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Servoantrieb Durchgängig skalierbares Automatisierungssystem

| Autor/ Redakteur: Christian Bergner / Stefanie Michel

Maschinen und Anlagen werden heute meist modular aufgebaut. Doch oft mussten bisher mehrere Module mit einer zentralen Steuerung koordiniert werden. Dank eines neuen Servoantriebs mit integrierter Steuerung ist nun erstmals eine durchgängig skalierbare Lösung vorhanden.

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Durch die Erweiterung des Automatisierungssystems um einen neuen Servoantrieb mit integrierter Steuerung stehen nun Lösungen für das kleinste Maschinenmodul mit nur einer Bewegungsachse bis hin zu komplexen Multiachssystemen zur Verfügung.
Durch die Erweiterung des Automatisierungssystems um einen neuen Servoantrieb mit integrierter Steuerung stehen nun Lösungen für das kleinste Maschinenmodul mit nur einer Bewegungsachse bis hin zu komplexen Multiachssystemen zur Verfügung.
(Bild: Lenze)

Wollen Maschinenbauer die Maschinen und Anlagen in der Fertigungsindustrie modular aufbauen, mussten sie bis jetzt häufig Kompromisse eingehen und mehrere Module mit einer zentralen Steuerung regeln. Dies führte zu komplexen Softwarestrukturen, die aufwendig und nur schwer zu warten sind. Doch diesen Nachteil hat Lenze jetzt eliminiert: Durch die Erweiterung des Automatisierungssystems um einen neuen Servoantrieb mit integrierter Steuerung stehen nun Lösungen für das kleinste Maschinenmodul mit nur einer Bewegungsachse bis hin zu komplexen Multiachssystemen zur Verfügung.

Time to Market ist das entscheidungsrelevante Kriterium

Die Durchgängigkeit der Systeme des Portfolios gewährleistet den Einsatz der gleichen Applikationssoftware in allen Maschinenmodulen. So kann der OEM nun mit einfachsten Mitteln und ohne Systembruch vollständig flexibel auf jeden Anwendungsfall reagieren. Es entstehen autarke Maschinenmodule, die einzeln betrieben und beliebig kombiniert werden können. Die alte Vision eines „Plug-and-play“ der Funktionseinheiten einer Maschine ohne Adaption einer einzigen Zeile Softwarecode kann erstmals umgesetzt werden.

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Jahrzehntelang haben sich Maschinenbauer vor allem auf drei Dinge konzentriert: Performance, Verfügbarkeit und Qualität. Heute ist jedoch Time to Market die entscheidende Herausforderung geworden: Wie schnell kann eine Maschine beim Anwender in Betrieb gehen? Damit verbunden ist auch die Frage, welche Flexibilität der OEM seinem Kunden bei der Realisierung anwendungsspezifischer Sonderanforderungen bieten kann. Und damit nicht genug: Auch eine schnelle Realisierung von technischen Innovationen oder der damit verbundene Zeit- und Kostenaufwand gehört angesichts des derzeitigen schnellen technologischen Wandels zu den entscheidungsrelevanten Kriterien der Anwender.

Modularisierung von Maschinen ermöglichen

Die Trends, die im Kontext von Industrie 4.0 entstehen, bieten dem Maschinenbau Chancen, sich vom Wettbewerb zu differenzieren und die eigene Marktposition zu verbessern. Vollständige Digitalisierung bis zur Sensor/Aktor-Ebene, Anbindung an IT-Infrastrukturen und Clouds sowie die durchgängige Integration der einzelnen Maschinen ganzer Produktionslinien, inklusive der Einbindung in ERP-Systeme und MES, sind nur die wichtigsten Anforderungen, denen sich der OEM im Bereich des Software-Engineerings stellen muss. Hinzu kommt eine steigende Komplexität der mechanisch-kinematischen Ebene. Die geforderte Flexibilität in der Produktion bedingt eine aufwendigere Bewegungssteuerung und steigende Achszahlen, wenn beispielsweise flexible Roboter-Kinematiken die Aufgaben von relativ starren mechanischen Einheiten übernehmen.

Um all das in kurzer Zeit realisieren zu können, streben viele OEMs eine Modularisierung ihrer Maschinen an und entwickeln entsprechende standardisierte Funktionseinheiten, die dann einfach wiederverwendet werden können. Auf dem Reißbrett kann so eine Funktion schnell eingefügt werden. Das Hinzufügen einer zusätzlichen Funktion in eine Maschine muss aber durch Integration einer in sich abgeschlossenen Funktionseinheit möglich sein, und zwar ohne Anpassung der bestehenden Module.

Mechanik, Elektronik und Software aus einem Guss

Modularisierung kann daher nur gelingen, wenn sie in den Bereichen Mechanik, Elektronik und auch Software aus einem Guss erfolgt. Bei der Steuerungs- und Antriebstechnik kann es durchaus einen Unterschied machen, ob ein Maschinenmodul nur eine Achse umfasst oder mehrere synchronisierte Achsen beziehungsweise gar eine komplexe Antriebsstruktur mit vielen Achsen benötigt. Je nach Anwendung muss jedes einzelne Modul anders dimensioniert werden. Es stellt sich auch die Frage, ob eine in den Antrieb integrierte, dezentrale Steuerung sinnvoll ist oder das Modul von einer zentralen Intelligenz gesteuert wird.

Skalierbares Portfolio für unterschiedliche Anwendungsfälle

Das bedeutet, dass für unterschiedliche Module auch ein skalierbares Portfolio mit Steuerungen unterschiedlicher Performancelevel zur Verfügung steht – aus einem Guss, mit den gleichen Funktionalitäten. Schon bisher bediente der Automatisierungsspezialist Lenze sowohl zentrale als auch dezentrale Steuerungssysteme, die in einen Antrieb integriert sind.

