Antriebs- und Steuerungstechnik im Wechselbad der Innovationen

Intelligent oder doch nicht?

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„Nichtintelligent ist OUT, intelligent ist IN“, so der derzeitige Tenor der Hersteller für moderne Antriebstechnik. Ist dem jedoch wirklich so? Kann man derart plakativ und prinzipiell den Stand der Technik für die zeitgemäße High Tech-Lösung der Antriebstechnik beschreiben? Die Antwort ist ein klares „NEIN“. Es gibt sogar überzeugende Argumente für „nichtintelligent ist IN“! In diesem Beitrag werden die Vor- und Nachteile von nichtintelligenten und intelligenten Antriebskonzepten diskutiert und Lösungsansätze für sowohl extrem leistungsfähige, wie auch wirtschaftliche „state of the art“-Automa-tisierung aufgezeigt.

Der Autor Helmut Fritz, Vertrieb und Marketing der Sigmatek GmbH & Co KG, A-Lamprechtshausen, ist seit 17 Jahren im Bereich der SPS und Antriebstechnik tätig.

Die Problematik, welches nun die technisch geeignetste und kostengünstigste Lösungsstruktur ist, ist zu komplex, als dass sie mit einer banalen Schwarz-Weiß-Aussage beschrieben werden könnte. Das Schwierige bei der Wahl und Festlegung der anzuwendenden technologischen Lösung ist für den Anwender, sich in dem Produktlabyrinth der Anbieter zurechtzufinden. Für ihn stehen der Produktnutzen und eine „passende“ und nicht gerade „trendige“ Lösung seiner Aufgabe im Vordergrund. Mit neuen Produkten wie Soft-SPS, dezentralen intelligenten Antrieben, intelligente Feldklemmen, intelligente Initiatoren und Aktoren, ruft man eine neue Ära der Automatisierungstechnik aus und wirft gleichzeitig die „Schuster bleib bei deinen Leisten-Mentalität“ über Bord.
Analoge und digitale Antriebsregler
Analoge Antriebsregler realisieren Regler, Signalverarbeitung und Ansteuerung mit analoger Schaltungstechnik. Die Schnittstelle zur übergeordneten Steuerung ist ein analoger Kanal. Der Sollwert für die Geschwindigkeit wird als Analogsignal +/- 10 V empfangen. Die Parameter werden „analog“ mittels Potentiometer eingestellt. Wird im Servicefall das Gerät ausgetauscht, muß der Antrieb neu in Betrieb genommen werden. Dies erfordert in der Regel sachkundiges Personal – ein signifikanter Nachteil, insbesondere unter Gesichtspunkten der MTTR und den Austauschkosten.
Digitale Antriebsregler realisieren Regler und ihre Signalverarbeitung mit „digitaler Schaltungstechnik“ unter Verwendung von Prozessoren. Die Geschwindigkeits- und Stromregelung erfolgt per Software. Zur Ansteuerung des Leistungsteils werden die Daten und digitalen Signale in analoge Signale gewandelt. Die Schnittstelle zur übergeordneten Steuerung ist ein digitaler Kanal. Der Sollwert für die Geschwindigkeit wird entweder über Analogsinal +/- 10 V, oder über eine Datenverbindung (Dias-Bus, CAN-Bus, Profibus, Sercos, etc). empfangen. Die Parametrierung erfolgt über eine Datenschnittstelle (Dias-Bus, RS-232, CAN-Bus, etc.), direkt am Gerät, über Netzwerk oder über die übergeordnete Steuerung. Die Parameter können per Software verändert und gespeichert werden. Wird im Servicefall das Gerät ausgetauscht, können die gespeicherten, exakt eingestellten Parameter wieder eingespielt werden. Über dieselbe Schnittstelle können auch Betriebszustände und -daten des Reglers abgefragt werden. Bei Automatisierungssystemen mit moderner Systemarchitektur werden die aktuellen Parameter im übergeordneten Steuerungssystem gespeichert und beim Einschalten per „download“ in das Gerät geladen, mit deutlichen Vorteilen einer extrem geringen MTTR, der Aktualität von Einstellungen und der leichten Handhabung durch (nur) eingewiesenes Personal. Diese funktionellen Möglichkeiten bringen dem Anwender erhebliche Vorteile und öffneten damit dem digitalen Regler das Tor zum Sieg über die Analogtechnik.
Antriebskonzepte
Bei nichtintelligenten Antriebskonzepten werden alle relevanten Abläufe und Verknüpfungen wie Lageregelung, Positionieraufgaben, Bahnbewegungen, Getriebefunktionen, etc. von einer Instanz, der übergeordneten Steuerung, zentral verarbeitet. Dabei muss die Rechenleistung der SPS-CPU insbesonders den Anforderungen bei Mehrachsbewegungen gewachsen sein.
