In der heutigen Maschinenautomation ist es wichtig, in puncto Kommunikation nicht nur auf Schnelligkeit Wert zu legen, sondern auch auf den Funktionsumfang, den die Feldgeräte im Zusammenhang mit Ethernet-Feldbussen wie EtherCAT mitbringen. Bei der Entwicklung von EtherCAT bestand ein Hauptziel darin, als Alternative zur klassischen Analogtechnik, kurze Zykluszeiten sowie einen niedrigen Jitter zu günstigen Kosten für die exakte Synchronisierung zu bieten.
Damit sich diese Vorteile im Sinne einer hochproduktiven Anwendung auch nutzen lassen, muss der volle Funktionsumfang eines Geräteprofils wie das CiA 402 für EtherCAT auch wirklich zur Verfügung stehen. Diese Aussage führt uns zurück zur Eingangsfrage, wie viel EtherCAT eine Komponente wirklich bietet. Interessant ist vor allem der Umfang an Betriebsarten, den das Geräteprofil in seiner Gänze zur Verfügung stellt. Dabei nutzen unterschiedliche Anwendungen in der Regel auch unterschiedliche Funktionalitäten und Betriebsarten eines Profils.
Kurze Zykluszeiten erforderlich
In vielen Maschinentypen, zum Beispiel Werkzeugmaschinen, Robotern oder Verpackungsmaschinen, wirken koordinierte Achsen in einer Kinematik zusammen. Für eine präzise Koordination dieser Achsen beziehungsweise präzise Bahnführung bei hoher Bahngeschwindigkeit sind kurze Zykluszeiten und synchrone Verarbeitung auf dem Feldbus unbedingt erforderlich.
Daher besitzen beispielsweise die Antriebsregler ServoOne und ServoOne CM von LTI Motion einen extrem kurzen minimalen Buszyklus von 125 µs. Zur Erreichung einer hohen Synchronisationsgenauigkeit besitzt jeder Busteilnehmer eine exakt im System abgeglichene Uhr, die eine Synchronisationsgenauigkeit von deutlich unter 1 µs erlaubt.
Weitere Betriebsarten
Die am häufigsten verwendeten Betriebsarten sind die interpolierenden Sollwert-Modi CSV (Cyclic Synchronous Velocity), CSP (Cyclic Synchronous Position) und „homing mode“. Ferner bietet das Protokoll den Modus CST (Cyclic Synchronous Torque) für dynamische Drehmoment- beziehungsweise Stromregelung sowie „profiled modes“. Dahinter steht die Berechnung der Fahr-Trajektorie im Antrieb bei Einzelachsanwendungen. Diese Betriebsarten unterstützt LTI Motion im ServoOne und ServoOne CM und bietet alle definierten „mandatory“ Objekte, deren Parameter sich zur Laufzeit umschalten lassen.
Freies Mapping
Mit dem freien Mapping zusätzlicher Prozessdaten ist die Kommunikation zu den Antrieben weiter optimierbar. Für ServoOne und ServoOne CM gilt hierbei, dass die komplette Parameterstruktur auf dem CiA-402-Geräteprofil für Antriebsregler basiert.
Betriebsart Homing
Eine wichtige Funktion stellt die Betriebsart Homing dar. Nach „Power On“ muss ein Antriebssystem die aktuelle Position innerhalb des Fahrbereichs bestimmen, um anschließend gezielt verfahren werden zu können. Dazu unterstützen ServoOne und ServoOne CM alle gängigen Gebersysteme, vom einfachen TTL- oder Resolver-Feedback über hochauflösende SinCos-Gebersysteme mit und ohne Absolut-Information bis zu den rein digitalen Gebern gemäß EnDat oder HIPERFACE-Spezifikation. Kombiniert mit den 37 verschiedenen „Homing Methods“ aus dem EtherCAT-Geräteprofil lässt sich für jede Anwendung eine gute Lösung finden.
Touchprobe & Co.
Die Aufgabe der Touchprobe-Funktion ist, hochgenau die aktuelle Position in der Bewegung auf ein externes oder internes Triggersignal zu erfassen. Weitere Funktionen zur Handhabung der Geräte sind im Rahmen von EtherCAT beispielsweise die Dateitransfer-Modi. Mit ihrer Hilfe sind Gerätekonfigurationen beim ServoOne CM zeitsparend als komplette Datei/Image up- und downloadbar. Auch diese können per EtherCAT durch die zentrale Steuerung verwaltet und versendet werden.
Im Zeichen von Industrie 4.0 ist der zentrale Zugriff auf komplette Automatisierungssysteme ohne zusätzliche Verdrahtung notwendig. LTI Motion hat deshalb in der Baureihe ServoOne den Zugang EoE (Ethernet over EtherCAT) eröffnet. Zeitunkritische Standard-Ethernet-Kommunikation läuft getunnelt über EtherCAT. Verwendet wird dieser Weg vor allem für Service- und Bedientools sowie die Messdatenerfassung – beispielsweise im Rahmen von vorbeugender Instandhaltung oder eines Energiemanagementsystems.
Ein zweites Beispiel für die Kommunikation heißt Safety. Die funktionale Sicherheit zum Schutz des Anwenders und der Maschine zählt heute zu den zentralen Bestandteilen einer Maschinenautomation. Die ServoOne-Familie bietet hier eine skalierbare Safety-Lösung für verschiedenste Anwendungen. Von den genannten einfachen Sicherheitsfunktionen bis hin zu programmierbaren Safety-Lösungen auf dem Antriebsregler oder einer zentralen Sicherheitssteuerung. Alle Sicherheitslösungen können neben der Ansteuerung über Parallelverdrahtung auch direkt über das Sicherheitsprotokoll „Fail Safe over EtherCAT“ (FSoE) kommunizieren.
Zusammenfassung
Rückblickend betrachtet, ist EtherCAT aus CANopen entstanden – eines der ersten Busprotokolle für interpolierende Bewegungsprofile, das noch heute weit verbreitet ist. EtherCAT setzt dieses erfolgreiche Feldbusprotokoll auf Echtzeit-Ethernet-Basis fort. Die verschiedenen Profilspezifikationen und Implementation Guidelines sind im Markt akzeptiert und daher in vielfältigsten Anwendungen einsetzbar. Daraus folgt auf Reglerebene, dass diese den zur Verfügung stehenden Lösungsraum von EtherCAT möglichst umfassend unterstützen. LTI Motion setzt diesen Anspruch in der Reglerreihe ServoOne auf eine Weise um, dass sich Applikationen mit EtherCAT Kommunikation bestmöglich realisieren lassen.
Klassische Anwendungsgebiete für performante Servoantriebe reichen von Werkzeugmaschinen, über Produktionsanlagen, die Verpackungstechnik bis hin zur Robotik. Es geht nach wie vor darum, hochdynamische Regelkreise für die präzise Drehzahl- und Positionsregelung zur Verfügung zu stellen – die dann die Basis für die eigentliche Antriebsfunktionalität bilden. Erweitert wird die Regelung bei LTI Motion durch eine prädiktive Vorsteuerstruktur, programmierbare Filter, Beobachter und Kompensationsfunktionen.
