Erschienen am: 22.05.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 5 2017

Flexible Lösungen für Automatisierungsaufgaben

Funktionsmodule flexibel migrieren

Leistungsfähige Controller mit Technologieobjekten, modulare I/Os und performante Profinet-Kommunikation ist der neue Ansatz, spezielle Automatisierungsaufgaben wie beispielsweise präzises Nockenschalten oder selbstoptimierende PID-Regelung effizienter zu lösen als mit spezialisierter Hardware.


Klassische Funktionsmodule wie FM-Baugruppen gibt es in verschiedenen Ausprägungen, u.a. für das Zählen, Erfassen von Positionen, Nockensteuern und Regeln. Sie wurden entwickelt, um die Steuerung zu entlasten und die genannten Abläufe zu verbessern. Ein Funktionsmodul ist immer eine unveränderbare Kombination aus einer festen Anzahl von Ein- und Ausgängen sowie der eigentlichen Funktions-Hardware. Eingangsschnittstellen sind beispielsweise Positionsgeber, Zählsignale, Analog- oder schnelle Digitaleingänge. Die Funktion beinhaltet die Schritte Auswerten der Eingangssignale, Verknüpfen der Information mit den Vorgaben der Steuerung und Verarbeiten zu einer Reaktion, die dann als Ausgangssignal in Form von Sollwerten oder Nocken über analoge oder schnelle digitale Ausgänge an den Prozess übertragen werden.

Neue Steuerungstechnik für mehr Flexibilität

Aufgrund der gestiegenen Rechenleistung und Speicherkapazität der Controller-Familie Simatic S7-1500 von Siemens ist eine Hardware-orientierte Lösung nicht mehr nötig. Die aktuelle Steuerungsgeneration und die zugehörigen Peripheriesysteme erschließen neue Möglichkeiten für die Umsetzung technologischer Funktionen. In Verbindung mit schneller Kommunikation via Profinet, bei Bedarf auch taktsynchron in Echtzeit mit Profinet IRT, sind modulare und somit hoch flexible Lösungen realisierbar. Die dafür notwendigen technologischen Funktionen sind in Form von Technologieobjekten (TOs) in der CPU-Firmware umgesetzt und im TIA Portal projektierbar. Die Liste der TOs zur Steuerung von Achsen und zur Regelung von Prozessgrößen wurde mit Firmware V2 und TIA Portal V14 um Funktionen zur Nockenbearbeitung und Messtaster erweitert. Als Schnittstelle zum Prozess fungieren Ein- und Ausgangsbaugruppen aus dem Produktspektrum von Simatic. Für präzise zeitgesteuerte Digitalsignale, für Zählaufgaben oder zur Positionserfassung stehen zusätzlich Technologiemodule (TMs) zur Verfügung. Sie bieten prozessnahe Vor- und Nachbearbeitung für besonders schnelle Signale. Damit lässt sich das Mengengerüst skalieren bzw. exakt an die jeweilige Anwendung anpassen und flexibel erweitern. Anwender haben so die Möglichkeit, immer die für die Einsatzbedingungen am besten geeigneten Ein-/Ausgangsbaugruppen zu nutzen und bei Bedarf die integrierten Lösungen durch eigenes Applikations-Know-how zu ergänzen.

Nockensteuern mit Technologieobjekten

Der neue Ansatz erweitert die Möglichkeiten, z.B. beim Nockensteuern. Aufgabe ist dabei das Schalten eines oder mehrerer Ausgänge an bestimmten Positionen sich bewegender Maschinenteile. Bislang wurde dafür das Funktionsmodul FM352 oder FM452 verwendet, das für eine Positionserfassung, die Berechnung der Nocken und die Ausgabe der Schaltsignale zum richtigen Zeitpunkt in einem Gehäuse sorgt. Jetzt sind die Funktionen eines Nockensteuerwerks in den TOs Nocke (TO_OutputCam) und Nockenspur (TO_CamTrack) für alle CPUs der Controller-Familie Simatic S7-1500 verfügbar. Das TO Nocke ist für eine einzelne Schaltfunktion ausgelegt, während das TO Nockenspur für bis zu 32 Schaltvorgänge auf einem einzelnen Ausgang sorgt. Flexible Einstellmöglichkeiten auch zur Laufzeit ermöglichen die Anpassung an die jeweilige Aufgabe. Die erforderlichen Ein- und Ausgangssignale werden modular ergänzt. So kann die Eingangsposition für die TOs nun aus verschiedenen Quellen kommen, beispielsweise von Technologiemodulen der Peripheriesysteme Simatic ET200MP oder ET200SP. Kompakt-CPUs mit Onboard-Eingängen liefern ebenfalls einen geeigneten Positionswert. Eleganteste Möglichkeit ist die CPU-interne Nutzung von Daten der TOs Positionierachse und Gleichlaufachse. Dann ist keine zusätzliche Erfassungs-Hardware mehr erforderlich, da die Daten direkt vom Antrieb kommen. Auf der Ausgangsseite stehen ebenfalls mehrere Varianten zur Auswahl. Für Schaltgenauigkeiten im Millisekundenbereich, also im Zyklus der CPU, sind Standardausgänge eine günstige, oft hinreichend genaue Lösung. Eine deutliche Steigerung der Ausgabegenauigkeit lässt sich mit den TM Timer DIDQ und Profinet IRT erreichen, erreichen, weil sich damit ein deterministisches System aufbauen lässt. In dieser Konstellation sind die Takte der CPU und der Baugruppen synchronisiert. Das TO Nocke/Nockenspur errechnet den exakten Schaltzeitpunkt und übergibt diesen rechtzeitig an das Technologiemodul, das den richtigen Zeitpunkt abwartet und dann den Ausgang aktiviert. Damit ist systembedingt eine Ausgabegenauigkeit im Bereich von einer Mikrosekunde möglich. Im Anwendungsfall heißt das z.B., dass sich bei einer Bandgeschwindigkeit von 10m/s eine Schaltgenauigkeit von weniger als einem Zehntelmillimeter erreichen lässt.

