Elektronische Nockensteuerungen immer noch up-to-date

Wieder anderen stellt sich die Frage, wozu spezielle elektronische Nockensteuerungen notwendig sind und warum man nicht eine SPS für dieselben Zwecke einsetzen könnte. Der folgende Beitrag erläutert die speziellen Aufgaben und besonderen Herausforderungen dieser Schaltwerke. Frühe Wegbegleiter der Automatisierung Ob zur Ventilsteuerung in Motoren, zur zeitlichen Steuerung der Programmabfolge in Waschmaschinen oder auch, in etwas variierter Form, als Stiftwalzen bei Spieluhren – das Prinzip der mechanischen Nockenschaltung ist ebenso einfach wie zuverlässig: Auf einer Welle, deren Rotation über ein Getriebe mit den Bewegungen einer Maschine synchronisiert wird, sind die Nockenscheiben aufgereiht. Diese haben entweder eine ellipsoide Form oder ihr Radius weist \’Nocken\‘ genannte Ausformungen auf, die beim Rotieren der Scheiben über achsparellel angeordnete Schalter oder Stößel fahren und diese dabei betätigen bzw. herunterdrücken. Schon zu einem frühen Zeitpunkt in der noch relativ jungen Automatisierungsgeschichte ermöglichten es mechanische Nockensteuerungen, maschinelle Abläufe zyklisch zu steuern und zeitlich exakt aufeinander abzustimmen. Eine spezielle Eigenschaft der Schaltwerke liegt konstruktionsbedingt darin, dass sie funktionale Einheiten in fester Abhängigkeit von Maschinenpositionen steuern. Deswegen zählen beispielsweise Verpackungsmaschinen, die einfache, exakt aufeinander abgestimmte Bewegungen in hoher Geschwindigkeit ausführen, zu den typischen Einsatzfeldern. Hier haben allerdings elektronische Nockensteuerungen ihre mechanischen Vorgänger abgelöst. Elektronische Nachfahren der mechanischen Schaltwerke Elektronische Nockensteuerungen haben außer ihrer Funktion nicht mehr viel mit den mechanischen Schaltungen gemein. Bei ihnen handelt es sich um Recheneinheiten, die die aktuellen Positionen der Maschine von Winkelcodierern erhalten. Jeder Ausgang einer elektronischen Nockensteuerung entspricht einer Nockenscheibe, wobei die zyklisch ausgegebenen Signale zur Ansteuerung der Aktoren in funktionaler Hinsicht dem mechanischen Impuls der rotierenden Nocken entsprechen. Auf jeden Ausgang lassen sich beliebig viele Nocken programmieren. Die Programmierung kann je nach Modell entweder über eine PC-Schnittstelle oder über integrierte Bedienoberflächen erfolgen. Nockensteuerungen von Deutschmann verfügen zudem über Modbus RTU-Schnittstellen, sodass sich die Geräte mit entsprechend ausgestatteten HMIs verbinden und darüber bedienen lassen. Vorteile elektronischer Nockensteuerungen Zwar gibt es nach wie vor Bereiche, in denen mechanische Nockenschaltwerke zum Einsatz kommen, wie im bereits genannten Beispiel der Haushaltswaschmaschinen. Elektronische Nockensteuerungen sind aber aus naheliegenden Gründen den mechanischen in jeder Hinsicht weit überlegen. Neben der Verschleißfreiheit eignen sich diese Steuerungen für erhebliche höhere Geschwindigkeiten. Zudem ist eine elektronische Nockensteuerung imstande, eine große Anzahl mechanischer Schaltwerke zu ersetzen. Nicht zuletzt liegen die Vorteile der elektronischen Versionen in ihrer Flexibilität, da sich die \’elektronischen Nockenscheiben\‘, also die Ausgangssignale, über eine einfache Programmierung jeder Aufgabenstellung in kürzester Zeit und ohne Eingriffe in die Maschine anpassen lassen. Ein weiteres zentrales Kriterium liegt in der Präzision der Schaltpunkte, die elektronische Nockensteuerungen auch bei variablen Geschwindigkeiten noch in hohen Bereichen garantieren. Warum statt einer Nockensteuerung keine SPS verwenden? Grundsätzlich ließen sich die Funktionen einer Nockensteuerung auch mit einer regulären SPS abdecken. Doch \’Knackpunkte\‘ liegen hier bei der Komplexität