Die Anforderungen im Maschinenbau – egal ob bei Handhabungssystemen, Roboterapplikationen oder Werkzeugmaschinen – lesen sich stets gleich: Flexibilität, Individualisierung, Transparenz, Verfügbarkeit und Effizienz. Doch damit nicht genug: Der Megatrend Digitalisierung trägt ein Übriges dazu bei, dass Maschinenbauer zunehmend gefordert sind, nach neuen Strategien und Lösungen für kurze Umstellzeiten, Losgröße 1 und moderne Konzepte der Mensch-Maschine-Interaktionen zu suchen. Angesichts immer schnellerer Entwicklungszeiten ist es dabei mehr und mehr eine Kunst, diese Forderungen und Trends mit dem eigenen Unternehmen in Einklang zu bringen und daraus Handlungsaufforderungen für verbesserte Prozesse und zukunftsorientierte Technologien abzuleiten. 

Ohne aber gleich am großen Rad der Probleme zu drehen, sind es aus Ingenieurssicht häufig die operativen Innovationen auf der Projektebene, die in einer kundenspezifischen Applikation überzeugen und die Entwicklung von Systemen und Anlagen verbessern. Bewährt sich das Vorgehen, so lässt sich projektneutral begutachten, inwiefern sich diese spezifische Lösung für weitere Projekte mit ähnlichen Anforderungen standardisieren lässt.

Um Produktionsprozesse effizienter, vernetzter und sicherer zu gestalten, sind beispielsweise verteilte Intelligenzen in Form von Multiprozessor-Architekturen eine Lösung. Gerade bei einer dezentralen, modularen Maschinenarchitektur kommt der intelligenten Vernetzung eine entscheidende Rolle zu, weil bei der Kommunikation der Geräte deren Identifizierung und Lokalisierung sichergestellt sein muss – von der Feld- bis hin zur Office-Ebene.

Die Maßgabe, im Maschinenbau diverse Maschinentypen abzubilden und diese auch wartbar zu halten, verlangt weiterhin nach Lösungen, die Marktstandards wie Ethercat oder Codesys unterstützen, sodass die einfache Einbindung von Komponenten in überlagerte Linienstrukturen durch Standard-Schnittstellen sichergestellt ist. Das sorgt für die erwähnte Flexibilität und Offenheit, um Automationsstrukturen schnell verändern zu können.

Unabhängig davon, ob man eine zentrale oder dezentrale Automatisierungstopologie oder einen intelligenten Mix aus beiden anstrebt: Aus der Sicht des Software-Engineerings lässt eine offene Automatisierungsplattform dem Maschinenbauer die Wahl, ob ein Servo-Umrichter als einfacher Stellantrieb, als parametrierbare Achse oder aber als frei programmierbare Achse in die Maschinentopologie integriert wird. Mit anderen Worten: Hybride Ansätze, die eine Kombinierbarkeit der verschiedenen Systemarchitekturen gewährleisten, schaffen die erforderlichen Freiräume bei der Konstruktion.
 

Multitalentierter Bewegungswächter

Die Kopplung von Motion Control mit der Android-Welt eröffnet für typische Bewegungsaufgaben, wie Achs­synchronisation, Druckmarken, Wickler und Querschneider, eine neue Welt für Motion Apps.

© AMK

Sind bei einer Maschine gleich mehrere Achsen zu koordinieren, so können sich bei der Inbetriebnahme von mehreren Servo-Umrichtern die Faktoren Verkabelungsaufwand und Platzbedarf schnell zu Kostenfallen entwickeln. Denn die Koppelung von vielen Umrichtern verlangt mehr Raum und erhöht zudem den Aufwand beim Anschluss der Komponenten. In solchen Fällen lohnt es sich daher, als Alternative einen Multi-Servo in Betracht zu ziehen. Eine solche Lösung erlaubt im Vergleich zu Einzel-Servos eine um bis zu 60 % kompaktere Auslegung der Antriebstechnik. Darüber hinaus entfällt der Verdrahtungsaufwand, da – wie etwa beim ‚MultiServo‘ von AMK der Fall – die Querverdrahtung der vier Achsmodule und der Einspeisung (Zwischenkreis, 24 V, Echtzeit-Ethernet) intern im Gerät realisiert ist.

