Applikationsteile können ganz einfach wieder verwendet beziehungsweise angepasst werden.Dieses Prinzip gilt auch für die Antriebstechnik. Die Steuerungs- und Motion-Control-Funktionen sind dabei als Bausteine in der Steuerung implementiert. Sie decken ein breites Spektrum ab, das von einfachen Verfahrbewegungen über alle Arten der Kopplungen bis hin zu komplexen Bahnsteuerungen mit Transformationen für verschiedene Roboter-Kinematiken reicht. Darüber hinaus steht die komplette SPS-Funktionalität für Aufgaben wie Überwachungen, Ablaufsteuerungen, I/O-Bearbeitung und Berechnungen zur Verfügung. Bei Produktionsmaschinen werden häufig weitere Aufgaben wie beispielsweise Druck- oder Temperaturregelungen gefordert. Diese lassen sich über Objekte ebenfalls einfach und ohne zusätzlichen Programmieraufwand realisieren.
Echtzeit-Ethernet-Kommunikation
Wenn man Maschinen und Anlagen betrachtet, fällt auf, dass sehr oft Mischformen unterschiedlicher Feldbussysteme eingesetzt werden. Dies hat nicht nur Nachteile in Service und Wartung, sondern schlägt sich neben den erhöhten Engineering-Ausgaben auch bei den Kosten für Verkabelung sowie für optionale Buskoppler zu Buche. Durch Einsatz Ethernet-basierter Echtzeitlösungen können Maschinen und Anlagen mit einer durchgängigen Bustopologie entworfen werden. Man verringert dadurch nicht nur den Verkabelungsaufwand, sondern erreicht eine vollständige, vertikale Integration von der Maschinen- bis zur Unternehmensebene. Durch die höhere Übertragungsrate und größere Bandbreite von Echtzeit-Ethernet ist es möglich, mehr Antriebe in kürzerer Zeit anzusprechen als mit traditionellen Feldbussystemen. Zudem ermöglicht der Einsatz echtzeitfähiger Ethernetsysteme eine wesentlich tiefere Integration der Antriebe in die Steuerung. So können alle Daten wie Alarme oder Verstärker-Istwerte ohne zeitliche Einschränkungen in der SPS verarbeitet und gegebenenfalls angezeigt werden. Durch die nahtlose Integration von Steuerungs- und Antriebstechnik in einer durchgängigen Hard- und Software-Umgebung ergeben sich erhebliche Vorteile über den gesamten Lebenszyklus der Maschine oder Anlage hinweg. Die einheitliche Technik verkürzt die Projektierung, das Engineering und die Inbetriebnahme sowie Wartung und Diagnose bei Fehlern. Gleichzeitig ermöglicht eine modulare Struktur in Hard- und Software flexible Maschinen- und Anlagenkonzepte, die einfach wie in einem Baukastensystem erstellt und erweitert werden können. All dies trägt dazu bei, dass die Time-to-Market-Zyklen markant verkürzt werden und die Engineeringkosten sinken – und dies bei erhöhter Zuverlässigkeit und Flexibilität.☐
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