der Konfiguration und bei der zeitlichen Präzision der Schaltpunkte. Nockensteuerungen verfügen über einen eigenen Eingang für die Winkelcodierer. Bei einer SPS hingegen erfolgt die Leitwertübertragung via Bussystem, weshalb auch Zykluszeiten und Jitter für die korrekte Schaltpunktberechnung berücksichtigt werden müssten. Zudem vereinfachen Nockensteuerungen mit integrierter Bedienoberfläche die unmittelbare Anpassung an die Applikation. Sie ermöglichen eine schnelle Einstellung und Parametereingabe über wenige Tasten und ermöglichen es dem Anwender, nach Augenmaß den Schalttakt der Ausgänge durch wiederholtes \’Knopfdrücken\‘ anzupassen, bis er ideal auf die vorgegebene Maschinenbewegung synchronisiert ist. Nicht zuletzt aber erfordert die sogenannte Totzeitkompensation hohe Rechenleistungen – eine Aufgabe, für die die Nockensteuerungen speziell ausgelegt sind. Dynamische Kompensation der Totzeit Unter der Totzeit versteht man die Zeit, die vom Setzen eines Nockensteuerung-Ausgangs bis zur tatsächlichen Reaktion des angeschlossenen Gerätes, wie z.B. dem Öffnen eines Ventils, vergeht. Diese Totzeit ist in der Regel konstant. Um diese Totzeit dynamisch, also bei variierenden Drehzahlen zu kompensieren, muss die Nockensteuerung eine programmierte Nocke in Abhängigkeit der tatsächlichen Gebergeschwindigkeit verschieben. Beispielsweise müsste ein Ventil, das bei der Position 100 öffnen soll, bei einer Geschwindigkeit von 1m/s bei Position 95, bei 2m/s bereits bei Position 90 geöffnet werden. Diese Funktion wird dynamisches Nockenverschieben oder Totzeitkompensation genannt. Weitere Anforderungen an elektronische Nockensteuerungen Nicht nur die Totzeitkompensation stellt spezielle Anforderungen an die Konfiguration der Nockensteuerung. Die Applikation kann es ebenfalls erfordern, dass der Einschaltpunkt positionsabhängig und der Ausschaltpunkte zeitabhängig, also mit einer zeitlichen Verzögerung, gesetzt werden muss. Bei den mit entsprechender Funktion ausgestatteten Geräten von Deutschmann lässt sich dafür die Zeitbasis im Bereich von 1ms bis zu 32.500ms variieren. Weitere spezielle Funktionen der Nockensteuerungen betreffen: – Richtungsnocken, – Logikfunktionen/Schieberegister – Geberüberwachung und – verriegelbare Ausgänge. Über die Funktion \’Richtungsnocken\‘ lässt sich definieren, ob die Schaltpunkte, die normalerweise richtungsunabhängig geschaltet werden, nur bei Rechts- oder Linkslauf aktiviert werden. Das Stichwort \’Logikfunktionen/Schieberegister\‘ bezeichnet Anwendungen, bei denen die Nockensteuerung SPS-Aufgaben übernimmt. Durch die logische Verknüpfung von Ein- und Ausgängen, einem Merker und einem Schieberegister können einfache SPS-Aufgaben der Nockensteuerung übergeben werden. So lassen sich schnellere Zykluszeiten erreichen, weil die SPS keine Peripherie-Arbeiten durchzuführen braucht. Beispielsweise kann das Schieberegister zur einfachen Aussortierung von guten und schlechten Endprodukten eingesetzt werden. Um Fehler durch einen defekten Geber oder ein schadhaftes Kabel zu vermeiden, bieten die Nockensteuerungen eine Geberüberwachung: Nach jedem Einlesen von Geberwerten werden diese mit den vorangegangenen Werten verglichen. Bei einer Abweichung von ±3 Inkrementen zeigt das System eine Fehlermeldung an. Zusätzlich wird bei Absolutwertgebern mit einer Auflösung von 360 bzw. 1.000 Informationen/Umdrehung bei den nicht definierten Codes eine Fehlermeldung angezeigt. Um Schäden an der Maschine durch falsche Einstellungen zu verhindern, lassen sich an den Steuerungen maschinenrelevante Ausgänge sperren und nur die Veränderung von produktrelevanten Ausgängen zulassen. Die Produktfamilien Locon und Rotarnock Deutschmanns Nockensteuerungen untergliedern sich in die Produktfamilien