Die dynamische und anspruchsvolle Koordination von bis zu vier Achsen innerhalb eines Maschinensegments zeigt in der Kommunikation weitere Vorzüge: Die Reaktionszeit der Antriebsregelung im MultiServo bezogen auf den Sollwert läuft um ein Vielfaches schneller ab, da Feldbus-Zyklen entfallen. Weiterhin interagiert das Gerät in Echtzeit mit einer übergeordneten Steuerung. Hierfür ist aktuell das Ethercat-CoE-Profil (CAN over Ethercat) implementiert; weitere Feldbus-Slave-Anbindungen sind in Planung.

Was das Thema Programmierung betrifft, setzt der MultiServo auf vordefinierte Grundfunktionen, die über ein Teach-In-Verfahren für die Bewegungsaufgabe individualisierbar sind – gemäß dem Motto: Konfigurieren statt programmieren. Der Vorteil einer solchen Lösung zeigt sich zum Beispiel bei der Achsensteuerung eines Delta-Roboters. Im Normalfall steigt hier nämlich der Zeitaufwand, wenn zum Programmieren des Roboters eine weitere Sprache gelernt werden muss. 

Ablaufsteuerung verteilt die Intelligenz

Per integrierter Bewegungssteuerung koordinieren die digital arbeitenden Kompaktwechselrichter-Module die Antriebe im 4-Quadrantenbetrieb präzise und mit hoher Dynamik. Die Bewegungstransformation und die Bahninterpolation werden also direkt im Wechselrichter berechnet und nicht in einer übergeordneten Steuerung. Im Falle einer Datenunterbrechung zum übergeordneten System können so im Notfall die Achsen koordiniert in den Stillstand gesetzt werden. Ungeachtet dessen sind die Kompaktwechselrichter-Module nach wie vor  multifunktional über verschiedene Feldbusse zur übergeordneten Steuerung vernetzbar.

Nicht zuletzt schafft die integrierte Bewegungssteuerung die Grundlage für eine flexible, erweiterbare Maschinenkonfiguration, indem sich während des Lebenszyklus einer Anlage ein neues Modul schnell integrieren lässt, ohne dieses in der zentralen Steuerung nachprogrammieren zu müssen. Alle Zielkoordinaten werden stattdessen vorgegeben und die komplexe Berechnung findet dezentral und übersichtlich im MultiServo statt. Aus Sicht der Transparenz nimmt diese Art der Motion Control die Komplexität aus der Maschine heraus – Teilsysteme lassen sich separat fertigen, testen und einfacher in Betrieb nehmen.
 

Integrierbare Funktionalitäten per App

Integriert man darüber hinaus nicht zeitkritische  Ablaufsteuerungen in mobile Standardgeräte wie Smartphones oder Tablets, so lässt sich eine im Consumer-Umfeld gewohnte Mensch-Maschine-Schnittstelle vor Ort an der Maschine nutzen. In der Praxis kann somit die komplette Bedienung und Programmierung der Anlage einschließlich der Bewegungssteuerung auf Basis funktional unterteilter Apps anstelle zentraler, umfangreicher und entsprechend komplizierter Engineering-Umgebungen erfolgen.

Über OPC UA verstehen sich Antrieb und Device – eine Steuerungswelt ohne SPS ist somit realisierbar.

© AMK

Die Maschinensteuerung per Smartphone, bei der die Automatisierungskomponenten mit dem Android-Betriebssystem konform laufen, macht schlussendlich den Weg frei, um künftig typische Bewegungsaufgaben mit standardisierten Motion-Apps zu lösen. In Kombination mit den Controllern der A7-Reihe und der ‚AMK Cloud Solution‘ hat AMK bereits ein entsprechendes  Paket geschnürt, das den Antriebsstrang über diese Motion Apps direkt zu Inbetriebnahme und Predictive Maintenance mit übergeordneten IT-Strukturen verknüpft. Auf den Punkt gebracht: Cloud-basierte Ansätze für die Steuerungstechnik und Services schaffen für hybridorientierte Steuerungsstrukturen künftig noch mehr Raum für kreative Ideen bei der Realisierung komplexer Antriebslösungen beispielsweise im Umfeld der Robotik.

Autoren: 
Matthias Deuschle ist Produktmanager bei AMK;
Jürgen Rapp ist Produktmanager bei AMK.