Von Bernd Kunath

Kosten sparen ist eine der primären Forderungen im Maschinen- und Anlagenbau. Doch während in der Vergangenheit vorrangig die einzelnen Preise der im System verbauten Komponenten die Kalkulation bestimmten, gilt es mit zunehmender Komplexität der Anlagen, das System als Ganzes einer Kosten-Nutzen-Analyse zu unterziehen – und dies insbesondere unter dem Aspekt der modularen Einsetzbarkeit der Systembestandteile. Was damit gemeint ist, soll im Folgenden am Beispiel der Verdrahtung eines Antriebssystems dargestellt werden.

Bei der konventioneller Verdrahtung eines Servo-Systems sind sehr viele einzelne Leitungen nötig – pro digital angesteuerter Achse etwa neun digitale E/A beziehungsweise bei analoger Ansteuerung spezielle analoge Leitungen für die Geschwindigkeitsvorgabe zum Servoverstärker sowie Weggeberleitungen zur Positioniersteuerung. All diese „Strippen“ lassen sich heute durch eine einzige Ethernet-Ring-Leitung ersetzen. Im Fall der RTEX-Lösung von Panasonic – die Abkürzung steht für Real Time Express – handelt es sich dabei um eine kostengünstige und im PC-Umfeld übliche Fast-Ethernet-Leitung der Kategorie 5e (Cat-5e). Diese Leitung erlaubt eine Dezentralisierung mit einem Teilnehmerabstand von 60 m und einer 200 m umfassenden Ringstruktur über das gesamte Netz.

Neben dem geringeren Installationsaufwand trägt ein solches Vernetzungs-Konzept zur Erhöhung der Betriebssicherheit bei, da hierbei mögliche EMV-Störungen entfallen. Zudem treten weniger Kontaktprobleme auf und eine defekte Ethernet-Leitung ist schnell gefunden, indem beispielsweise das fehlende Leuchten der Link-LED auf einem Servoverstärker anzeigt, dass die Leitung zu diesem Servo nicht in Ordnung ist. Lediglich sicherheitsrelevante Eingänge wie Not-Aus-Kreis oder Hardware-Endschalter werden nach wie vor digital an den Antriebsverstärker angebunden, um das Systemverhalten entsprechend EN 954-1 sicherzustellen.

In Summe lassen sich also unter Verwendung der Ethernet-Physik bis zu 14 E/A pro Achse einsparen – ein nicht unerheblicher Kostenfaktor vor allem im Serienmaschinenbau. Damit nicht genug: Für den Applikationsingenieur ergeben sich zudem Zeitvorteile bei der Inbetriebnahme der Anlage. Für den Konstrukteur bedeutet ein solches Konzept weniger E/A-Module in der Planung, zugleich auch weniger Klemmstellen, Platzeinsparung im Schaltschrank und letztendlich erheblich weniger Planungsaufwand.

ISO-OSI-Schicht-1 als Basis

Mit seiner Übertragungsrate von 100 MBit/s ist das Fast-Ethernet geradezu prädestiniert als Grundlage zum Datentransport. Üblicherweise ist Ethernet jedoch mit seinen typischen Transport-Layern (TCP/IP, UDP) und erst recht mit seinen Application-Layern (FTP, HTTP) nicht echtzeitfähig und auch nicht zwingend schnell. Um trotzdem die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, wurde bei Verwendung von RTEX nur die Schicht 1 des ISO-OSI-Referenzmodells – also der Physical Layer – von den Entwicklern des Konzeptes umgesetzt. Die dabei verwendete Ringstruktur mit Master/Slave-Kommunikation verhindert Datenkollisionen, sorgt für das Echtzeit-Verhalten in der Kommunikation und erhöht die Anlagensicherheit. Der Zeitbedarf für den Datenaustausch mit bis zu acht Achsen beträgt 0,5 ms, wobei die Daten zweimal verifiziert werden. Ein komplettes Parameter-Update benötigt 1 ms.

Parametrierung in Tabellenform

Die Software „Configurator PM”œ ist das zentrale RTEX-Inbetriebnahme-Werkzeug.

