Positionieren über Ethernet: Einfach positionieren durch praxisgerechte Systemlösungen mittels Ethernet-basierenden Bussystemen

Die jüngsten Aussagen von Günter Baumüller, Vorsitzender des Fachbereichs Elektrische Antriebe, auf der Mitgliederversammlung des ZVEI-Fachverbands Automation bestätigen den Erfolg der deutschen Maschinen- und Anlagenbauer: Demnach wird auch in diesem Jahr mit einem Plus beim Umsatz mit elektrischen Antrieben, bedingt durch den weiterhin starken Export, gerechnet. Für den wirtschaftlichen Erfolg eines Unternehmens stellen flexible und kosteneffiziente Antriebe in Kombination mit immer leistungsfähigeren SPSen, eine der wichtigsten Anforderungen an ein modernes und leistungsfähiges Automatisierungssystem dar. Dazu formuliert sich aus Anwenderseite der Wunsch, sich möglichst nur auf die Kernkompetenz des Maschinen- und Anlagenbaus zu konzentrieren und nicht mit Details der Antriebssteuerung und deren Programmierung bzw. Parametrierung konfrontiert zu werden. Fällt die Wahl der Projektanten im Maschinen- und Anlagenbau auf eine zentrale Ansteuerung der Antriebe, erübrigt sich die Integration von Motion Control-Lösungen im Antrieb, da eine übergeordnete, leistungsfähige SPS für die Ansteuerung und Überwachung zuständig ist. Dies hat zwei Vorteile: Durch Verzicht auf Motion Control-Funktionalitäten im Antrieb können zum einen Kosten eingespart werden. Dies kommt denjenigen entgegen, die sich am Markt unter dem ständig wachsenden Druck der Kostenreduzierung behaupten müssen. Zum anderen ermöglicht der Einsatz von immer schneller werdenden Bussystemen (Stichwort: Real Time Ethernet) in Zusammenarbeit mit immer leistungsfähigeren speicherprogrammierbaren Steuerungen eine zentrale Verwaltung der Bewegungsführungen ohne Performance- und Modularitätsverlust. Produkte bei Panasonic Panasonic Electric Works stellt genau für diese Anwendungsbereiche ein Komplettpaket für die Automatisierung, bestehend aus SPS und Servoantrieben, bereit. Es ist zum einen eine SPS, die sich um die Ansteuerung der Antriebe, den übrigen Maschinenablauf sowie um die Visualisierung und Kommunikation zur übergeordneten Rechnerwelt kümmert. Zum anderen sind es die Servoantriebe, die sich u. a. mit einer auf Ethernet basierenden Echtzeit-Bus-Lösung im Preis/Leistungsverhältnis erfreulich positiv präsentieren und auf die übrigen Module durch den modularen Aufbau abgestimmt sind. Flexibilität von Motion Control Um die Motion Control-Applikation erfolgreich zu projektieren, bildet die SPS FP?(Sigma) (Bild 2) die Basis. Sie hat im Wesentlichen die Aufgabe, die Antriebe intelligent innerhalb der gesamten Maschinenabfolge zu steuern und die Kommunikation zur Feldebene wie auch zur Prozessebene durch integrierte Schnittstellen zu organisieren. Dabei stehen zur Ansteuerung der Servoverstärker mehrere Lösungsansätze zur Auswahl. So kann man fertige Verfahrsequenzen auf dem Servoverstärker (Panasonic Servoantriebe, Serie Minas A4P) ablegen und diese dann von der angeschlossenen SPS mittels digitaler Ein-/Ausgänge star­ten/ stop­pen bzw. verwalten. Der zweite Lösungsansatz der Verfahrsteuerung wird mit Verwendung der sogenannten Puls- oder Schrittmotorfunktion realisiert. Dabei wird der Servoantriebsverstärker (Panasonic Servoantriebe, Serie Minas A4) ähnlich wie ein Schrittmotor durch einen Richtungs- und einen Pulseingang gesteuert. Dieses Interface verbindet die einfache Ansteuerbarkeit des Schrittmotors mit den Vorteilen des Servomotors, wie z.B. höhere Einsatzbereiche oder die Abwesenheit von Schleppfehlern. Die dritte Möglichkeit, und zugleich Highlight der FP? (Sigma), wird durch die Einbindung der Servoverstärker in ein Bussystem und deren Ansteuerung direkt im Motion-Betrieb ermöglicht. Die Verarbeitung der gesamten Positionierung wird in der SPS realisiert, und die Daten sämtlicher Servoverstärker (Panasonic Servoantriebe, Serie Minas A4N) werden vom FP?