Locon und Rotarnock. Locon-Steuerungen sind in diversen Versionen erhältlich, die Anzahl der Ausgänge variiert zwischen acht und 144. Mit der Rotarnock-Serie hat Deutschmann Automation zudem einen neuen Weg beschritten. Hier hat der Hersteller die gesamte Nockensteuerung in das Gehäuse des Absolutwertgebers integriert. Dadurch entfällt die Verkabelung des Gebers komplett; die Ausgänge der Nockensteuerung liegen direkt am Stecker an. Grundsätzlich sind sämtliche Deutschmann-Geräte über ein Gateway an die am Weltmarkt gängigen Feldbusse anschließbar; einige Typen werden auch mit integrierter Feldbus-Schnittstelle geliefert. Hochgeschwindigkeitsgeräte mit bis zu 16 Ausgängen Das Basismodell Locon 7 stellt mit acht Ausgängen und vier wählbaren Programmen eine Steuerung dar, die sich wahlweise über ein Terminal oder über die PC-Software WinLoc 32 konfigurieren lässt. Locon 16 und Locon 17 hingegen können über eine integrierte Vier-Tasten-Oberfläche bedient werden. Sie sind mit 16 Ausgängen, 16 wählbaren Programmen und blockweiser Totzeitkompensation ausgestattet. Für hohe Geberauflösungen und hohe Maschinendrehzahlen ist Locon 9 ausgelegt. Das Gerät verfügt über acht Ausgänge und 16 Programme und erreicht mit bitweiser Totzeitkompensation in der Serienausstattung Zykluszeiten von 50µs. Die Variante Locon 9-MT ist für den Anschluss eines 24Bit-SSI-Multiturngebers ausgelegt und erreicht damit eine noch höhere Auflösung. Modelle mit integrierter Feldbus-Schnittstelle Die Rotarnock-Geräte 80 und 100 sind mit integrierter Feldbus-Schnittstelle (z.B. Profibus oder Profinet) erhältlich. Mit einer Auflösung von 360 Informationen pro Umdrehung, acht Schaltausgängen und einer bitweisen Totzeitkompensation eignet sich Rotarnock 80 für verschiedene Anwendungen. Das Gerät kann über eine PC-Oberfläche, die ProfibusDP-Steuerung oder eines der leistungsstarken Deutschmann-Terminals bedient werden. Rotarnock 100 hingegen ist ein High-End-Model: Die Auflösung beträgt 4.096 Informationen pro Umdrehung, 16 Ausgänge stehen zur Verfügung. Da die Schaltausgänge mit 700mA hoch belastbar sind, reduzieren sich zusätzliche Kosten im Schaltschrank. Für Testzwecke gibt es ein Rotarnock-Starterkit für den schnellen Aufbau im Labor. Steuerungen mit 24 und mehr Ausgängen Locon 24, 48 und 64 verfügen bei einer Bautiefe von nur 44mm über 24, 32, 48 oder 64 Ausgänge. Zur Ausstattung dieser Geräte zählen 64 Programme, die wahlweise extern oder über die integrierte Bedienfront anwählbar sind, ein Speicher für 1000 Datensätze sowie eine umfangreiche Funktionsausstattung. Die Version mit integrierter Bedienfront in den Schutzarten IP54 oder IP65 für den Fronttafeleinbau bietet eine Sieben-Segment-Anzeige für Position und Geschwindigkeit, ein zweizeiliges LCD-Display mit mehrsprachigem, vom Benutzer einstellbarem Menü und eine Zehner- und Funktionstastatur. Optional können Locon 24 und Locon 48 mit 16 Eingängen für Logikverknüpfungen ausgestattet werden. Damit lassen sich einfache Aufgaben von der SPS zur Nockensteuerung verlagern und schneller abarbeiten oder Enable-Funktionen einfach realisieren. Modular erweiterbare Ausführungen Locon 100 und Locon 200 bestehen aus erweiterbaren Basiseinheiten, über die die zentrale Istwert-Erfassung, die Kommunikation mit der Peripherie, Spannungsversorgung und Verwaltungsaufgaben geregelt werden. Locon 200 lässt sich schrittweise durch Module mit je acht E/As erweitern. Durch die Ausgestaltung als E/As ist sowohl beim Basismodul als auch bei der Erweiterungseinheit Flexibilität und ideale Ausnutzung der Hardware gegeben. Werden beispielsweise nur acht extern anwählbare Programme benötigt, sind die sonst üblichen reservierten Pins nicht etwa nutzlos, sondern können anderweitig Verwendung