CNC Intelligente I/O-Module ermöglichen die Skalierung von Maschinensteuerungen

Die Änderung einer Steuerungssoftware ist meist kostspielig und fehleranfällig. Aber auch wenn die Steuerung in unterschiedlichen Maschinenvarianten eingesetzt wird, gibt es Alternativen zu einer Softwareanpassung. Mit intelligenten Feldbusmodule kann man eine pflegeleichte Steuerungsarchitektur aufbauen.

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Eckelmann Aktiengesellschaft

Zur optimalen Abdeckung der Kundenbedürfnisse bieten Maschinenhersteller ihre Produkte meist in Varianten und unterschiedlichen Ausbaugrößen an. Die steuerungstechnische Anpassung der einzelnen Maschinentypen erfordert dabei erheblichen Aufwand – und zwar hauptsächlich durch die notwendige Änderung der Applikationssoftware. Nicht weniger aufwändig ist die entsprechende Softwarepflege: Fehlerbeseitigung und die Programmierung neuer Funktionen müssen in vielen parallel existierenden Software-Varianten ausgeführt werden. Das führt zu Mehrkosten und Fehlerpotenzial.

Intelligenten CAN-Feldbusmodule können hier Abhilfe schaffen. Sie ermöglichen eine bequeme und sichere funktionale Anpassung und Skalierung von Maschinensteuerungen mit nur einer einheitlichen Software. Der Schlüssel zu dieser entwicklungs- und pflegefreundlichen Steuerungsarchitektur ist die CAN-spezifische Kommunikationseigenschaft, dass jedes I/O-Modul seine eigene und eindeutig Adresse am CAN-Bus hat.

Bei herkömmlichen Feldbussystemen verlangt jede Aktoren-/Sensoren-Konfiguration der Maschine beziehungsweise jede I/O-Konfiguration der Steuerung eine eigene Software-Version der zentralen SPS. Weil jedes I/O-Modul automatisch über den Steckplatz adressiert wird, verschieben sich die Adressen bei Wegfall eines Moduls. Dies führt zu Fehlinterpretationen der Signale oder zum Systemabbruch. Unterscheiden sich zwei Maschinenvarianten auch nur in einem I/O-Modul, muss diese Abweichung ihre Entsprechung in der SPS-Programmierung haben.

Parallel existierende Varianten der Applikationssoftware treiben die Kosten

So entstehen eine Vielzahl parallel existierender Varianten der Applikationssoftware. Dies ist mit kostenrelevanten, zusätzlichem Entwicklungs- und Inbetriebnahmeaufwand verbunden. Und dieser Aufwand wiederholt sich bei jeder Änderung der Software (zum Beispiel Updates oder Modifikationen). Das parallele Arbeiten mit unterschiedlichen Varianten erhöht zudem die Fehleranfälligkeit bei der Software-Pflege.

In dieser Situation bieten die CAN-Bus-I/O-Module der Serie E-FBM von Eckelmann technisch ausgereifte Abhilfe. Eine Besonderheit dieser Produktfamilie ist, dass jedes einzelne Modul mit der Rechenleistung einer eigenen CPU ausgestattet ist. Jedes Modul realisiert so einen eigenen CAN-Teilnehmer, der mittels Standardprotokoll mit der zentralen Steuerung kommuniziert.

Der CAN-Bus bietet optimale Voraussetzungen zur Umsetzung solch flexibler Systeme, weil sein Protokoll konsequent auf das Prinzip der verteilten Steuerung mit gemeinsamem globalen Speicher ausgerichtet ist. Zu den Eigenschaften gehören:

