Einer muss im Antriebs-Verbund ja rechnen: Kommt für komplexe Bewegungsprofile im Maschinen- und Anlagenbau elektrische Servotechnik zum Einsatz, dann steckt die Intelligenz zur Berechnung von Kurvenscheiben, Positionierungen oder Nocken entweder im übergeordneten System oder in den einzelnen Achsen. Diese Verteilung hat in der Praxis zentrale und dezentrale Automatisierungsarchitekturen entstehen lassen. Gelten Applikationen mit einem „ausgewachsenen“ Industrie-PC und vergleichsweise einfachen Servostellern als hochperformant aber in der Regel teuer, stoßen Kombinationen aus intelligentem Regler und Kompaktsteuerung funktional wiederum an Grenzen. Diese Limitierung resultiert im Wesentlichen aus den Eigenschaften des eingesetzten Prozessors – aktuell meist in Form eines Atom-Chips bei den meisten Hutschienen-PCs.

Insbesondere Applikationen mit einer mittleren Zahl von Antrieben bis etwa sechs Achsen verlangen angesichts dieser Situation vom Anwender einen Spagat: Benötigen Prozesse die Regelpräzision eines IPC, dann schlägt sich dieses als anteiliger Kostenblock von „IPC pro Achse“ erheblich nieder. Wenn stattdessen der durchaus nahe liegende Weg über eine Kompaktsteuerung auf der Hutschiene eingeschlagen wird, sinkt durch die begrenzten Prozessor-Ressourcen hingegen unweigerlich die Maschinenleistung als Folge zurückgehender Zykluszeiten bei der Regelung.

Für Kollmorgen war dies der Auslöser, nach einem Weg zu suchen, um diesen Spagat zu meistern. Die Lösung: ein selbst entwickelter Controller auf Basis der Power-PC-Architektur zusammen mit einem darauf abgestimmten Betriebssystem. „Damit bekommen wir die Rechenleistung eines ausgewachsenen IPC unter dem Dach einer kompakten Antriebssteuerung“, beschreibt Alexander Hack, Vertriebsleiter Steuerungstechnik bei Kollmorgen, mit wenigen Worten die Vorteile des neuen Ansatzes.

Die so genannte AKD-PDMM-Baureihe bietet also mehr Leistung mit weniger Komponenten auf kleinstem Raum. Mit anderen Worten: Durch Integration der Steuerung im Antrieb und den IPC-Verzicht wird wertvoller Bauraum im Schaltschrank eingespart. Bis zu acht Achsen lassen sich mit extrem schnellen Geschwindigkeits- und Lageregelkreisen von einer viertel Millisekunde fahren und selbst 30 Achsen noch mit einer Millisekunde. „Diese Performance erreicht meines Wissens zur Zeit niemand im Markt“, so Hack. Er sieht das größte Potenzial dieser Lösung in Anwendungen, bei denen IPC-Lösungen aufgrund vergleichsweise geringer Achszahlen zu kostspielig sind. Reicht die vorhandene Rechenperformance dafür nicht aus, greift Kollmorgen zur Dual-Core-Technologie.

Erste Anwendungen in der Druckindustrie

Im Praxiseinsatz müssen sich die neuen Geräte aktuell unter anderem bei einem Druckereikonzern bewähren, der diese für die Registersteuerung nutzt. Letztere ist für den passergenauen Vierfarbdruck unerlässlich, indem sie Bahnspannungsschwankungen des Naturstoffes Papier präzise ausgleicht. Passergenau bedeutet, dass Farben beim Mehrfarbendruck exakt so übereinander liegen, wie sie sollen. Die Servoregler verstellen hierzu mit ihrer integrierten Positioniersteuerung die so genannten Registerwalzen. Minimale Aufwärts- und Abwärtsbewegungen der Walzen reichen aus, um etwa die feuchtigkeitsbedingte Wellung des Papiers so auszugleichen, dass das Druckbild insgesamt innerhalb enger Toleranzen bleibt. Wäre dieses schnelle und präzise Ausregeln von Material- und Prozess-Schwankungen nicht in Grenzen von 0,02 mm möglich, würde unweigerlich das Druckbild in Form von Farbverschiebungen leiden.

Die Automation-Suite bietet über die Programmierung hinaus Inbetriebnahmewerkzeuge und eine direkte MMI-Anbindung.

© Kollmorgen

Der Einbau des auf der ‚Kollmorgen Automation Suite‘ basierenden Steuerungssystems in Verbindung mit den Kollmorgen-Antrieben erfolgte bei den Tiefdruckmaschinen im Rahmen eines Retrofit. Anlass für das automatisierungstechnische Fitnessprogramm war unter anderem das Ende der Lebensdauer der bisher installierten Servoverstärker, für die es auch keine Ersatzteile mehr gab. Ziel des Retrofits war es folglich, die Zukunftssicherheit in Form von Hardwareverfügbarkeit sicherzustellen und dabei die Produktivität und Druckqualität in Gänze zu verbessern. Für die Kollmorgen-Komplettlösung sprach auch, dass diese in der Lage ist, mit den in der Anlage verbliebenen Ursprungsmotoren zusammenzuarbeiten.