Flexible Regelungsstrukturen

Regelungsapplikationen in verschiedenen Branchen des Maschinen- und Anlagenbaus wurden bisher häufig mit Funktionsmodulen realisiert, die es in unterschiedlichen Ausführungen als kontinuierliche, Schritt- oder Impulsregler gibt. Neben den Universal-Reglerbaugruppen FM355 und FM455 umfasst das Portfolio die Temperatur-Reglerbaugruppe FM355-2. Alle Funktionsmodule bereiten Analogwerte nach einem festen Schema auf (Filter, Quadratwurzel, Polygonzug). Die vier (bzw. 16) Regler lassen sich nur nach vorgefertigten Regelungsstrukturen miteinander verschalten. Alle Varianten der Reglerbaugruppen lassen sich nun auf drei in die Controller-Firmware integrierten Technologieobjekte abbilden: PID_Compact, PID_3Step, PID_Temp, die variabel einsetzbar und kombinierbar sind, je nach Anforderung und eingesetzten Stellgliedern. PID_Compact ist ein kontinuierlicher Regler für Aktoren mit analoger oder pulsweitenmodulierter Ansteuerung, während PID_3Step ein Schrittregler ist. PID_Temp ist - analog zur FM355-2 - speziell auf Temperaturstrecken ausgelegt und kommt zum aktiven Heizen und/oder Kühlen oder auch als Universalregler zum Einsatz. Alle drei Technologieobjekte beinhalten eine verbesserte zweistufige Selbstoptimierung zur automatischen Ermittlung der Reglerparameter, die sich aus der Inbetriebnahmemaske der Regler starten und über den integrierten Kurvenschreiber beobachten lässt. Die Soll- und Istwerte der Regler-TOs können mit den Standardfunktionen des TIA Portals flexibel aufbereitet werden. Für spezielle Funktionen, wie Hochlauframpen oder Polygonzüge, z.B. zur Linearisierung von Geberkennlinien, werden vorbereitete Bausteine angeboten. Zur Realisierung verschiedener Regelungsstrukturen lässt sich eine variable Anzahl von Reglern instanziieren und miteinander verknüpfen. Applikationsbeispiele dienen hier als Vorlagen für typische Anwendungen (z.B. Kaskadenregelung). Während bei den Funktionsmodulen zur Istwerterfassung eine begrenzte Auswahl an Strom- oder Spannungssensoren, Thermoelementen und Widerstandstemperaturfühlern zur Verfügung stehen, haben Anwender durch die freie Wahl des Ein-/Ausgabesystems nun die Möglichkeit, auf ein erweitertes Spektrum an Sensoren, zum Teil mit höherer Auflösung, zurückzugreifen, und zwar wahlweise zentral im Schaltschrank oder dezentral im Feld. Generell gilt: Module in Schutzart IP65/67, wie die kompakte Blockperipherie mit Profinet-Anschluss ET200eco PN, eignen sich für den schaltschranklosen Einsatz direkt an der Maschine. Varianten mit Vollmetallgehäuse sind zudem unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Einflüssen. Das System ET200AL ist besonders kompakt sowie leicht und daher für verteilte Anwendungen auf engem Raum oder beweglichen Anlagenteilen geeignet. Durch den modularen Ansatz lassen sich die Ausgangsbaugruppen unabhängig vom Ort der Istwerterfassung dezentral platzieren, also auf verschiedene Anlagenteile räumlich verteilen. Die Anzahl und der Typ der verwendeten Ein- und Ausgänge orientiert sich an den Bedürfnissen der Anlage. Das ermöglicht flexible und effiziente Anlagenkonzepte mit reduziertem Verdrahtungsaufwand. Damit lässt der Umstieg auf die neue Steuerungsgeneration Simatic S7-1500 wesentlich mehr Freiheiten bei der Umsetzung individueller technologischer Funktionen und bei der Anpassung an die jeweiligen Aufgaben der Maschine zu.

Migration mit Innovation

Beide Anwendungen sind beispielhaft für einen flexibleren und effizienteren Ansatz der modularen Umsetzung technologischer Aufgaben. Dieser lässt sich auf viele andere Technologiefunktionen und FMs für die Simatic S7-300 und S7-400 übertragen. Den Umstieg erleichtern vorgefertigte, kostenfrei im Internet erhältliche Applikationsbeispiele.