(Sigma) RTEX Motion Control-Modul gelesen und geschrieben. Das Panasonic Ethernet-Bussystem ermöglicht in Ringstruktur bei einer maximalen Buskabellänge von 200m die Ansteuerung von bis zu 16 Achsen. Die Busverbindung wird dabei durch LAN-Kabel der Kategorie 5e realisiert. Hinsichtlich kosteneffizienter Verdrahtung ist diese Realisierung deutlich günstiger als die Verwendung spezieller Buskabel. Mit einer Kommunikationsgeschwindigkeit von 100MBit/sek. zwischen Steuerung und Servoantrieben zählt diese Lösung zu den reaktionsschnellsten auf dem Markt. Motion Controller einfach programmieren Die Applikationserstellung gestaltet sich für den Programmierer durch Nutzung von fertig programmierten Funktionsbausteinen einfach. Diese bieten neben den Standardfunktionen, wie z.B. Tippbetrieb, absolutes/ relatives Verfahren und Referenzierung, auch Bausteine zur Linearinterpolation und Kreisinterpolation von Antriebseinheiten. Die zur Parametrierung der RTEX-Baugruppe zu verwendende Software Configurator PM spart durch hilfreiche Einstellungs- und Inbetriebnahmefunktionalitäten wertvolle Zeit bei Tests, sowie während der Endabnahme der Maschinensteuerung ein. Durch die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit der Positionierbaugruppe, die für einen kompletten Refresh der Daten nur etwa 1ms benötigt, ist es möglich, schnelle Reaktionszeiten für Start und Stopp von Servosystemen zu realisieren. Antriebe steuern und überwachen über Ethernet Das Antriebskonzept wird durch die Servoantriebe der Serie Minas A4N (Bild 3) abgerundet. Diese ermöglichen durch die niedrigen Zugriffszeiten über das Echtzeit-Ethernet-Bussystem im Verbund mit der FP?(Sigma) RTEX-Baugruppe eine Realisierung komplexer Verfahrprofile auch mit mehreren Achsen. So lassen sich alle relevanten Daten wie Alarme bzw. Antriebsdaten ohne zeitliche Verschleppung in der SPS verarbeiten und visualisieren. Des Weiteren sind Effekte wie die Reduzierung mechanischer Aufbauten, Verkürzung von Maschinenumrüstzeiten sowie Flexibilisierung von Maschinen und Produktionsprogrammen nur einige weitere positive Aspekte der Lösung. Die Serie Minas A4N baut im Vergleich zum Vorgängersystem bis zu 30% kleiner, sowohl beim Motor als auch bei den Servoantriebsverstärkern. Die Verstärker, die Motore im Leistungsbereich von 50 bis 5.000 Watt ansteuern, bieten neben optimierter Verdrahtungstechnik ein Real- Time-Auto-Gain-Tuning, das auch im Produktionsbetrieb die einmal gefundenen Parameter weiter verbessern kann. Außerdem können mechanische Resonanzen in einem Maschinensystem, die letztlich über den Motor auf den Servoumrichter wirken und diesen im ungünstigsten Fall zum Schwingen anregen, durch den Servoverstärker und der entsprechenden Software erkannt werden. Es werden dann entsprechende Sperrfilter, die dieses Resonanzverhalten unterdrücken, aufgeschaltet. Dynamische Bewegungsabläufe in der Praxis Eine optimale Anwendung für das Zusammenspiel der einzelnen Automatisierungskomponenten in der Praxis zeigt die Applikation, die die Firmen Plastal GmbH, RAS Schmidler GmbH und der Panasonic-Partner Michl Elektroservice, dessen Hauptaufgabe das komplette Engineering für die Hard- und Software inkl. Schaltschrankbau und Inbetriebnahme vor Ort war, zusammen für den gemeinsamen Endkunden Ford realisiert haben. Dabei wurde eine Maschine für Klebevorrichtungen (Bild 4) automatisiert. Ein Hauptaugenmerk lag in der sehr dynamischen und präzisen Positionierung, ein anderer im reibungslosen Zusammenspiel der verwendeten Komponenten wie SPS FP?