Die Fülle unterschiedlicher Produktionsmaschinen, von Druck- über Verpackungs- bis hin zu Maschinen im Umfeld von Pressen, vereinfacht es nicht, eine standardisierte Systemplattform zu schaffen, die den vielschichtigen Anforderungen hinsichtlich Produktivität, Qualität und Flexibilität gleichermaßen gerecht wird. Immer höhere Genauigkeit, Dynamik bzw. Flexibilität bei Produktwechseln erfordern mehr denn je eine intelligente und performante Bewegungsführung. Siemens Automation and Drives hat dafür das Motion-Control-System Simotion entwickelt, das in drei Aufbauformen (Bild 1) skalierbare Performance für unterschiedliche Anforderungen bietet. Herzstück für Produktionsmaschinen ist das flexible und performante Laufzeitsystem von Simotion. Schnittstellen reduziert Das Automatisieren von Produktionsmaschinen erfordert eine einfache und flexible Umsetzung der diversen Aufgaben. Hierfür sind bei Simotion Funktionalitäten für – Logik, – Motion Control und – Technologie in einem Gerät miteinander \’verschmolzen\‘. So können die Bewegungen und die bewegungsnahen Logik-Funktionen wie verknüpfte Ein- und Ausgangssignale in einem Programm realisiert werden. Ebenso funktioniert das mit technologischen Funktionen, wie der Temperatur- und Druckregelung. Aufgrund dieser Verschmelzung: – entfallen Schnittstellen zwischen den Komponenten und damit Programmier- und Diagnoseaufwand, – werden Programmierung und Diagnose für die gesamte Maschine vereinheitlicht und damit einfach und transparent, – entfallen Verzögerungszeiten, was zu schnellen Reaktionen und höheren Taktzahlen im Vergleich zu Systemen mit getrennten Tasks/-Prozessoren für Motion Control und SPS führt. Die Integration aller notwendigen Technologien auf einer Plattform reduziert Hardware-Komponenten und damit ebenfalls Schnittstellen, Inbetriebnahmezeit und somit Kosten. Hinzu kommen kurze und genau bestimmbare Reaktionszeiten, die eine hohe Reproduzierbarkeit des Maschinenverhaltens und damit der Produkte gewährleisten, was sich unmittelbar auf die Produktqualität auswirkt. Technologie in Objekten Der objektorientierte Systemansatz von Simotion bietet skalierbare Motion-Control-Funktionalität, von Nocken und Nockenspuren, über Positionieren, Synchronlauf und Kurvenscheiben bis hin zur 3D-Bahninterpolation mit Transformationen für diverse Handlings-Kinematiken. Basis sind sogenannte Technologieobjekte (TOs) wie Achse, Gleichlaufobjekt, Bahnobjekt, Kurvenscheibe, Nocken, Messtaster oder externer Geber. TOs sind von Haus aus mit einer hohen Funktionalität ausgestattet. Sie werden per Konfiguration angelegt, laufen im Hintergrund und stellen ihre Funktionalität überall zur Verfügung (wie Treiber). Sie ermöglichen die einfache, weil einheitliche Sicht auf die technologischen Funktionen und werden auf dieselbe Art und Weise erzeugt, konfiguriert und parametriert. Beim Parametrieren einer \’Achse\‘ (Bild 2) wird z.B. angegeben, welcher Antriebstyp angesprochen werden soll, Servo- oder Vektorantrieb, Hydraulik- oder Schrittantrieb. Das Technologieobjekt beinhaltet dann die nötige Funktionalität: ein Technologieobjekt für eine Achse beinhaltet z.B. die Kommunikation zum Antrieb, die Messwertverarbeitung, Lageregelung, Überwachungen sowie Positionierfunktionalität. Anschließend stellt es die Funktionalität in einheitlicher Sicht zur Verfügung. Im Anwenderprogramm wird die Funktionalität, unabhängig vom Antriebstyp, über individuell parametrierbare Systembefehle – z.B. _move(…), _pos(…), _homing(…) – aus einer Befehlsbibliothek aufgerufen. Zusätzlich steht eine Bibliothek mit Motion-Control-Befehlen (Single und Multi Axis) nach dem PLCopen-Standard zur Verfügung. Damit kann der Anwender sein auf Basis PLCopen vorhandenes Know-how direkt in Simotion umsetzen. Die Technologieobjekte arbeiten die Aufträge selbstständig ab und stellen entsprechende Statusmeldungen zur Verfügung. Darüber hinaus besteht eine hohe Durchgängigkeit und Integrationstiefe bis in den Antrieb hinein – mit Zugriff auf Antriebsdaten sowie Vorgaben von flexiblen Momentengrenzen und additiven Momentensollwerten, beispielsweise für die zuggeregelte Ansteuerung eines Wicklerantriebs. Bei dynamischen Anwendungen ist der minimale Reglertakt entscheidend. Servoantriebe mit Dynamic Servo Control (DSC) können mit Lagereglerzyklen von 125µs, Hydraulikantriebe mit Lageregler und Druck-/Kraftreglerzyklen von 250µs realisiert werden. Umfangreiche Einflussmöglichkeiten auf die Regelung (wie z.B. ein Drehzahlregler-Referenzmodell) ermöglichen zusätzlich die Optimierung der Achsen. Die Technologieobjekte werden instanziert und lassen sich auf mehrere