CAN hat sich über viele Jahre bewährt, nutzt ein vergleichsweise leicht verständliches Protokoll, kostet pro Knoten wenig und ist auch aufgrund der großen Auswahl an Automatisierungskomponenten mit integrierter CAN-Schnittstelle nach wie vor eine gute Wahl, wenn es um die Vernetzung kleinerer und mittlerer Maschinen mit einigen Achsen geht. Soll jedoch in einer Maschine mit zentraler Steuerungsarchitektur eine größere Zahl an Achsen koordiniert gefahren werden, stößt CAN schnell an seine Grenzen. Deutlich sichtbar wird dies z.B. am Absinken der erreichbaren minimalen Zykluszeit mit wachsender Zahl der Busteilnehmer. Während bei CAN bereits das Hinzufügen einer vierten Achse in der Praxis eine Halbierung der minimalen Zykluszeit nach sich zieht und gegebenenfalls ein zweites Bussegment erfordert, sind beim Einsatz von EtherCAT kaum busbedingte (praxisrelevante) Grenzen bei der Zahl der Busteilnehmer gegeben. EtherCAT: Motion Control-Bussystem mit Zukunft Die Ursache für die besondere Eignung von EtherCAT als Motion Control Bussystem ist in der Architektur und dem Aufbau des Busses bzw. des Protokolls zu suchen. Grundsätzlich arbeitet EtherCAT nach dem Master Slave Prinzip und nutzt (wie vom Interbus bekannt) eine Ringstruktur. Das heißt, ein Master (z.B. die Steuerung) sendet ein Telegramm aus. Der erste Slave (Antrieb, I/O usw.) im Ring entnimmt im Durchlauf mithilfe spezieller Hardware Soll-Werte und fügt gegebenenfalls Ist-Werte ein und schickt das Telegramm dann gleich an die nächste Station im Ring weiter, bevor er mit der eigentlichen Verarbeitung der erhaltenen Daten/Befehle beginnt. Genau diese Bearbeitung der Telegramme \’on the Fly\‘ bewirkt die sehr kurzen Durchlaufzeiten pro Slave, die im Bereich weniger Mikrosekunden liegen. Vorteilhaft an EtherCAT ist auch, dass das Protokoll so aufgebaut ist, dass der Großteil der verfügbaren Bandbreite für Nutzdaten zur Verfügung steht: Da nicht für jeden Teilnehmer bzw. jedes Datum ein eigenes Telegramm geschickt wird, sondern häufig ein einziges Telegramm pro Zyklus ausreicht, ist mit EtherCAT prinzipbedingt eine besonders effiziente Ausnutzung des Mediums Ethernet möglich. Eingestellt auf dynamische, synchronisierte Bewegungen Für die Realisierung dynamischer, synchronisierter Bewegungen mit vielen Achsen ist der Synchronisationsmechanismus mindestens ebenso wichtig wie eine hohe Bandbreite und kurze Durchlaufzeiten. EtherCAT greift hier auf das Prinzip verteilter Uhren zurück (Distributed Clock, DC). Dabei wird die Uhrzeit der Hauptuhr, die im physikalisch ersten DC-fähigen Busteilnehmer im Ring realisiert wird, über den Bus zu den Nebenuhren übertragen. Die hohe Synchronisationsgenauigkeit von deutlich unter 1µs wird dabei durch eine laufzeitkompensierte Nachregelung der Nebenuhren erreicht. Ein weiterer Pluspunkt, den insbesondere die Steuerungshersteller schätzen, ist, dass bei EtherCAT die Realisierung eines Masters keine Spezialhardware, sondern nur eine Standard-Ethernet-Schnittstelle und Software erfordert. Hilfreich ist für viele Hersteller von Automatisierungskomponenten auch, dass EtherCAT den CAN application layer over EtherCAT (CoE) anbietet. Damit wird die herstellerseitige Migration (Anpassen der Firmware und der Hardware) von CAN zu EtherCAT erleichtert. Für Anwender, die mit CANopen vertraut sind, bedeutet der Einsatz von CoE eine verkürzte Einarbeitungszeit, weil bekannte CANopen-Datenstrukturen wie Servicedatenobjekte (SDO) oder Prozessdatenobjekte (PDO) auch bei CoE Verwendung finden. Auch dies hat sicherlich zur hohen Akzeptanz von EtherCAT in der Industrie geführt – ein gerade für den Anwender bzw. Maschinenbauer wichtiges Faktum. Der Gemeinschaftsstand der ETG (EtherCAT Technology Group) auf der SPS/IPC/Drives führte den Besuchern eindrucksvoll vor Augen, dass EtherCAT in der Industrie eine starke Verbreitung und Unterstützung erreicht hat. Controller-based Automation und EtherCAT Wegen dieser Eigenschaften von EtherCAT hat sich Lenze entschieden, bei seinem Antriebs- und Automatisierungspaket für die zentrale Bewegungsführung durchgängig auf diesen Bus zu setzen. So ist die für Mehrachsanwendungen konzipierte MotionControl-Plattform, der Controller 3200C, ebenso werkseitig mit einer EtherCAT-Schnittstelle ausgestattet wie das neue Antriebssystem Servo-Inverter