finden. Die Begrenzung des Systems liegt bei einer Basis-Einheit und max. 16 E/A-Modulen. Durch den Einsatz eines eigenen Prozessors für jedes Modul bleibt die Zykluszeit im Gesamtsystem konstant und ergibt sich abhängig von Konfiguration, Gebertyp und Auflösung sowie verwendeter Software-Leistungsmerkmale. Locon 100 ist um ein Modul auf insgesamt 48 E/As erweiterbar. Die preiswerteste Version bietet Locon 90. Das Gerät ist mit 16 E/As ausgestattet, von denen maximal acht als Ausgänge konfiguriert werden können. Nockensteuerungen unter Windows programmieren Deutschmanns Software WinLoc 32 bietet eine einfache grafische Benutzerschnittstelle für die Programmierung von Deutschmanns Nockensteuerungen unter Microsoft Windows 2000/XP. Features der Software in der Komfortversion sind u.a. die Online-Visualisierung der Schaltwerkszustände, die Möglichkeit zum Datentransfer von einem Schaltwerk auf andere Schaltwerke, die Teach-In-Funktion sowie eine Funktion zum Vergleich mehrerer Schaltwerke. Der Benutzer kann alle Gerätedaten als vollständige Dokumentation ausdrucken und die Zusammenstellung selbst bestimmen. In der kostenlosen Basisversion bietet WinLoc 32 bereits alle notwendigen Fähigkeiten zum Programmieren von Geräten als auch zur Datenübertragung zwischen den Nockenschaltwerken und dem PC. Die Eingabe einer Lizenznummer macht aus der Basisversion eine Komfort-Version mit einer vereinfachten Benutzung und einer erweiterten Druckmöglichkeit. Die Software ist in deutscher und englischer Sprache erhältlich. Bedienung der Nockensteuerungen über Terminals Mit der Vier-Tasten-Bedienung Term 6 lassen sich alle Nockensteuerungen von Deutschmann einfach und nach nur kurzer Einarbeitungszeit bedienen. Dafür sorgen eine klare Struktur und sinnvolle Symbole in der Siebensegmentanzeige in Verbindung mit Funktions-LEDs. Neben der Ausführung für den Fronttafeleinbau steht eine Version für die Hutschiene und eine tragbare Variante für den Servicetechniker zur Wahl. Term 24 bietet hingegen eine mehrsprachige menügeführte Bedienoberfläche, eine Zehnertastatur und Funktionstasten. Die Siebensegmentanzeige zeigt gleichzeitig die Geberposition und die Geschwindigkeit an. Je nach Anwendung können für das Gehäuse die Schutzarten IP54 und IP65 gewählt werden. Die Anbindung der Terminals erfolgt über eine RS232- oder RS485-DICNET-Schnittstelle. Vorteile des dynamischen Schaltbeschleunigers Beim Ein- und Ausschalten von magnetisch gesteuerten Schaltgliedern treten Verzögerungen auf, die ihre Ursache sowohl in der magnetischen Hysterese als auch in der mechanischen Trägheit der Komponenten haben. Mit Speedy bietet Deutschmann einen Schaltbeschleuniger, der durch einen zwischen 1 bis 10ms einstellbaren Überspannungsimpuls von 100V eine Übererregung des Magnetfeldes erreicht und somit die mechanische Trägheit schneller überwindet. Beim Abschalten wird durch eine negative Freilaufspannung die Verzögerungszeit zum Abbau des Magnetfeldes ebenfalls verringert. Der Status der Ein- und Ausgänge, sowie der Versorgungsspannungen wird über integrierte LEDs angezeigt. Speedy verfügt über verschiedene von außen einstellbare Schaltmodi, mit denen das Gerät unterschiedlichen Szenarien gerecht wird. Nockensteuerungen auch heute noch unverzichtbar Auch in Zeiten schneller SPS-Steuerungen sind elektronische Nockensteuerungen unerlässlich. Durch die stetige Entwicklung von Innovationen und die Anpassung an die aktuellen Marktbedürfnisse steht die Technologie der elektronischen Nockensteuerungen nach wie vor auf der Höhe der Zeit. Die Geräte haben schnelle, konstante Zyk­luszeiten bei einer hohen Anzahl von Ausgängen, Lastströmen bis 1A, dynamische Totzeitkompensation und verschiedene Möglichkeiten von logischen Verknüpfungen.