Bei intelligenten Antriebskonzepten übernimmt der digitale Antriebsregler auch Aufgaben der Steuerung direkt. D. h., das Gerät übernimmt neben dem Geschwindigkeitsregelkreis auch sämtliche bewegungsspezifischen Aufgaben, wie Lageregelung, Positionieraufgaben, Bahnbewegungen, elektrische Getriebe, etc. Bei Mehrachsbewegungen müssen sich die einzelnen Geräte miteinander koordinieren und synchronisieren. Zur Kommunikation werden div. Feldbusse benutzt.
Vor- und Nachteile
Fallbeispiel: Wir betrachten eine Achse, die von A nach B fährt, dort mit einem Greifer Teile aufnimmt und wieder zurückfahren soll, um die Teile wieder abzulegen. Im allgemeinen wird für diese Applikation eine kleine SPS zur Steuerung eingesetzt.
Bei einem nichtintelligenten Antriebskonzept trifft die SPS-CPU alle Entscheidungen über die Bewegung und das Zusammenspiel mit dem Greifer. Der Antriebsregler bekommt alle Vorgaben, wie Rampen, Geschwindigkeiten, usw. von der SPS. Diese hat jederzeit die Kontrolle über die Bewegung und die Position der Achse, den Greifer usw., und kann im Ernstfall sofort Maßnahmen einleiten. Es ist bei digitalen Reglern sogar möglich, während der Verfahrbewegung Parameter im Regler zu verändern, um diesen besser an die Gegebenheiten anzupassen (z. B. Umschaltung von Geschwindigkeits- auf Stromregelung, Rampen, Grenzwerte, usw.).
Der Regler
n setzt im einfachsten Fall nur ein einfaches +/- 10 V Signal in Drehzahl um
n ist einfach in Betrieb zu nehmen – 9 V Taschenlampenbatterie zur Drehrichtungsprüfung, oder Vorgabe des Analogsignals im Debugmode über die SPS, oder verarbeitet über eine Datenverbindung eine digitale Sollwertvorgabe im Debug-Mode der SPS.
Bei einer eventuellen Änderung im Ablauf (Steuerungs- oder Bewegungsablauf) wird nur ein Programm geändert. Bei einem etwaigen Tausch eines digitalen Reglers können sogar die vorher eingestellten und in der SPS-CPU gespeicherten Parameter über die Datenverbindung in den neuen Regler, ohne Parametriersoftware vom Reglerhersteller, übertragen werden. Die gesamte Projektverantwortung für die Steuerung und für die Bewegung obliegt einer ausführenden Firma.
Bei einem intelligenten Antriebskonzept wird demgegenüber die gesamte Bewegung der Achse vom Antriebsregler abgearbeitet. Die Steuerungs-CPU hat keine Kontrolle über die Bewegung sondern nur über den Einsatz des Greifers. Sie übergibt nur Positionssollwerte, Geschwindigkeiten und evtl. einen Notstopbefehl an der Regler. Um den gesamten Bewegungsablauf richtig auszuführen, muss eine rege Kommunikation zwischen SPS und Antrieb gegeben sein. So muss z.B. der Regler für die Fahrt von A nach B einen Startbefehl von der SPS übermittelt bekommen. Wenn der Regler die Position erreicht hat, muss dieser an die SPS zurückmelden, dass er in Position ist. Nur dann darf die SPS den Greifer betätigen und muss dann dem Regler die Freigabe für die Retourfahrt geben, usw. Das erfordert, selbst bei diesem einfachen Beispiel, einen erheblichen Kommunikations- und Koordinationsaufwand. Für die Inbetriebnahme müssen auf beiden Seiten – der Steuerung und dem Antrieb – Programme entwickelt werden, die über eine Datenverbindung zu koordinieren sind. Die Antriebsseite ist aufwendiger in Betrieb zu nehmen, ein Reglertausch erfordert dessen Neuparametrierung und besonders Mehrachsanwendungen (Motion Control) stellen höhere Systemanforderungen.
Anders als bei nichtintelligenten Konzepten erfolgt bei den intelligenten Lösungen eine Trennung zwischen SPS-Verantwortung und Bewegungsverantwortung. Der Antriebsregler, und auch der Antriebstechniker, übernehmen plötzlich Projektverantwortung, weil sie eine eigenständige Automatisierungsinsel bilden. Das kann zu Problemen bei der Klärung der Schuldfrage im Fehlerfalle führen.
„State of the art“-Antriebstechnik bei Sigmatek
Sigmatek widmet sich schon seit langem integrierten Gesamtlösungen. Beginnend mit SPS Komponenten, über Terminals, bis hin zu Antriebssystemen, bietet Sigmatek absolute High Tech-Lösungen. Zentrales Nervensystem bildet der High Speed-System-Bus Dias-Bus. Die extrem hohe Datenrate von 11 MBd garantiert ein Update von 2,8 Millionen E/A´s pro Sekunde, womit man über jedes Zeitproblem erhaben ist. Dadurch kann sogar auf dezentrale Interrupts in Echtzeit reagiert werden, ein einzigartiges Feature in der Automatisierungsbranche.
