Steuerungstechnik Alles unter einem Hut?!

Speicherprogrammierbare Steuerungen sorgen in vielen Automatisierungsanwendungen für ein reibungsloses Zusammenspiel einzelner Komponenten. Doch manche Bereiche des Maschinenbaus wie die Medizintechnik, Labortechnik oder Textilindustrie setzen bevorzugt auf PC-basierte Steuerungslösungen. Anwendungen in diesen Bereichen fordern oft hohe Flexibilität. Manche davon ließen sich vielleicht mit einer klassischen SPS realisieren. Allerdings fehlt bei den Entwicklern dazu oft das entsprechende Know-how, da sie seit Jahren auf PC-basierte Lösungen und C-Programmierung setzen. Zudem ist in diesen Fällen oft CANopen das Kommunikationsprotokoll der Wahl, was in vielen Bereichen heute an seine Grenzen stößt, denn es kann in manchen Anwendungsfällen nicht mehr die geforderten Geschwindigkeiten liefern.

Allerdings ist Geschwindigkeit nur eine von vielen Forderungen im Sondermaschinenbau. Wichtig sind zudem eine schnelle Time-to-Market, Zuverlässigkeit im Betrieb und möglichst geringe Entwicklungs- und Herstellungskosten der neuen Anlage. Viele Hersteller fragen sich, wie sich das alles unter einen Hut bringen lässt, ob ein einziges Netzwerk in einer Maschine oder Anlage wirklich die richtige Lösung ist oder verschiedene Netzwerke kombiniert und deren Vorteile genutzt werden können. Das bedeutet jedoch auch eine einhergehende Schnittstellenproblematik. HMS und Ixxat bieten hierfür mit der Plattform Econ 100 für kundenspezifische Steuerungssysteme eine Lösung.

Heterogene Netzwerke oder Vollumstieg?

Schon heute nutzen Maschinen und Anlagen verschiedene Kommunikationsprotokolle gleichzeitig, gerade seit sich Ethernet-Lösungen im industriellen Bereich mehr und mehr durchsetzen. Um verschiedene Netzwerke miteinander zu verbinden, werden Gateways eingesetzt. Allerdings erhöht sich dadurch der Konfigurationsaufwand deutlich. Zudem leidet in der Regel die Systemleistung und auch die Möglichkeiten zum Testen werden erschwert.

Trotzdem bringen heterogene Netzwerke viele Vorteile. Zeitkritische Komponenten wie Antriebe können über ein schnelles Kommunikationsprotokoll angesprochen werden, wie beispielsweise Ethercat. Sensorik dagegen reagiert im Vergleich zur Antriebstechnik eher träge und ist mit einem langsameren Kommunikationsprotokoll wie zum Beispiel CANopen bestens versorgt. Der Einsatz von CANopen ist daher sinnvoll, weil hier die Kosten für die verwendeten Komponenten vom Stecker und Kabel bis hin zum Controller deutlich niedriger liegen.

Während der Vollumstieg auf eine Ethernet-Lösung mit viel Aufwand und Kosten verbunden wäre, vereinen heterogene Lösungen zwei Vorteile: Höchstgeschwindigkeit da, wo es darauf ankommt, und Kosten sparen, wo Geschwindigkeit keine wesentliche Rolle spielt. Bleibt nur noch die Forderung nach einer einfachen Entwicklung von Netzwerklösungen. Klassische SPS-Konzepte können hier in der Regel nicht weiterhelfen. Die flexible Plattform für kundenspezifische Steuerungslösungen wurde genau für solche Fälle entwickelt, wo verschiedene Netzwerke kombiniert werden sollen und lässt sich für verschiedene Zwecke vom einfachen Gateway bis zur kompletten Steuerungslösung nutzen. So kann die Steuerung einerseits als Subsystem eingesetzt werden und die Synchronisation mit einer übergeordneten Steuerung übernehmen oder auch selbst als übergeordnete Steuerung fungieren.

Vorteile heterogener Netzwerke

Netzwerkexperten haben in den vergangenen Jahren für viele Anwendungen individuelle Steuerungslösungen entwickelt, mit denen sich die Vorteile verschiedener Kommunikationsprotokolle nutzen lassen. Aus diesen vielfältigen Praxiserfahrungen entstand nun ein Standardprodukt, das sich einfach an individuelle Anforderungen anpassen lässt. Die leistungsfähige Ethercat-Master-Lösung zur Hutschienenmontage ist durch die Kombination aus Schnittstellen, FPGA, Software und Services sehr flexibel.

Das System nutzt für die Ethercat-Master-Funktionalität die Protokoll-Software von Acontis für Ethercat-Master Class B. Ein Link-Layer ermöglicht Zykluszeiten von unter 1 ms. In der Basisversion bietet das Gerät vier Ethernet- und zwei CAN-Schnittstellen, sowie zwei USB-Ports und setzt als CPU auf ein Dual-Core Cortex A9. Ethernet und CAN lassen sich also ohne großen Aufwand nebeneinander verwenden. Der interne RAM-Speicher umfasst in der Basis-Version 256 MB und kann auf bis zu 1 GB erweitert werden. Als Flash-Speicher für die Programme und das Betriebssystem dient eine SD-Karte.

Die gewählten Master-Implementierungen sowie die im Lieferumfang enthaltenen Schnittstellentreiber und das vorinstallierte Linux-Betriebssystem erlauben eine rasche Umsetzung von kundenspezifischen Anwendungen für CANopen, Ethercat und Powerlink sowie die schnelle Übernahme von bestehenden Anwendungen auf die kompakte und leistungsfähige Steuerungslösung.

Flexibel anpassbar

Wichtig war den Entwicklern, dass sich die Steuerungslösung an die Anforderungen vielfältiger Einsatzgebiete anpassen lässt. Deshalb lassen sich beispielsweise kundenspezifische Schnittstellen- oder Funktionserweiterungen wie digitale und analoge I/Os oder ein DVI-Ausgang einfach und schnell über Erweiterungsslots sowie über einen auf der Hardware vorhandenen FPGA realisieren. Der Linux-PC wurde für Automatisierungsanwendungen weiterentwickelt. Durch den Verzicht auf nicht benötigte Funktionen bietet das kompakte Gerät die Leistung eines High-End-PCs. Trotz lüfterlosem Design ist die Ixxat Econ 100 zudem in einem weiten Temperaturbereich von -40 bis +70 °C nutzbar. Auch die vielfältigen Schnittstellen helfen bei der Anpassung an verschiedene Anwendungen.

Für die schnelle und einfache Realisierung kundenspezifischer Software-Lösungen steht ein umfangreiches Board-Support-Package mit Linux-Betriebssystem zur Verfügung. Ein Application Development Kit liefert für den einfachen Einstieg in die Software-Entwicklung standardisierte Beispiele in kompilierter Form ebenso wie im Source-Code.

Vielfältige Einsatzbereiche

Die typischen Einsatzbereiche der Steuerungslösung finden sich im Sondermaschinenbau. Pick-and-Place-Maschinen in der Elektronikfertigung, Roboter, Druck- und Verpackungsmaschinen oder Schweißmaschinen sind einige Beispiele. Einen weiteren typischen Einsatzfall bietet die Laborautomation. Allen Bereichen gemein ist die Forderung nach hoher Zuverlässigkeit, denn oft ist die Steuerung in diesen Anwendungen im Dauereinsatz und muss auch bei Problemen mit der Stromversorgung zuverlässig weiter arbeiten, wie zum Beispiel bei Langzeittests oder in anspruchsvollen EMV-Umgebungen.