i700. An den Controller direkt anreihbar ist das I/O-System 1000, das darüber hinaus abgesetzt und über einen EtherCAT-Buskoppler problemlos in die Architektur eingebunden werden kann. Dies bedeutet, dass sowohl Antriebe als auch I/Os für die Steuerung vollständig transparent sind. Damit ist es möglich, das Engineering und die Inbetriebnahme zu vereinfachen sowie erweiterte Diagnose- und (Fern-) Wartungskonzepte zu realisieren. Anwender erhält erweitere Funktionalität im Paket Greift ein Anwender auf die Paketlösung von Lenze zurück, erhält er nicht nur die gewohnte Qualität, sondern auch zusätzliche Vorteile, die auf die Durchgängigkeit und Transparenz der Architektur zurückzuführen sind. So kann der Anwender mit dem PLC Designer, der Engineering-Umgebung von Lenze für Controller-based Automation, sowohl die Steuerungs- als auch Antriebsanwendung mit nur einem Tool realisieren. Darüber hinaus lässt sich mit dem gleichen Werkzeug die komplette Parametrierung und Inbetriebnahme der I/Os und der i700-Antriebe durchführen. Zusätzlich sind in den PLC Designer bereits alle Motordaten der Lenze-Motoren eingepflegt, sodass eine Drehmomentregelung optimal eingestellt werden kann. Liegen die Daten ausnahmsweise nicht vor, können diese automatisch durch einen Identifikationslauf ermittelt werden. Auch eine Fehlerkompensation für den Resolver kann automatisiert eingestellt werden. Eine Oszilloskop-Funktion innerhalb des Inverters unterstützt die Beurteilung und Optimierung der Einstellungen. So kann die bestmögliche Regelung im Handumdrehen erreicht werden. Ein weiteres Beispiel für die Vorteile der Durchgängigkeit und Transparenz, die das Lenze-Gesamtpaket für Controller-based Automation auszeichnet, ist das zentrale Logbuch. Es protokolliert alle Ereignisse der angeschlossenen Umrichter. Damit können sich Bediener oder das eigene Service-Personal jederzeit und mit geringem Aufwand einen Überblick über den Zustand der Maschine verschaffen. Automatischer Software-Upload beim Hochlauf der Maschine Die zentrale Datenhaltung und die Durchgriffsmöglichkeit bis in den Antrieb wird von Lenze auch genutzt, um die Inbetriebnahme bzw. Wartung der Maschine zu vereinfachen und zu beschleunigen: Auf der Steuerung werden die Parametersätze sowie gegebenenfalls die Firmware für die angeschlossenen i700-Antriebe abgelegt. Damit müssen die Antriebe vor dem Einbau bzw. einem Gerätewechsel nicht erst mit der Software bespielt werden, sondern erhalten diese automatisch von der Steuerung. Das bedeutet, ein Antrieb erhält ohne manuelles Eingreifen alle für den Betrieb notwendigen Softwarekomponenten und Daten, sobald sich das Gerät nach der Montage bzw. dem Gerätetausch beim Hochfahren der Maschine bei der Steuerung anmeldet. Dies verkürzt nicht nur den Zeitaufwand für die Inbetriebnahme, sondern ermöglicht die Inbetriebnahme und den Gerätetausch auch ohne spezielle Fachkenntnisse des Personals. Gerade für die Serienproduktion ist ein weiteres Feature der Controller-based Automation-Lösung von Lenze interessant. Die Inbetriebnahme kann mithilfe eines vorbereiteten USB-Sticks erfolgen, auf dem neben der Software für die Steuerung auch die für die angeschlossenen Feldgeräte (z.B. I/O 1000, i700-Antriebe) abgespeichert ist. Nach dem Verbinden des Sticks mit der Steuerung muss die Maschine nur hochgefahren werden, um das automatische Aufspielen der Software anzustoßen. Weitere Eingriffe durch das Inbetriebnahmepersonal sind nicht erforderlich. Zentrale Bewegungsführung für große Anzahl koordinierter Achsen Soll in einer Maschine eine größere Zahl an Achsen koordiniert gefahren werden, bietet sich eine zentrale Bewegungsführung in Kombination mit dem Hochleistungsbus EtherCAT an. Dabei ist besonders wichtig, dass alle Elemente des Antriebs- und Automatisierungssystems gut aufeinander abgestimmt sind. Nur so kann das verfügbare Leistungspotenzial der Komponenten auch ausgeschöpft bzw. unnötige Kosten vermieden werden. Lenze verfügt hier über ein maßgeschneidertes Automatisierungsportfolio für Controller-basierte Architekturen, das durch das neue Antriebssystem Servo-Inverter i700 für Mehrachsanwendungen optimal ergänzt wird. Damit lassen sich leistungsfähige Mehrachsanwendungen effizient und kostengünstig realisieren.
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