PACMotion von GE Fanuc: Maschinenautomatisierung

Dipl.-Ing. Karl Pickan, Manager Machine Automation bei GE Fanuc Intelligent Platforms in Luxemburg, erläutert die Vorzüge und Alleinstellungsmerkmale der GE Fanuc-Lösung gegenüber dem Wettbewerb. Kundennutzen Zielsetzung von GE Fanuc bei der Entwicklung der neuen Motionlösung \’PACMotion\‘ war es, die klare Marktführerschaft hinsichtlich der Leistungsfähigkeit zu übernehmen, bei gleichzeitig höchster Zuverlässigkeit und angemessenen Kosten (TCO). Ein weiteres wichtiges Kriterium war ein einfaches Engineering, denn Maschinen werden nicht von IT-Spezialisten automatisiert und gewartet, sondern von Ingenieuren und Technikern. Die optimale Integration der Antriebssteuerung in den PAC-Controller garantiert ein effizientes Engineering. Leistungsfähigkeit und Flexibilität Extreme Leistungsanforderungen werden insbesondere an Ma­schinen gestellt, die eine große Anzahl von Achsen (zwischen 8 und 100) schnell und präzise synchronisieren müssen. Hier war die traditionelle Lösung die Königswelle. Diese rein mechanische Lösung ist heute jedoch nur noch selten anzutreffen, da die elektronische Variante wesentlich flexibler ist. Man findet allerdings recht häufig Hybridlösungen. Das liegt daran, dass viele rein elektronischen Lösungen auch heute noch in puncto Leistungsfähigkeit, Genauigkeit und Funktionalität begrenzt sind. Mit PACMotion liegen die Leistungsgrenzen der Maschine nun aber nicht mehr bei der Elektronik, sondern wieder bei der Mechanik. Offene Standards Um dieses hoch gesteckte Ziel zu erreichen, musste GE Fanuc für die Hardware eine komplett neue Architektur und Technologie entwickeln, mit deutlicher Differenzierung zu bereits im Markt bestehenden Lösungen. Die komplette Software basiert bei PACMotion auf bewährten offenen Standards wie z.B. dem VxWorks-Betriebssystem, PLC­open-Programmiersprachen und -Funktionsblöcken und OMAC-Architekturen. Da die Software häufig das geistige Eigentum (Intellectual Property) des Maschinenherstellers beinhaltet, sollte hier keine Abhängigkeit zum Automatisierungslieferanten bestehen. Zentrale Software – dezentrale Hardware Beim Design der PACMotion-Steuerungsarchitektur handelte GE Fanuc nach dem Grundsatz: zentralisiere die Software so weit wie möglich, dezentralisiere die Hardware so weit wie nötig. Z.B. bleibt aus der Sicht des Programmierers und Anwenders die komplette Software zentral in einer CPU. Dies vereinfacht Programmierung, Inbetriebnahme und Wartung. Müsste z.B. ein Motor, Verstärker oder Motion-Controller getauscht werden, würden während der Power-On-Prozedur alle Programme und Parameter automatisch nachgeladen, es sind weder Programmiergerät noch irgendwelche Einstellungen erforderlich. Jeder Teilnehmer in einem dezentralisierten Netzwerk benötigt zu seiner eigentlichen Funktion ein Netzteil und eine Kommunikationsschnittstelle. Eine übertriebene Dezentralisierung der Hardware würde daher den Aufwand an Komponenten und damit auch die Störanfälligkeit erhöhen. Im Folgenden soll der von GE Fanuc bezeichnete \’goldene Mittelweg\‘ erläutert werden. Hinsichtlich der Leistung von PACSystems/PACMotion bestehen Alleinstellungsmerkmale in der Kommunikations-Architektur sowie im CPU-Design. Stern- statt Bus-Topologie Bei genauerer Betrachtung fällt auf, dass die Netzwerke in der