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Dezentrale oder zentrale Steuerungstopologie : Ausgabe 06/2018, 11.04.2018

Kein Entweder-Oder mehr bei der Modularisierung

Maschinen und Anlagen in der Fertigungsindustrie werden heute meist modular aufgebaut. Passende Automatisierungstechnik sowie standardisierte Kommunikation fördern diesen Trend. Früher mussten Maschinenbauer Kompromisse eingehen und mehrere Module mit einem zentralen Controller steuern. Dies führt zu komplexen Softwarestrukturen, die nur schwer zu warten sind. Lenze hat nun die Lösung.

Autor: Christian Bergner, Leiter Produktmanagement Servo Drives & Motors, Lenze, Text und Bild

Bilder: Lenze

Durch die Erweiterung des Automatisierungssystems um einen neuen Servoantrieb mit integrierter Steuerung stehen nun erstmals durchgängig skalierbare Lösungen für das kleinste Maschinenmodul mit nur einer Bewegungsachse bis hin zu komplexen Mehr-Achssystemen zur Verfügung. Dank der Durchgängigkeit der Systeme wird der Einsatz der gleichen Applikationssoftware in allen Maschinenmodulen gewährt. So kann der OEM nun mit einfachen Mitteln und ohne Systembruch flexibel auf jeden Anwendungsfall reagieren. Es entstehen autarke Maschinenmodule, die sich einzeln betreiben und beliebig kombinieren lassen. Die alte Vision eines «Plug&Plays» der Funktionseinheiten einer Maschine ohne Adaption einer einzigen Zeile Softwarecode lässt sich erstmals realisieren.

Time-to-Market ist heute entscheidend

Jahrzehntelang haben sich Maschinenbauer vor allem auf drei Dinge konzentriert: Performance, Verfügbarkeit und Qualität. Heute ist jedoch Time-to-Market die entscheidende Herausforderung geworden: Wie schnell kann eine Maschine beim Anwender in Betrieb gehen? Damit verbunden ist auch die Frage, welche Flexibilität der OEM seinem Kunden bei der Realisierung anwendungsspezifischer Sonderanforderungen bieten kann. Und damit nicht genug: Auch eine schnelle Realisierung von technischen Innovationen oder der damit verbundene Zeit- und Kostenaufwand gehört angesichts des derzeitigen schnellen technologischen Wandels zu den entscheidungsrelevanten Kriterien der Anwender.

Die Trends, die im Kontext von Industrie 4.0 entstehen, bieten dem Maschinenbau Chancen, sich vom Wettbewerb zu differenzieren und die eigene Marktposition zu verbessern. Vollständige Digitalisierung bis zur Sensor-/Aktorebene, Anbindung an IT-Infrastrukturen und Clouds sowie die durchgängige Integration der einzelnen Maschinen ganzer Produktionslinien, inklusive der Einbindung in ERP- und MES-Systeme, sind nur die wichtigsten Anforderungen, denen sich der OEM beim Softwareengineering stellen muss. Hinzu kommt eine steigende Komplexität der mechanisch-kinematischen Ebene. Die geforderte Flexibilität in der Produktion bedingt eine aufwendigere Bewegungssteuerung und steigende Achszahlen, wenn beispielsweise flexible Roboterkinematiken die Aufgaben von relativ starren mechanischen Einheiten übernehmen.

Modularisierung aus einem Guss

Um all das in kurzer Zeit realisieren zu können, streben viele OEMs eine Modularisierung ihrer Maschinen an und entwickeln entsprechende standardisierte Funktionseinheiten, die dann einfach wiederverwendet werden können. Auf dem Reissbrett kann so eine Funktion schnell eingefügt werden. Das Hinzufügen einer zusätzlichen Funktion in eine Maschine muss aber durch Integration einer in sich abgeschlossenen Funktionseinheit möglich sein und zwar ohne Anpassung der bestehenden Module.

Modularisierung kann daher nur gelingen, wenn sie in den Bereichen Mechanik, Elek­tronik und auch Software aus einem Guss erfolgt. Bei der Steuerungs- und Antriebstechnik kann es durchaus einen Unterschied machen, ob ein Maschinenmodul nur eine Achse umfasst oder mehrere synchronisierte Achsen bzw. gar eine komplexe Antriebsstruktur mit einer Vielzahl von Achsen benötigt. Je nach Anwendung muss jedes einzelne Modul anders dimensioniert werden, und es stellt sich auch die Frage, ob eine in den Antrieb integrierte, dezentrale Steuerung sinnvoll ist oder das Modul von einer zentralen Intelligenz gesteuert wird.

Skalierbar für jeden Anwendungsfall

Das bedeutet, dass für unterschiedliche Module auch ein skalierbares Portfolio mit Steuerungen unterschiedlicher Performancelevel zur Verfügung steht und zwar aus einem Guss, mit den gleichen Funktionalitäten. Schon bisher bediente der Automatisierungsspezialist Lenze sowohl zentrale als auch dezentrale Steuerungssysteme, die in einen Antrieb integriert sind. Mit dem Servoinverter i950 kündigt der Hersteller auf der Hannover Messe ein neues Servoantriebssystem mit integrierter Steuerung an, das das Automationssystem abrundet. Der Bruch zwischen den beiden Topologien wird aufgehoben. Es kommen immer wieder die gleiche Applikationssoftware und die gleichen Engineering-Tools zum Einsatz.

