Von Bruno Fellhauer, Roland Tschkarow

Motion-Protokolle dienen der Kommunikation zwischen Maschinensteuerungen und Antrieben oder mechatronischen Komponenten. Die am Markt vorhandenen Steuerungsprotokolle weisen aber einige Nachteile auf: So sind sie zumeist sehr komplex, da sie für offene Antriebe entwickelt wurden, welche wiederum für jede einzelne Aktion detailliert zu konfigurieren sind. Dies führt zu einem hohen Steuerungsaufwand; besonders dann, wenn Antrieb und Regelung voneinander getrennt sind oder sogar von unterschiedlichen Herstellern stammen.

Der Push-Betrieb des Schunk-Motion-Protokolls arbeitet effizienter als der Polling-Betrieb; dadurch lassen sich deutlich mehr Geräte an einem Busstrang betreiben.

Hinzu kommt, dass herkömmliche Protokolle für die Ansteuerung von Greifern und ähnlichem nur bedingt brauchbar sind, weil es hier immer zu einer Kraftwirkung zwischen Werkstück und Greifer kommt. Ein Greifer benötigt daher andere Befehle als ein Antrieb, der von Position zu Position fährt und dabei nur seine Last zu bewältigen hat.

Um ein Teil zu greifen, ist beispielsweise ein Positionierungsbefehl mit Greifkraftbegrenzung sowie eine Rückmeldung beim Vollzug des Prozesses nötig. Erschwerend ist, dass die Werkstückdurchmesser bei vielen Teilen mit wechselhaften Abmessungen oft unbekannt sind und so die Endlagen der Greiferfinger stark streuen können. Derartiges ist in den Standardprotokollen nicht vorgesehen.

Aus dieser Erfahrung heraus hat das Lauffener Unternehmen Schunk mit dem Schunk-Motion-Protocol – kurz SMP – ein eigenes Protokoll mit einem begrenzten, dafür aber auf die speziellen Erfordernisse mechatronischer Module maßgeschneiderten Befehlssatz entwickelt. Das SMP basiert auf der Idee, komplexe Funktionen des Antriebs durch Übertragung weniger Datenbytes aufzurufen. Im Mittelpunkt der Entwicklung stand daher die Aufgabe, alle notwendigen Basisfunktionen, wie das Freigeben von Zielpositionen oder Drehmoment- und Geschwindigkeitsvorgaben mit nur zwei Byte eines einfachen SPS-Programms zu ermöglichen.

Jeder dieser Befehle ist optional erweiterbar, indem weitere einschränkende Parameter an das dezentrale Gerät übertragen werden. Dies ist aber nur dann erforderlich, wenn die bereits gültigen Basisdaten in Ausnahmefällen nicht anwendbar sind. Die Reduktion des Datenflusses ist somit ein Schlüssel für vereinfachte Inbetriebnahme und Programmierung von komplexen mechatronischen Einheiten.

Eine weitere Besonderheit des SMP ist seine Vielseitigkeit. Es kann auf alle gängigen Bustypen angewendet werden, weil es die Datenübertragung standardisiert. Die Befehlsstruktur ist so gewählt, dass sie sich auf den verschiedenen Schnittstellen umsetzen lässt. Indem das SMP neben einfachen Standardkommandos auch komplexe Befehle für intelligente Komponenten abbildet, ermöglicht dieses Protokoll die einheitliche Ansteuerung unterschiedlicher Komponenten. Die einfache Programmierung und die Wiederverwendbarkeit der einmal erstellten Module vereinfachen nicht nur die Inbetriebnahme, sie tragen zugleich zur Kosteneinsparung bei der Software-Erstellung bei.

Seine Stärken kann das SMP vor allem dann ausspielen, wenn Motor und Regler eine abgestimmte Einheit bilden und sich die im Regler integrierte Steuerungsintelligenz zur Einlagerung von Funktionen nutzen lässt, die sonst mit hohem Aufwand programmiert werden müssten. So ist es auf diese Weise möglich, Streckenangaben schon bei der Programmierung einer Linearachse in Millimetern anzugeben.

Für den Anwender bedeutet bereits dies eine erhebliche Vereinfachung, denn er muss nicht umständlich ermitteln, wie viele Schritte eines Servomotors in Abhängigkeit vom jeweils verwendeten Getriebe zur Streckenüberwindung erforderlich sind. Das komplexe System aus Motor, Getriebe, Mechanik, Elektronik und Steuerung gestaltet sich damit für ihn plötzlich sehr einfach: Er sieht nur die Funktionalitäten, die er tatsächlich benötigt – also zum Beispiel beim Greifen den Befehl „Greifen“. Selbsterklärende Befehle wie dieser ermöglichen eine intuitive Bedienung, und die zeitaufwendige Auseinandersetzung mit den komplexen Details der Ansteuerung entfällt.

Vor der Einführung des SMP war es für den Anwender unerlässlich, sich beispielsweise bei einem mechatronischen Greifer mit den zahlreichen Details eines Referenzier-Befehls zu befassen und für jeden Referenzier-Vorgang in mühevoller Arbeit rund eine Seite Programmiercode zu erstellen. Mit dem SMP gehört dieser Aufwand der Vergangenheit an, denn die Identifizierung der momentanen Position, die Klärung des aktuellen Fehlerstatus oder der Art der Referenzierung entfallen ebenso wie die Einstellung des korrekten Motorstroms und des Time-out bis zu einer Fehlermeldung.