(Sigma) mit 6-Achsen-Positionierung mittels RTEX, Touch-Bediengerät GT21, dem Bildverarbeitungssystem PV310 von Panasonic und Produkten für die Sicherheitstechnik. Die grundlegende Aufgabenstellung war es, auf je zwei Werkstücke zwei Spuren Tape (Klebeband) zu kleben und am Ende der Werkstücke eine Abreißlasche zum Abziehen des Liners (Schutzfolie auf der Oberseite des Tapes) aufzuschweißen. Zusätzlich werden auf jedes Werkstück zwei Dichtungen vom Bediener der Maschine aufgesteckt, die Anwesenheit und die Position (Höhenmessung sowie Kontrolle auf richtigen Sitz der Dichtungen) derselben werden mittels BV-System PV310 kontrolliert. Zunächst werden die Werkstücke vom Bediener in die Vorrichtung eingelegt und mittels Vakuum festgehalten, nach der Freigabe durch den Sicherheitslichtvorhang startet der Prozess. Zur Vorbereitung einer dauerhaften Verbindung zwischen Kunststoff und Tape, wird der Kunststoff durch einen Gasbrenner (Beflammung) thermisch aktiviert. Danach beginnt der Klebevorgang. Das Laminierrad des Klebekopfes wird auf das Werkstück aufgesetzt und unter dem Klebekopf durchgefahren. Hierbei ist besonders wichtig, dass die Bewegung des Werkstückes und die des Laminierrades gleichzeitig starten, wie auch die Bahngeschwindigkeit des Werkstückes und die Umfangsgeschwindigkeit des Laminierrades exakt übereinstimmen. Des Weiteren müssen alle Achsen synchronisiert werden, damit das Laminierrad beim Aufkleben des Tapes exakt der Oberfläche des Werkstückes (3D-Geometrie) folgt. Am Ende der Spur wird das Tape abgeschnitten und in Startposition für die nächste Spur gebracht, das heißt das Laminierrad dreht sich und das Tape wird vorgespendet bis ein Sensor aktiviert wird und das Tape stoppt. Das Aufbringen der drei nachfolgenden Spuren erfolgt nach demselben Prinzip. Sind alle vier Spuren fertig geklebt, werden die Abreißlaschen aufgeschweißt. Die Werkstücke werden unter die Schweißstation (Heattabber) gefahren, das Band für die Abreißlaschen wird herausgeschoben, abgeschnitten und aufgeschweißt. Nun fahren die Werkstücke zur Einlegeposition für die Dichtungen. Die Erfassung der Dichtungen und die Bestimmung der Position erfolgen durch das BV-System. Zur Vermeidung einer Blendung des Werkers und um das Bildverarbeitungssystem von Umgebungs- und Tageslicht unabhängig zu machen, wurden die Kameras mit Infrarotfiltern ausgestattet, und die Beleuchtung wurde durch Infrarot-Scheinwerfer realisiert. Sind alle vier Dichtungen korrekt aufgesteckt und verlässt der Bediener den Bereich des Sicherheitslichtvorhangs, fahren die Werkstücke in Entnahmeposition, das Vakuum wird gelöst und die fertigen Werkstücke können entnommen werden. Potenzial für Erfolg Im Maschinen- und Anlagenbau ist der Wandel zu immer anspruchsvolleren Maschinen, die schnell und effizient Aufgaben zu erledigen haben, in vollem Gange. Dabei sind die Einsatzbereiche der beschriebenen Motion Control-Lösung vielfältig und reichen von Verpackungsmaschinen, Umreifungseinrichtungen, Bestückungsautomaten, Wicklern, Fördersystemen und Schweißautomaten bis hin zu Kreuztischen in Werkzeugmaschinen. Durch den Einzug moderner Servotechnik mit Real-Time-Ethernet, gekoppelt mit SPS-Systemen, die bei immer geringerer Baugröße immer mehr an Funktionalität und Flexibilität bieten, eröffnen sich dem Maschinenbauer innovative Möglichkeiten, den Anforderungen des Kunden mit neuen Lösungskonzepten zu begegnen.