IT-Welt generell auf Stern-Topologie basieren, in der Automatisierungswelt hingegen weitgehend auf Bus-Topologie. Zwar sind die Anforderungen nicht exakt gleich, aber auch nicht grundsätzlich verschieden. Eine Busstruktur in der IT-Welt ist schon allein wegen der geringeren Zuverlässigkeit nicht denkbar: Ein einziger \’defekter\‘ Teilnehmer wäre in der Lage, das gesamte Netzwerk lahmzulegen. Dies ist nur einer der guten Gründe, warum GE Fanuc eine sehr eigenständige Netzwerktopologie gewählt hat, nämlich eine Kombination aus Stern- und Bustopologie. Für die Controller-zu-Controller-Kommunikation (C2C) hat GE Fanuc das CMX-Netzwerk entwickelt. Funktionsmäßig kann es als gemeinsamer Datenspeicher verstanden werden. Das Ziel bestand darin, auch große Mengen von Daten deterministisch zwischen den Controllern mit extrem hoher Geschwindigkeit auszutauschen. So lässt sich z.B. der komplette Datensatz einer Steuerung in allen anderen Steuerungen in weniger als 1µs spiegeln, das heißt, alle Steuerungen verfügen über gemeinsame \’aktuelle\‘ Daten. Die Takt­rate ist mit 2Gigabaud ca. 20 mal schneller als Standard-Ethernet und ermöglicht damit einen Datendurchsatz von 170Mbyte/s. Wettbewerbssteuerungen tauschen auch Daten untereinander aus, allerdings sind dies dann immer \’alte\‘ Daten mit einem Verzug in Millisekunden und damit oft nicht verwendbar. Auf Grund hoher Störsicherheit in industrieller Umgebung kam nur Fiber-Optik als Medium in Frage, denn um Determinismus in Echtzeit zu erreichen, darf der Kommunikationszyklus nicht einfach wiederholt werden. Die galvanische Trennung zwischen sensitiver Motion-Regel-Elektronik und Servo-Power-Elektronik ist für GE Fanuc ein Muss, um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen. Hierzu ist eine Regelzykluszeit von 60µs für mindestens 40 Achsen notwendig. Dies ist mit den im Markt verfügbaren Standard-Technologien wie Sercos oder Ethernet nicht mehr machbar, deshalb kommt der bewährte Fanuc FSSB-Bus mit Fiber-Optik zum Einsatz. Nicht zuletzt hat diese Fanuc Bus-Technologie für die weltweit anerkannte Zuverlässigkeit der Fanuc-Antriebe beigetragen. Viele Millionen Servoachsen auf der ganzen Welt sind dafür ein überzeugender Beweis. Von großem Nutzen ist auch die Plug & Run Funktion: während der Inbetriebnahme ist keinerlei Konfiguration des FSSB-Motionbus erforderlich – die vorkonfektionierten Kabel werden einfach zusammen gesteckt und die Motoren drehen sich auf µs-Genauigkeit synchronisiert. CPU Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal besteht in der Verwendung der CPUs: PACSystems von GE Fanuc aktualisiert auch noch bei 40 Achsen jede Millisekunde hochgenau die synchronisierten Bahnpunkte aller Servoachsen. Die Anforderung einer solch hohen Rechenleistung in Kombination mit einer komplexen Logik-Software würde sich nicht sinnvoll mit einer einzigen CPU realisieren lassen. Deshalb verwendet PACSystems eine Multi-Prozessor-Architektur: Je nach Leistungsanforderung wird das entsprechende CPU-Controller-Modul gewählt; für High-End-Anwendungen steht eine 1GHz-CPU mit 64Mbyte Anwenderspeicher zur Verfügung, die E/A-Anzahl ist nahezu unbegrenzt. Die Haupt-CPU wird nicht mit Motionfunktionen sowie der komplexen Bahnberechnung belastet, dies wird von Motion-Coprozessor-Modulen übernommen. Ein Motionmodul steuert vier