Reduzierung des Engineeringaufwands

Lenze zeigt wie flexible Maschinenkonzepte mit einem skalierbaren, modularen Automationssystem und einem umfassenden Baukasten applikationsspezifischer Softwaremodule realisiert werden und eine deutliche Reduzierung des Engineeringaufwands möglich wird. Damit die Module einfach und synchron zusammenarbeiten können, nutzt Lenze herstellerübergreifende Standards und moderne Kommunikationsschnittstellen. Auf der horizontalen Ebene greifen hier EtherCAT, ProfiNet, EtherNet/IP oder auch AutomationML und PackML der OMAC. Für die vertikale Integration mit der übergeordneten Leitebene sind es Standards wie OPC UA oder MQTT.

Durch die Erweiterung des Automatisierungssystems um einen neuen Servoantrieb mit integrierter Steuerung stehen nun durchgängig skalierbare Lösungen für das kleinste Maschinenmodul mit nur einer Bewegungsachse bis hin zu komplexen Mehr-Achssystemen zur Verfügung. Sowohl auf der Steuerungs- als auch auf der Antriebsebene deckt Lenze nun das Anforderungsspektrum seiner Kunden durchgängig ab.

Zentral oder dezentral? In beiden Welten zuhause

Der Servoinverter i950 schlägt zudem eine Brücke zwischen dezentraler und zentraler Intelligenz. So lassen sich innerhalb einer Maschine die verwendeten Module wahlweise zentral und dezentral steuern – die Frage des Entweder-Oder ist damit überwunden. Der Maschinenbauer kann je nach Anwendung völlig flexibel auf die Anforderungen seines Kunden reagieren, da er auf ein konsistentes Produktportfolio aus Hard- und Software bauen kann, das ihm beide Topologien gleichermassen zugänglich macht.

So kann der i950 als dezentrale Intelligenz agieren, die sich wie andere Controller des Lenze-Portfolios über die Technologiemodule der Application Software Toolbox FAST programmieren lassen und sich auf die Steuerung des Moduls konzentriert, auf dem sie eingesetzt ist. Bei Bedarf kann auch eine modulübergreifende Synchronisation einer komplexeren Maschine realisiert werden. Und das ohne Neuprogrammierung – die Applikationssoftware, die bisher auf den zentralen Controllern implementiert war, läuft unverändert auf der i900-Plattform. Insbesondere wenn Maschinen skaliert werden und die Zahl der Module zunimmt, was die Zahl der zu steuernden Achsen erhöht, kann auf diesem Weg die Komplexität der Anwendung reduziert und das Engineering vereinfacht werden.

Baukasten aus Hard- und Software

Für die Programmierung steht mit der Software-Toolbox FAST ein Baukasten für typische Anwendungen im Maschinenbau zur Verfügung. Maschinenspezifische Technologiemodule enthalten Standardfunktionen wie Positionieren, Heben, Wickeln, Schneiden oder Siegeln für Maschinen in den Zielmärkten Automotive, Intralogistics, Consumer Goods, Printing & Converting und Textil. Der Anwender muss die Steuerungs- und Bewegungsfunktionen der Funktionseinheit nicht mehr programmieren, sondern lediglich anwendungsspezifische Parameter einstellen. Die FAST-Applikationen sind in einer Vielzahl von Anwendungen getestet und erprobt und damit sofort einsetzbar.

Mit den durchgängig skalierten Automatisierungsprodukten lässt sich so für jedes Maschinenmodul in kurzer Zeit eine Baukasten-Lösung entwickeln. Die gewonnene Zeit kann der OEM in die Programmierung individueller Funktionalitäten stecken, die sich ebenfalls leicht in FAST integrieren lassen.

Zukunftssicher angelegt

Der Trick, um FAST-Applikationen einer zentral gesteuerten Topologie auf der i900-Plattform zu integrieren, liegt in der standardisierten Systemschnittstelle API (Application Programming Interface) auf Basis von CiA 402. Während bei der zentralen Topologie der Controller via EtherCAT mit den Antrieben kommuniziert, ist dieses Interface auch im i950 implementiert. So können die Technologiemodule der FAST-Toolbox ebenso wie die weiteren Steuerungsfunktionen gemäss PLCopen oder IEC 61131-3 nahtlos auf das jeweilige System abgebildet werden. Somit kann Lenze volle Rückwärtskompatibilität für die bereits erstellten Programmierungen bieten. 

Infoservice

Lenze Bachofen AG
Ackerstrasse 45, 8610 Uster
Tel. 043 399 14 14, Fax 043 399 14 24
info.ch@lenze.com, www.lenze.com

Hannover Messe: Halle 14, Stand H22



Für Maschinen mit einer Bewegungsachse bis hin zu Mehr-Achssystemen mit einer zentralen Steuerung für komplexere Maschinen: Mit der Lenze Automationsplattform stehen für alle Topologien Lösungen aus einem Guss zur Verfügung