Erschienen am: 14.04.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN Hannover Messe 2017

Dezentrale oder zentrale Steuerungstopologie?

Kein entweder/oder!

Maschinen und Anlagen werden heute meist modular aufgebaut. Passende Automatisierungstechnik sowie eine standardisierte Kommunikation fördern diesen Trend. In der Vergangenheit mussten Maschinenbauer aber Kompromisse eingehen und Module mit einer zentralen Steuerung steuern - auch wenn die Funktionalität dies nicht unbedingt erfordert - was zu komplexen, nur schwer zu wartenden Softwarestrukturen führt. Das ändert sich nun mit einer neuen Antriebslösung.


Lenze hat sein Automatisierungssystem um einen neuen Servoantrieb mit integrierter Steuerung erweitert. Damit stehen durchgängig skalierbare Lösungen für das kleinste Maschinenmodul mit nur einer Bewegungsachse bis hin zu komplexen Multiachssystemen zur Verfügung. Durch eine Durchgängigkeit der Systeme des Portfolios wird der Einsatz der gleichen Applikationssoftware in allen Maschinenmodulen gewährleistet. So kann der OEM mit einfachen Mitteln und ohne Systembruch flexibel auf jeden Anwendungsfall reagieren. Es entstehen autarke Maschinenmodule, die einzeln betrieben und beliebig kombiniert werden können. Die Vision eines Plug&Plays der Funktionseinheiten einer Maschine ohne Adaption einer einzigen Zeile Softwarecode kann somit umgesetzt werden.

Herausforderung Time-to-Market

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 wichtige Anforderungen, denen sich der OEM im Bereich des Software-Engineerings stellen muss. Hinzu kommt eine steigende Komplexität der mechanisch-kinematischen Ebene. Die geforderte Flexibilität in der Produktion bedingt eine aufwändigere Bewegungssteuerung und steigende Achszahlen, wenn beispielsweise flexible Roboterkinematiken die Aufgaben von starren mechanischen Einheiten übernehmen.

Standardisierte Funktionseinheiten

Um all das in kurzer Zeit realisieren zu können, streben OEMs eine Modularisierung ihrer Maschinen an und entwickeln standardisierte Funktionseinheiten, die dann einfach wiederverwendet werden können. Auf dem Reißbrett kann so eine Funktion schnell eingefügt werden. In der Praxis muss dies 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 Leistungsklassen zur Verfügung steht und zwar aus einem Guss, mit den gleichen Funktionen. Schon bisher bediente der Automatisierungsspezialist Lenze sowohl zentrale als auch dezentrale Steuerungssysteme, die in einen Antrieb integriert sind. Um sein Automatisierungsportfolio abzurunden, kündigt der Hersteller mit dem Inverter I900 auf der Hannover Messe ein neues Servo-Antriebssystem mit integrierter Steuerung an. Der Bruch zwischen den beiden Topologien soll damit aufgehoben werden. Es kommen immer wieder die gleiche Applikationssoftware und die gleichen Engineering-Tools zum Einsatz. Auf seinem Messestand zeigt Lenze, wie flexible Maschinenkonzepte mit einem skalierbaren, modularen Automationssystem und einem umfassenden Baukasten applikationsspezifischer Softwaremodule realisiert werden und eine deutliche Reduzierung des Engineering-Aufwandes möglich wird. Damit die Module einfach und synchron zusammenarbeiten können, nutzt der Anbieter 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 Multi-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 Servo Inverter I900 schlägt eine Brücke zwischen dezentraler und zentraler Intelligenz. Innerhalb einer Maschine können die verwendeten Module wahlweise zentral und dezentral gesteuert werden - die Frage des entweder/oder ist damit überwunden. Der Maschinenbauer kann je nach Anwendung 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 I900 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 Modules konzentriert, auf dem sie eingesetzt ist. Bei Bedarf kann auch eine modulübergreifende Synchronisation einer komplexeren Maschine realisiert werden. Und das ohne Neuprogrammierung: 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 Funktionsmodule enthalten Standardfunktionen wie beispielsweise 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 damit sofort einsetzbar. Mit den durchgängig skalierten Automatisierungsprodukten lässt sich so für jedes Maschinenmodul in kurzer Zeit eine Baukastenlösung entwickeln. Die gewonnene Zeit kann der OEM in die Programmierung individueller Funktionalität stecken, die sich ebenfalls unkompliziert in FAST integrieren lässt.

Zukunftssicher angelegt

Der Trick, um Applikationsbausteine 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 intern im neuen Inverter implementiert. So können die Technologiemodule der Toolbox ebenso wie die weiteren Steuerungsfunktionen gemäß PLCopen oder IEC61131-3 nahtlos auf das jeweilige System abgebildet werden. Dadurch kann Lenze volle Kompatibilität für die bereits erstellten Programmierungen bieten.

Fazit

Lenze bietet mit seinem ergänzten Portfolio ein durchgängiges System, das sich feinskaliert miteinander kombinieren lässt. Für Maschinen mit einer Bewegungsachse bis hin zu Multiachssystemen mit einer leistungsfähigen zentralen Steuerung für komplexere Maschinen stehen Lösungen aus einem Guss zur Verfügung. Das ermöglicht dem Maschinenbauer, einen modularen Ansatz bei der Maschinenentwicklung zu fahren und hochflexible intelligente und vor allem kundenindividuelle Maschinen möglichst schnell auf den Markt zu bringen.