Einen weiteren Pluspunkt gab es für die Art der Integration – sowohl in Form der verfügbaren Geräteschnittstellen, als auch in Gestalt der komfortabel nutzbaren Engineering-Umgebung. Die Programmierung der Servoverstärker erfolgt dabei grafisch mittels der Programmierumgebung ‚Pipe Network‘. Hack hierzu: „Ich male sozusagen die Maschine und programmiere sie dabei gleichzeitig. Im Grunde genommen haben wir es dabei mit einer mechatronischen Antriebsprogrammierung zu tun, die selbst von einem Mechaniker zu beherrschen ist.“ Mit anderen Worten: Die ansonsten sehr komplexe Programmierung wird beim Pipe Network durch eine grafische Beschreibung mit Drag&Drop-Funktion ersetzt. Ausgehend von einem virtuellen Master lassen sich sämtliche Funktionen und Beziehungen zwischen Komponenten sowie sämtliche Bewegungen und Einstellungen mit grafischen Beschreibungsblöcken definieren. Zusätzlich stehen die fünf standardisierten Sprachen der IEC 61131-3 für die Ablaufsteuerung sowie PLCopen-Motion-Control-Funktionsbausteine zur Bewegungssteuerung zur Verfügung.

Steht das System, bietet die Automation Suite ferner die Möglichkeit der virtuellen Simulation. Ohne ein einziges Gerät anschließen zu müssen, lassen sich Bewegungsprofile, Achsenzustände oder Synchronisationen in Echtzeit optimieren. „Dadurch können viele aufwendige Testläufe mit der Maschine entfallen, die Inbetriebnahmezeit wird verkürzt, mögliche Risiken frühzeitig erkannt und eliminiert“, erläutert Hack weiter. Mit dem so genannten Visualization Builder integriert die Engineering-Umgebung weiterhin eine Visualisierung, die in Kombination mit grafischen Bedieneinheiten ähnlich komfortabel zum Ziel führt, das da lautet: Schnell, effizient und kostengünstig zur gewünschten Maschinenbedienung.

Schneller reagieren

Außer als Hauptsteuerung eignet sich die AKD-PDMM-Baureihe mit optionalem und vernetzbarem Bedienpult als Motion-Controller an einer übergeordneten Steuerung. Deshalb verfügen die Geräte über eine E/A-Erweiterung, mit der lokal schnelle Reaktionszeiten realisierbar sind. Das heißt: Per Echtzeit-Ethernet ist jeder AKD PDMM in der Lage, bis zu acht Achsen mit mittlerer Komplexität in 250 μs zu koordinieren. Konkret sind für die Kommunikation serienmäßig Schnittstellen für Ethercat und Modbus TCP mit an Bord, weitere stehen optional zur Verfügung. Generell gilt, dass die Leistungsfähigkeit dieser Lösung keinen festen limitierenden Achszahlen unterliegt und vielmehr in der Lage ist, auch mehr als 100 Achsen synchron zu betreiben.

Weiterhin stellt Hack dem Anwender in Aussicht, dass sich Mehrachsmaschinen auf Basis der neuen Controller mit 20 % weniger Komponenten und 30 % weniger Platzbedarf ausrüsten lassen. Nicht zuletzt wurde die Programmierung und Kommunikation über standardisierte Verfahren und Schnittstellen so offen gestaltet, dass sich die Servoverstärker mit integrierter Automatisierungssteuerung ohne aufwendige Integrations­arbeiten in bestehende Steuerungsarchitekturen einfügen.

Statement von Alexander Hack, Kollmorgen

Immer wieder ist im Maschinen- und Anlagenbau vom kaum noch zu beherrschenden Engineering-Aufwand die Rede. Alexander Hack von Kollmorgen vertritt hierzu eine klare Meinung:

Alexander Hack ist Vertriebsleiter Steuerungstechnik bei Kollmorgen.

© Kollmorgen

„Wenn wir einmal genauer hinschauen, sind es häufig die Hersteller von Antriebs- und Steuerungstechnik, die für ihre Kunden – beispielsweise in der Verpackungstechnik – auch die Automatisierung programmieren. Dieses Delegieren wird dann nach außen gerne als ‚enge Partnerschaft‘ verkauft. Im Grunde genommen stellt diese Zusammen­arbeit aber häufig nichts anderes dar, als das von ‚normalen‘ Maschinenbauern nicht mehr mögliche Umsetzen einer Idee in Software.

Der Grund: Heutige Systeme – vor allem in der Servotechnik – sind mittlerweile so komplex geworden, dass sich ohne Herstellerunterstützung in der Regel nichts mehr so dreht, wie gewünscht. Die mechatronische Antriebsprogrammierung eröffnet an dieser Stelle wieder mehr Freiraum. Indem nämlich der Anwender seine Mechanik inklusive sämtlicher mechanischer Zusammenhänge mit beliebigen Funktionen winkelgenau definiert, hat er im Grunde genommen gleich die Maschine mit programmiert. Und wenn er dann noch – wie beim Pipe Network von Kollmorgen der Fall – mit einer Programmstruktur mit vorgefertigten Bausteinen arbeitet, muss er in Zukunft 80 bis 90 % weniger programmieren. Folglich sinken im Umkehrschluss als messbarer Vorteil die kostenintensiven Engineeringzeiten deutlich.“