Simotion-Geräte verteilen. Dabei ist die Achsanzahl unbegrenzt und Gleichlaufbeziehungen sind beliebig umschaltbar und verkettbar. Die Parametrierung der Objekte reduziert den Programmier- und Engineering-Aufwand, bietet Flexibilität in Bezug auf Funktionalität, Verschaltung der Technolgieobjekte, Verteilung (zentral/dezentral) und vereinfacht die Wiederverwendbarkeit in anderen Applikationen. Flexibilität im Ablauf Das Simotion-Ablaufsystem bietet zyklische Ablaufebenen (Tasks), sequenzielle, zeitgesteuerte und Event-getriggerte Tasks sowie Tasks, die beim Systemstart und stopp zum Einsatz kommen (Bild 3). Damit lassen sich die vielfältigen Aufgaben heutiger Produktionsmaschinen realisieren. Zyklische Tasks können auch synchron zum Bus- und Regeltakt der Antriebe (min. 250µs) abgearbeitet werden. Dadurch ist es möglich, ein Signal nicht nur schnell zu bearbeiten, sondern auch daraus sofort einen Bewegungsbefehl anzustoßen, ohne Totzeiten und im gleichen Takt. Anwenderprogramme können in jede Ablaufebene \’eingehängt\‘ werden, und die Aufrufe der Simotion-Befehle aus den Programmen sind nicht limitiert. Die Anwenderprogramme laufen quasi parallel. Aus jedem Programmteil können in den jeweiligen Ablaufebenen Funktionen auf die Technologieobjekte einwirken. Ein Beispiel: die kontinuierliche Bewegung einer Achse wird über Achsfunktionen in einer zyklischen Anwender-Task gesteuert. In einer ereignisgesteuerten Task wird eine Druckmarke erkannt und der errechnete Schlupf durch die Achsfunktion einer überlagerten Bewegung ausgeglichen. Programmiersprachen Die für Simotion verfügbaren Programmiersprachen sind auf das Ablaufsystem abgestimmt und für jeden Programmteil individuell wählbar. Zu den Sprachen Structured Text (ST), Kontaktplan (KOP) und Funktionsplan (FUP) entsprechend der IEC61131-3 steht für sequenzielle Bearbeitung zusätzlich das Motion Control Chart (MCC) zur Verfügung. Die Sprachen sind beliebig mischbar, und der komplette Funktionsumfang ist durchgängig verfügbar. Die Programme werden den gewünschten Ablaufebenen zugeordnet und in einen einheitlichen Zielcode kompiliert. In jeder Sprache gibt es umfangreiche Debug-Funktionen (z.B. Programmstatus-Anzeige, Haltepunkte und Oszilloskop-Funktionen) für Online-Test und Diagnose. Da Anwenderprogramme in kompilierter Form eingesetzt werden, arbeiten sie sehr laufzeiteffizient (Bild 4). Durchgängig synchron Die Motion-Control-Komponenten Simotion, Antriebe, Bussystem, zeitgenaue Peripherie-Baugruppen, synchrone Anwenderprogramme arbeiten taktsynchron. Die Eingangssignale von Peripherie und Antrieben werden also synchron mit dem Bearbeitungszyklus in der Steuerung erfasst und stehen dann auch zeitgenau im Anwenderprogramm zur Verfügung. Die Synchronisierung erfolgt über einen isochronen Feldbus (Profibus oder Profinet), der quasi als Taktschläger für die gesamte Maschine fungiert. Achsen können über viele Steuerungen miteinander synchronisiert werden. Das ermöglicht einerseits skalierbare Lösungen und damit auch große Achsverbände, andererseits können modulare Maschinenkonzepte mit standardisierten Komponenten umgesetzt werden. Letztendlich resultieren daraus: – hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit auch bei schnellen Maschinentakten, – hohe Produktqualität und Produktivität durch optimierte Maschinenzyklen aufgrund deterministischer Systemkomponenten und kurzer Zykluszeiten sowie – hohe Dynamik durch feste Totzeiten und hohe Verstärkungsfaktoren im Regelkreis. Kein Ersatz für Taktsynchronität sind hohe Abtastraten und schnelle Busse, die bei hohen Taktzahlen, hohen Genauigkeitsanforderungen oder vielen Achsen an ihre Grenzen stoßen, z.B. bei schnellen Schlauchbeutelmaschinen und Druckmaschinen. In unterschiedlichen Applikationen hat sich gezeigt, dass auch ein langsamer synchroner Takt bessere Ergebnisse liefert als nicht synchronisierte schnelle Takte. Gemeinsames Laufzeitsystem Ob Controller-, PC- oder Antriebsbasiert, die erstellten Anwendungen und die dazugehörigen Runtime-Software-Module können auf allen drei Hardware-Plattformen von Simotion eingesetzt werden. Auch auf unterschiedlichen Automatisierungsebenen: In einer Zentralsteuerung, in intelligenten Maschinenmodulen, verteilt über mehrere Komponenten oder direkt in einem Antrieb – also immer exakt dort, wo es die Aufgabe erfordert. Der nächste Teil der Artikelserie konzentriert sich darauf, wie sich mit Web-Funktionalitäten im Motion-Control-System auch ohne Engineering-Tools Service, Inbetriebnahme, Diagnose und Wartung sehr schnell und einfach umsetzen lassen.
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