Stattdessen genügt es jetzt, mit wenigen Bytes den Befehl „Referenzieren“ zu erteilen, um den Greifer dazu zu bringen, seine Referenzposition einzunehmen. Sämtliche Parameter lassen sich bei Bedarf mit Hilfe der Software McDemo (Motion Control Demo) verändern. Diese Software enthält zudem ein Werkzeug zur Veränderung der in den mechatronischen Modulen integrierten EPROM-Files und erlaubt damit den Eingriff in die tiefsten Details der Steuerungsabläufe. Den Anforderungen gemäß kann der Anwender also die Art der Ansteuerung wählen und sich zwischen der einfachen oder der detaillierten Variante entscheiden.

Buslast sinkt deutlich

Da beim Schunk-Motion-Protocol die Intelligenz im Modul steckt, sinkt die Buslast deutlich, denn jedes Kommando wird im Normalfall mit nur acht Byte übertragen und kann durch Parametrieren und Mapping sogar auf bis zu zwei Byte reduziert werden. Hinzu kommt, dass ständige Polling-Abfragen entfallen können. Ist beispielsweise bei einer Applikation sehr schnell und mit großer Genauigkeit zu klären, in welcher Position eine Schwenkeinheit gerade steht, oder muss ein Anwender unverzüglich wissen, ob ein Greifer das Werkstück wirklich gegriffen hat, so wird bei herkömmlichen Protokollen dem Befehl zur Bewegung eine stetige Folge von Positionsabfragen hinterhergeschickt.

Dieses Polling führt vor allem bei taktzeitsensiblen Anwendungen ohne intelligente Antriebe zu einer hohen Buslast. Wie stark ein Bus damit ausgelastet ist, hängt entscheidend vom jeweiligen Bustyp ab. Handelt es sich etwa um einen CAN-Bus, gelangt dieser in solchen Fällen sehr schnell an seine Kapazitätsgrenze.

Das Schunk-Motion-Protocol eignet sich sowohl für mechatronische Module aus dem Schunk-Portfolio als auch für zugehörige Sensorik-Komponenten und ist darüber hinaus auch in Module von Drittanbietern integrierbar.

Das neue Motion-Protokoll schafft hier grundlegend andere Verhältnisse. Erteilt die Steuerung den Befehl zur Bewegung, so meldet das Modul selbständig zurück, dass es den Befehl erkannt hat und ausführen wird. Ohne weitere Abfrage meldet das Modul anschließend die Ausführung des Befehls, sobald es die gewünschte Position erreicht hat. Permanente Abfragen erübrigen sich, denn die intelligenten Module senden alle notwendigen Informationen im Push-Service automatisch zurück. Die Steuerung braucht also nur noch auf die Meldungen zu warten, und der Bus ist währenddessen komplett entlastet.

Je nach Art und Umfang der jeweiligen Applikation fällt die Verringerung der Buslast mehr oder weniger stark aus. Ohne weiteres möglich ist eine Reduzierung um den Faktor 10, in Einzelfällen sogar noch deutlich darüber. Mit anderen Worten: Während im Normalfall an einem einzelnen CAN-Bus maximal 10 bis 15 komplexe, häufig sendende Module betrieben werden können, erlaubt das SMP die Anbindung mehrerer hundert intelligenter Module, die sich in Sachen Buslast wie sehr einfache, selten sendende Module verhalten. Die Reduzierung der Buslast ist nicht zuletzt auch deswegen von Bedeutung, weil zum Beispiel ein überlasteter CAN-Bus zu Verzögerungen im Betrieb führen kann.

Da das SMP sehr kurze Befehle verwendet, kann es grundsätzlich mit beliebigen Bussystemen zusammenarbeiten – von RS-232 über CAN-Bus, Devicenet und Profibus bis hin zu Bluetooth. Bei einem Wechsel des Busses ist es nicht notwenig, die Applikationen umzuschreiben, weil alle Bussysteme dem gleichen Protokoll folgen. Damit ist SMP auch als Mehrbenutzersystem einsetzbar. Beispielsweise können Service, Konfiguration und Bedienung über jeweils unterschiedliche Schnittstellen erfolgen. Eine integrierte Benutzerverwaltung schließt dabei die Gefahr aus, dass sich die Schnittstellen gegenseitig stören, gleiche Befehle von unterschiedlichen Schnittstellen kommen oder verschiedene Schnittstellen einander widersprechende Befehle senden.

Offen für neue Anwendungen

Je nach verwendeten Modulen und deren spezifischen Besonderheiten lässt sich der Befehlssatz des SMP verändern und auf diese Weise an die verschiedensten Applikationen anpassen. Diese Eigenschaft ist unerlässlich, denn die Kompaktheit der Befehle des SMP bedeuten auch, dass ihre Gesamtanzahl begrenzt ist. Außerdem kennt nicht jedes Modul alle Befehle. Eine Greifeinheit zum Beispiel kann den Befehl „Schwenken“ nicht verstehen und würde auf ihn mit einer Fehlermeldung reagieren.

Die Variabilität des Befehlssatzes zeigt sich unter anderem darin, dass Schunk bereits dazu übergegangen ist, mit Hilfe des SMP nicht nur mechatronische Module, sondern auch das Bildverarbeitungssystem der Greifer anzusteuern. Die Daten, die dabei an die Steuerung übertragen werden, sind Ergebnis der Auswertung in der dezentralen Intelligenz der Kamera, die selbsttätig Muster erkennt und Vollständigkeits- oder Anwesenheitsprüfungen durchführt.

Autoren:

Bruno Fellhauer ist Leiter Entwicklung Elektrotechnik und Mechatronik bei Schunk, Lauffen/Neckar.

Roland Tschkarow obliegt die Bereichsleitung Systemlösungen Mechatronik bei Schunk, Lauffen/Neckar.