Die Anbindung an den übergeordneten Prozessmaster erfolgt über eine kompakte SPS. Für Standard-Applikationen ist hierfür auf der Grundlage fertiger Softwaremodule lediglich ein kompaktes Aktivierungsprogramm zu schreiben und die Positioniervorgaben und Achsparameter werden direkt über eine windows-basierte Konfigurationssoftware in den RTEX-Master übertragen. Der SPS obliegt dann nur noch die Aufgabe, mit Start und Stopp die Ablaufsteuerung der Positionierung zu steuern und zu überwachen. Ein weiterer, positiver Nebeneffekt ist die minimale Belastung der SPS durch Rechenzeit für die Positionieraufgabe. Beispielprogramme wie etwa Teach-In oder Palettierbausteine reduzieren zusätzlich den Engineering-Aufwand und letztlich die zeitliche Bindung des oftmals im Ausland eingesetzten hochqualifizierten Inbetriebnahmepersonals.

Das RTEX-Modul selbst kann bis zu acht Achsen in seinem Ringnetzwerk ansteuern. Bei Verwendung der Sigma-Steuerung von Panasonic lassen sich bis zu zwei RTEX-Module stecken, im Falle der SPS vom Typ FP2/ FP2SH sogar bis zu 32. Mit anderen Worten: Von einer SPS aus sind bis zu 16 beziehungsweise 256 Achsen positionierbar.

Parametrierung in Tabellenform

Im Detail gestaltet sich die Parametrierung der Applikation wie folgt: Nach Einstellung einer individuellen ID-Adresse auf den Antriebsreglern werden die einzelnen Achsen per Maus in Gruppen angeordnet und für eine eventuelle Interpolation die entsprechenden Bezüge zwischen den Achsen hergestellt. Zur Synchronisation von zwei Achsen kann eine als Master- und eine zweite als Slave-Achse bestimmt werden. Die Eingabe der nötigen Parameter etwa für die Einheitenfestlegung der Positionierung auf Pulse, für Strecke oder Winkel, für Endlagenschalter, Handfahrfunktion, Genauhaltfenster/- zeit oder die Referenzpunktfahrt erfolgt tabellarisch über ein Dialogfenster. Für die Referenzpunktfahrt existieren neun verschiedene Verfahren. Das Resultat ist dann sofort über den Testbetrieb des Bedienfensters „Tool-Operation“ direkt mit jeder Achse überprüfbar.

Inbetriebnahmeschritte und beteiligte Software bei einer RTEX-Positionierung.

Als Bewegungsprofil stehen pro Achse 600 Datensätze zur Verfügung. Wenn Achsen zu einer 2D- oder 3D-Interpolationsgruppe zusammengefasst sind, wird das Bewegungsprofil für diese Gruppe ebenfalls mit bis zu 600 Datensätzen festgelegt. Der Anwender kann hier jeweils zwischen Linear-, Kreis- und Helix-Interpolation auswählen. Ein so erstelltes tabellarisches Bewegungsprofil ist per Kopieren/Einfügen leicht zwischen dem Konfigurations-Tool und Excel austauschbar. Ein Export des Bewegungsprofils als CSV-Datei ist ebenfalls möglich. Nach der Parameter- und Positionsvorgabe werden diese vorgenommenen Eingaben schließlich zum RTEX-Modul übertragen.

Das Erstellen und Testen des SPS-Programmes selbst erfolgt gemäß IEC 61131-3 in Kontaktplan, Funktionsbausteinsprache, Anweisungsliste oder Strukturiertem Text. Bei Standardpositionieraufgaben kann dieses Programm sehr kurz gehalten werden, da die im RTEX-Modul vorhandenen Bewegungsprofile nur noch angestoßen werden müssen. Sofern gewünscht, besteht über die SPS Zugriff auf das gesamte Bewegungsprofil, welches somit unter anderem an eine User-Schnittstelle wie ein Bediengerät oder einen HTML-Server übertragbar ist.

Autor

Bernd Kunath ist Mitarbeiter der Applikation Steuerungstechnik bei Panasonic Electric Works Deutschland, Holzkirchen.