• Kennzeichnung über Identifier: Das CAN-Protokoll basiert nicht auf einem Datenaustausch durch Adressierung des Nachrichtenempfängers, sondern erfolgt durch Kennzeichnung einer übertragenen Nachricht über einen Identifier. Alle Netzknoten prüfen anhand der Kennung einer empfangenen Nachricht, ob diese für sie relevant ist.
• Netzweite Datenkonsistenz: Das CAN-Protokoll gewährleistet durch einen im Protokoll definierten Fehlersignalisierungsmechanismus, dass alle Teilnehmer gestörte Nachrichten als fehlerhaft erkennen. Dadurch empfangen alle Teilnehmer alle Nachrichten entweder gleichzeitig und korrekt oder gar nicht. Die Daten sind damit immer konsistent.
• Priorisierung der Identifier: Da der Identifier einer Nachricht gleichzeitig dessen Priorität in Bezug auf den Buszugriff bestimmt, ist es möglich, für Nachrichten entsprechend ihrer Wichtigkeit einen schnellen Buszugriff zu erwirken. Besonders wichtige Nachrichten können damit unabhängig von der augenblicklichen Busbelastung den Zugang zum Bus mit kurzer Latenzzeit erlangen.
• Multi-Master-System: Die Vergabe des Buszugriffsrechts erfolgt nicht durch eine ausgezeichnete Station im Netzwerk. Jeder Busteilnehmer kann mit dem Senden einer Nachricht beginnen, sobald der Bus nicht belegt ist. Der Teilnehmer, dessen Nachricht die höchste Priorität besitzt, erhält das Buszugriffsrecht.
• Erkennung von fehlerhaften Teilnehmern: Bei Überschreiten festgelegter mittlerer Fehlerraten werden Maßnahmen ergriffen, die das Einwirken eines betroffenen CAN-Teilnehmers auf das Netzwerk einschränken oder ihn vom Netzwerk abkoppeln. Auf diese Weise wird verhindert, dass ein fehlerhafter Teilnehmer das gesamte Netzwerk lahm legt.
• Lokalisation ausgefallener Teilnehmer: Ausgefallene Knoten können durch einen Abfragebetrieb festgestellt und lokalisiert werden, um geeignete Reaktionsmaßnahmen einzuleiten. Alle Teilnehmer werden von der SPS zyklisch abgefragt, um deren Anwesenheit zu prüfen. Im Rahmen dieser Prozedur kann festgestellt werden, ob alle notwendigen Teilnehmer funktionsfähig sind und welche optionalen Teilnehmer vorhanden sind.

Eine Steuerung, die sich selbst skaliert

Diese Kommunikationseigenschaften des CAN-Bus werden beim E-FBM-System zur bequemen automatischen Konfiguration und Skalierung der zentralen Steuerungslösungen eingesetzt. Ausgangsbasis einer Applikationssoftware ist die vollumfängliche Programmversion, die die maximale Ausstattung an I/O-Signalen umfasst. Das Applikationsprogramm prüft selbstständig, wie viele Feldbus-Teilnehmer tatsächlich vorhanden sind. Es stellt sozusagen automatisch fest, welche Hardware-Konfiguration beziehungsweise welche Ausbaustufe einer Maschine tatsächlich vorliegt. Die Software arbeitet dann nur die entsprechend benötigten Programmbereiche ab. Der Wegfall optionaler I/O-Module stellt die Zentralsteuerung vor keinerlei Probleme, weil sich die Adressen der CAN-Teilnehmer nicht ändern. Die intelligenten Feldbus-Module ermöglichen so den Betrieb beliebig variierender Maschinenvarianten mit nur einer Software.

Steuerung modularer Glasschneidemaschinen

Der Maschinenhersteller Hegla entwickelt, produziert und verkauft Maschinen, Anlagen und Ausstattungen zur Flachglasbearbeitung und -veredelung sowie Lager- und Logistiksysteme für Glas und Fenster. Seit über 20 Jahren arbeitet das Unternehmen mit Eckelmann als seinem Steuerungsspezialisten zusammen. Hegla bietet seinen Kunden eine breite Palette von Schneideanlagen für Floatglas, Verbundglas und Spezialgläser. Hinzu kommen Brechanlagen sowie Lager-, Handling- und Transportsysteme für die Glasverarbeitung. Hegla liefert je nach Kundenwunsch seine Glasschneide-Anlagen in unterschiedlichen Konfigurationen.

Ein Beispiel ist die Flachglas-Schneideanlage Optimax (Bild 2). Sie ist für die Bearbeitung von beschichteten und unbeschichteten Gläsern konzipiert. Als Werkzeuge kommen Ritzer zum Einsatz sowie Schleifscheiben, die bei beschichteten Gläsern vor dem Ritzvorgang die Oberfläche entschichten. Zum Einsatz kommen die intelligenten E-FBM-Module von Eckelmann. Kunden, die beide Glastypen verarbeiten, erhalten das Maschinenmodell mit integriertem Schleifwerkzeug – ergänzt um eine Vorrichtung zum Absaugen der Schleifrückstände. Ist die Bearbeitung ausschließlich von unbeschichtetem Glas beabsichtigt, reicht das Modell mit Ritzwerkzeug. Eine spätere Aufrüstung der Maschine soll problemlos möglich sein. Das Maschinenmodell mit Schleifwerkzeug und Absaugung erfordert erheblich mehr an intelligenten I/O-Modulen, die Steuerungssoftware bleibt aber gleich.