Servoachsen, maximal 40 Servoachsen in einem Rack. Das heißt: Durch die klare hardwaremäßige Aufteilung zwischen Haupt-CPU und Motion-CPU reduziert die Motion-Anwendung nicht die Controller-Leistung. Die Motion-Funktionen und -Befehle selbst sind trotzdem vollständig in ein einziges Steuerungsprogramm und damit in PACSystems integriert. Der PCI-Bus ermöglicht auch den Datenaustausch in Echtzeit zwischen der Logik-CPU und den Motion-Coprozessoren. Mittels gemeinsamen PCI-Bus werden die Servomodule und damit die Servoachsen mit µs-Genauigkeit synchronisiert. Diese Synchronisierung über den PCI-Bus führt auch zu einer höheren Betriebssicherheit, da bei diesem Ansatz je Achsgruppe bzw. je Maschineneinheit ein separater Motion-Bus zur Verfügung steht und somit ein einzelner Busfehler nicht zu einer Desynchronisierung aller Achsen führt. Dieses Hardware-Konzept ermöglicht ein durchgängiges Engineering von kleinen, einfachen Anwendungen bis hin zu höchst komplexen Produktionsanlagen mit mehr als 100 Servoachsen und mehreren Steuerungen. Die Skalierbarkeit garantiert hohe Wirtschaftlichkeit, denn der Aufwand und damit die Kosten für die Hardware entsprechen immer genau den Anforderungen. Kernfunktionalität \’Elektronische Königswelle\‘ Die Umsetzung der Funktionalität \’elektronische Königswelle\‘ bestimmt bekanntlich maßgeblich die Leistungsfähigkeit sowie die Flexibilität der Produktionsmaschine. Alle 40 Servoachsen eines PACMotion-Systems können Master einer anderen Achse sein; bis zu zehn externe Encoder oder bis zu zehn sogenannte \’virtuelle\‘ Achsen können Masterfunktionen übernehmen. Diese Master- und Slave-Achsen werden dynamisch verwaltet, das heißt, ohne Produktionsstopp (\’on the fly\‘) können alle Master und Slaves in Echtzeit ein- und ausgekuppelt werden. Dies ermöglicht eine bisher nicht gekannte Flexibilität und Dynamik der Maschine. Fiber Terminal Block Als einziger Anbieter am Markt bietet GE Fanuc für die schnellen Motion-Ein- und Ausgänge eine dezentrale Fiberoptik-E/A-Baugruppe an, welche die Ein- und Ausgangssignale nicht in Millisekunden, sondern im µ-Sekundenbereich verarbeiten kann. Damit können die empfindlichen Signale von extrem schnellen Sensoren, wie z.B. Druckmarken, absolut störunempfindlich bis zu 100m übertragen werden. Mit der gleichen Baugruppe werden auch mehrere Ausgänge mit der Funktion \’elektronische Nockenwelle\‘ zur Verfügung gestellt. Diese Ausgänge werden µs-genau zu den verschiedenen Mastern mittels einer Nockenschaltwerktabelle synchronisiert. Bis zu zehn dieser dezentralen Fiber-Optik-Baugruppen können in die PAC-Steuerung integriert werden. Durchgängiges Automatisierungssystem PACMotion basiert auf integrierter Architektur. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile: eine schnellere Markteinführung, weniger Entwicklungsaufwand, reduzierte Schulungskosten und vermehrte Einsatzmöglichkeiten für die Applikations-Software. Für manchen Anwender mag der größte Vorteil darin liegen, dass die Fanuc Servosysteme erstmals mit vollem Leistungsumfang in PACSystems integriert sind. Fanuc Servosysteme mit den markanten \’roten Motorkappen\‘ haben Weltruf. Die anerkannte Zuverlässigkeit und Leistung aus der CNC- und Roboter-Welt ist nun auch für Produktionsmaschinen verfügbar, deren Funktionalität auf der elektronischen Königswelle basiert.