Das komplette Protokollhandling ist sowohl von der Betriebssystemsoftware, als auch von der Anwendersoftware total entkoppelt, was eine absolute Innovation darstellt.
Sofern Antriebe zum Einsatz kommen, werden diese ebenfalls an diesen Bus angeschaltet. Sollten mehrere Achsen miteinander koordiniert werden, wird die Busleitung einfach zum nächsten Servoverstärker weitergezogen. Je nach der Distanz zwischen den einzelnen Geräten werden Flachbandleitung, 2-Draht Leitung, oder LWL-Kabel eingesetzt.
Jede CPU verfügt zumindest über einen CAN-Bus-Anschluss. Für die Anschaltung an andere Bussysteme, wie Profibus DP, Interbus-S, AS-i Bus, oder Ethernet, stehen Gatewaymodule zur Verfügung. Mit Letzteren erfüllen wir einen immer öfter gehegten Wunsch – den Zugang der Steuerung zum Internet.
Mit dieser innovativen Technik ist es möglich, globalvernetzte Automatisierungsnetzwerke in die Welt zu setzen, wir nennen das SGC – Sigmatek Global Communication. Darum prägen wir für unsere „state of the art“-Automatisierung den Leitsatz „powered by innovation“.
Applikations-beispiel
Ein Applikationsbeispiel aus der Praxis zeigt, wie Sigmatek als Systempartner bei der Realisierung einer High Tech-Maschine aus dem Bereich des Alpinrennsports eingesetzt wurde. Eine hochkomplizierte Skibelagbearbeitungsmaschine schleift – abhängig von Schnee-, Lufttemperatur, Feuchtigkeit, Skigeometrie, Fahrdisziplin, Skilänge und Fahrer – Strukturen in den Skibelag. Dazu muss in einen Schleifstein über den Umfang das exakte Negativ-muster des resultierenden Schleifbildes eingeschnitten werden. Das Einschneiden des Musters erfolgt mit einem in zwei Achsen gesteuerten Diamanten bei einer Schleifsteindrehzahl von bis zu 1 800 1/min. Die erzielbare Positioniergenauigkeit beträgt 5µm. Erschwert wird die Aufgabe dadurch, dass für ein Muster auch mehrmals der Stein abgezogen werden muss, bevor das gewünschte Muster am Skibelag entsteht. Die unterschiedlichen Schleifmuster und andere Parameter werden an der Maschine mittels eines Touch-Terminals (in weiterer Folge auf einem PC) eingestellt und gespeichert.
Diese Anforderungen erfordern ein absolut exaktes und hochdynamisches Antriebskonzept.
Sigmatek realisierte dieses Projekt mit dem Automatisierungssystem Dias, inkl. Dias-Drive und Touch-Terminal. Die SPS-CPU kontrolliert die digitalen und analogen E/A´s der Maschine und die beiden Servoantriebe. Alle Komponenten sind mit dem Dias-Bus verbunden und bilden somit ein hochdynamisches, in sich geschlossenes Automatisierungssystem. Die Programmierung des Ablauf- und des Bewegungsprogrammes wurde mit einer einzigen Programmieroberfläche realisiert. Die Performance dieses Gesamtkonzeptes war ein wesentlicher Entscheidungsfaktor bei der Auswahl des Systems duch den Kunden.
Resümee für gezielte Entscheidungsfindung
Heutzutage verschwimmen die Grenzen zwischen Antriebs- und Steuerungstechnik immer mehr – Antriebe können steuern – Steuerungen können antreiben. Die herkömmliche SPS mutiert mehr und mehr zum Automatisierungssystem. War es vor einem Jahrzehnt noch gar nicht möglich intelligente Konzepte zu realisieren, so interessiert es heute viel mehr, wie durchgängig das gesamte Projekt ist, sowohl hardwareseitig als auch softwareseitig und wieviel Zeit benötige ich vom Entwurf meiner Applikation bis zur Realisierung bzw. Auslieferung. Weitere, wichtige Kriterien bei der Entscheidungsfindung sind Wartbarkeit, Servicefreundlichkeit und Projektverantwortung des Gesamtsystems. Die große Challange für den Techniker des 21. Jahrhunderts liegt in der richtigen Bewertung der Vor- und Nachteile bei der konzeptionellen Ausarbeitung einer Gesamtapplikation. Um auch in Zukunft am Weltmarkt bestehen zu können sollten sich Systemlieferant und Anwender diesen neuen Herausforderungen stellen.
Der Slogan „intelligent um jeden Preis“ zeugt von einem ungenügenden Know-how auf diesem Produktsektor.
Ausführliche Informationen
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