Mit dem Servo-Inverter i900 kündigte der Hersteller auf der Hannover Messe ein neues Servoantriebssystem mit integrierter Steuerung an, das das Automationssystem abrundet. Der Bruch zwischen den beiden Topologien wird aufgehoben. Es kommen immer wieder die gleiche Applikationssoftware und die gleichen Engineering-Tools zum Einsatz.

Lenze zeigt, wie flexible Maschinenkonzepte mit einem skalierbaren, modularen Automationssystem und einem umfassenden Baukasten applikationsspezifischer Softwaremodule realisiert werden und eine deutliche Reduzierung des Engineeringaufwands möglich wird. Damit die Module einfach und synchron zusammenarbeiten können, nutzt Lenze herstellerübergreifende Standards und moderne Kommunikationsschnittstellen. Auf der horizontalen Ebene greifen hier Ethercat, Profinet, Ethernet/IP oder auch Automation-ML und Pack-ML der OMAC. Für die vertikale Integration mit der übergeordneten Leitebene sind es Standards wie OPC UA oder MQTT.

Verwendete Module wahlweise zentral oder dezentral steuern

Durch die Erweiterung des Automatisierungssystems um einen neuen Servoantrieb mit integrierter Steuerung stehen nun erstmals durchgängig skalierbare Lösungen für das kleinste Maschinenmodul mit nur einer Bewegungsachse bis hin zu komplexen Multiachssystemen zur Verfügung. Sowohl auf der Steuerungs- als auch auf der Antriebsebene deckt Lenze nun das Anforderungsspektrum seiner Kunden durchgängig ab.

Der Servo-Inverter i900 schlägt zudem eine Brücke zwischen dezentraler und zentraler Intelligenz. Dies ermöglicht es, dass innerhalb einer Maschine die verwendeten Module wahlweise zentral oder dezentral gesteuert werden können – die Frage des Entweder-Oder ist damit überwunden. Der Maschinenbauer kann je nach Anwendung völlig flexibel auf die Anforderungen seines Kunden reagieren, da er auf ein konsistentes Produktportfolio aus Hard- und Software bauen kann, das ihm beide Topologien gleichermaßen zugänglich macht.

So kann der i900 als dezentrale Intelligenz agieren, die sich wie andere Controller des Lenze-Portfolios über die Technologiemodule der Application-Software-Toolbox „Fast“ programmieren lässt und auf die Steuerung des Moduls konzentriert, auf dem sie eingesetzt ist. Bei Bedarf kann auch eine modulübergreifende Synchronisation einer komplexeren Maschine realisiert werden – ohne Neuprogrammierung. Die Applikationssoftware, die bisher auf den zentralen Controllern implementiert war, läuft unverändert auf der i900-Plattform. Insbesondere wenn Maschinen skaliert werden und die Zahl der Module zunimmt, was die Zahl der zu steuernden Achsen erhöht, kann auf diesem Weg die Komplexität der Anwendung reduziert und das Engineering vereinfacht werden.

Baukasten aus Hard- und Software

Für die Programmierung steht mit der Software-​Toolbox „Fast“ ein Baukasten für typische Anwendungen im Maschinenbau zur Verfügung. Maschinenspezifische Technologiemodule enthalten Standardfunktionen, wie beispielsweise Positionieren, Heben, Wickeln, Schneiden oder Siegeln für Maschinen auf den Zielmärkten Automotive, Intralogistics, Consumer Goods, Printing & Converting und Textile. Der Anwender muss die Steuerungs- und Bewegungsfunktionen der Funktionseinheit nicht mehr programmieren, sondern lediglich anwendungsspezifische Parameter einstellen. Die „Fast“-Applikationen sind in einer Vielzahl von Anwendungen getestet und erprobt und damit sofort einsetzbar.

Mit den durchgängig skalierten Automatisierungsprodukten lässt sich so für jedes Maschinenmodul in kurzer Zeit eine Baukastenlösung entwickeln. Die gewonnene Zeit kann der OEM in die Programmierung individueller Funktionalitäten stecken, die sich ebenfalls leicht in „Fast“ integrieren lassen.

Der Trick, um „Fast“-Applikationen einer zentral gesteuerten Topologie auf der i900-Plattform zu integrieren, liegt in der standardisierten Systemschnittstelle API (Application Programming Interface) auf Basis von CiA 402. Während bei der zentralen Topologie der Controller via Ethercat mit den Antrieben kommuniziert, ist dieses Interface auch im i900 implementiert. So können die Technologiemodule der „Fast“-Toolbox ebenso wie die weiteren Steuerungsfunktionen gemäß PLC-Open oder IEC 61131-3 nahtlos auf das jeweilige System abgebildet werden. Dadurch kann Lenze volle Rückwärtskompatibilität für die bereits erstellten Programmierungen bieten.

Intelligente, kundenindividuelle Maschinen schnell auf den Markt bringen

Lenze bietet mit seinem ergänzten Portfolio ein durchgängiges Automationssystem, dessen Komponenten sich feinskaliert miteinander kombinieren lassen. Für Maschinen mit einer Bewegungsachse bis hin zu Multiachssystemen mit einer leistungsfähigen zentralen Steuerung für komplexere Maschinen stehen Lösungen aus einem Guss zur Verfügung. Das ermöglicht es dem Maschinenbauer, einen modularen Ansatz bei der Maschinenentwicklung zu fahren und hochflexible intelligente und vor allem kundenindividuelle Maschinen möglichst schnell auf den Markt zu bringen. MM

* Christian Bergner ist Leiter Produktmanagement Servo Drives & Motors bei der Lenze SE in 31763 Hameln

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