Ein weiteres Beispiel für die flexible Abstufung der Maschinenausrüstung sind die automatischen X-Y-Glas-Brechanlagen von Hegla (Bild 3). In diesen Anlagen werden Gläser mittels Positionierband über einer Brechstation abgelegt und in X-Richtung kontrolliert gebrochen. Glasflächen, die auch in Y-Richtung gebrochen werden müssen, werden über einen Eckübergabeförderer (Riementransport in X- Richtung, Rollentransport in Y-Richtung) weiterbefördert und dort senkrecht zur ersten Brechrichtung gebrochen. Je nach Komplexität der Verarbeitung schließen sich weitere Eckübergabeförderer und Brecheinrichtungen an. Auch hier variiert die Anzahl der benötigten I/O-Module in Abhängigkeit der Anlagengröße erheblich.

Komplette Steuerung wird geliefert

Eckelmann liefert nicht nur die I/O-Module, sondern die gesamte Steuerung an Hegla. Als zentrale Hardware kommen unterschiedliche Bauformen der Standard-Steuerungen zum Einsatz. Bei der Hochgeschwindigkeitsanlage Optimax Galactic zum Schneiden von Flachglas ist das eine PC-basierte CNC-Variante: eine kurze PCI-Karte mit 32-Bit-Prozessor aus der Power-PC-Familie. Über die Sercos-Schnittstelle werden die schnellen Linearantriebe angesteuert. Die I/O-Module kommunizieren mit der Steuerung über CAN-Bus. In der Vollausstattung dieser Maschine kommen sechs digitale Eingangsmodule mit je acht Eingängen und sieben digitale Ausgangsmodule mit je acht Ausgängen zum Einsatz.

In der Verbundglas-Schneidlinie Adva-Lam 46 kommen bis zu elf achtkanalige digitale Ausgangsmodule, ein 16-kanaliges digitales Ausgangsmodul, zehn achtkanalige digitale Eingangsmodule und zwei 16-kanalige digitale Eingangsmodule zum Einsatz. Zusätzliche CAN-Teilnehmer lassen sich jederzeit ergänzen. Derzeit ist der Parallelbetrieb von bis zu 127 Modulen vorgesehen.

In anderen Maschinentypen kommt vor allem eine Embedded-Variante der Steuerung (Bild 1) zum Einsatz. Als Hutschienen-Modell verfügt sie über dieselben Leistungsmerkmale wie das PC-Modell. Auch die Applikationssoftware und das Programmierwerkzeug Co-De-Sys stehen für beide Varianten identisch zur Verfügung. Dadurch ist selbst ein Wechsel der Bauform ohne Änderungen der Applikationssoftware möglich.

Signalverarbeitung in den Ein-/Ausgabemodulen

Die Verwendung von Feldbus-Modulen mit eigener Prozessor-Leistung bietet Vorteile, die über die selbstständige Skalierbarkeit von Lösungen noch weit hinausgehen. Insbesondere die Möglichkeit der Signalverarbeitung im Modul und das Prinzip der direkten Kommunikation zwischen Modulen bringen deutliche Leistungsgewinne für die SPS-Lösungen auf Basis des E-FBM-Systems.

• Signalverarbeitung im I/O-Modul: Die Leistung des moduleigenen Prozessors ist mit der Feldbus-Kommunikation nur in Ausnahmefällen völlig ausgeschöpft. Daher bietet es sich an, grundlegende Signalverarbeitungsaufgaben oder einfache Regelungsaufgaben schon am Ort des Geschehens zu bearbeiten. Zum Beispiel können Funktionen wie das Entprellen von digitalen Eingangssignalen, die Pulsweitenmodulation von Ausgangssignalen und die Grenzwertmeldung von Analogsignalen schon im Modul selbst verarbeitet werden. Spezielle Module erlauben die Positionierung von Antrieben ohne das Mitwirken einer übergeordneten Intelligenz. Diese Fähigkeiten eines Moduls sind fester Bestandteil der integrierten Software und können über den CAN-Bus parametriert werden.
• Querkommunikation: Module, die sehr schnell reagieren müssen, können Nachrichten von anderen Modulen direkt, also ohne den Umweg über die SPS, empfangen und sofort intern verarbeiten (Bild 4). Auch diese Funktionalitäten der sogenannten Querkommunikation können über den CAN-Bus parametriert werden.

Dipl.-Ing. Wilfried Schabio ist Vertriebsingenieur im Geschäftsbereich Embedded Control Systems bei der Eckelmann AG in 65205 Wiesbaden, Tel. (06 11) 71 03-0, Fax (06 11) 71 03-1 33, info@eckelmann.de

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