Von Stefan Knauf

Neben höherer Produktivität, besserer Qualität, einfacher Umrüstung und Erweiterung verlangen die Anwender von den Steuerungsherstellern zunehmend auch geringere Kosten bei Inbetriebnahme, Wartung und Betrieb. Auf diese Anforderungen reagierte Mitsubishi Electric jetzt mit der Entwicklung der iQ Plattform.

Der Gedanke, die unterschiedlichen Steuerungsfunktionalitäten zusammenzuführen ist nicht neu: Schon 1990 brachte Mitsubishi eine Kombination aus SPS und Motion Controller auf den Markt. Daraufhin folgte die Entwicklung der „Melsec System Q Steuerung“, die bereits SPS, Motion Control, PC-Welt und IT-Anbindung auf einer Plattform verband. 2005 wurde letztlich zur vertikalen Verlinkung zwischen Host-Controller und Produktions-Ebene das MES-Interface entwickelt und das e-Factory Konzept geboren.

Als weiteren Meilenstein sieht Mitsubishi jetzt die Einführung der iQ Plattform, die nun auch eine CNC- und Roboter-Steuerung auf der gemeinsamen Plattform mit einbindet.

Der High-Speed-Bus

Bislang konnte der Anwender aufgrund der Modulbauweise der Melsec System Q die Komponenten – CPUs, Netzteile, E/A-Module, Sonder- und Netzwerkmodule – auf seine Anwendung hin abstimmen. Die einzelnen CPUs – bis zu vier Prozessoren für Steuerung, Datenverarbeitung, Motion Control und Kommunikation – teilten sich einen Systembus. Jede CPU konnte über den Systembus uneingeschränkt auf E/Aoder Netzwerkmodule zugreifen.

Bei der Neuentwicklung bestand das Problem allerdings darin, dass der Systembus der konventionellen Melsec System Q der Geschwindigkeit der weiterentwickelten CPUs nicht gewachsen war. Daher erfolgte die Neuentwicklung eines Hochgeschwindigkeitsbusses und eines Synchronisationssystems für den Multi-CPU-Betrieb, das folgende Eigenschaften besitzt:

Datenübertragung in Hochgeschwindigkeit zwischen mehreren CPUs:

Die Idee der iQ Plattform: Alle Steuerungsarten ”“ SPS, Motion Control, CNC, Roboter ”“ laufen in einem Gerät zusammen.

Beim Multi-CPU-Hochgeschwindigkeitsbus teilen sich die CPUs einen schnellen Speicher mit einer Kapazität von 14 000 Datenworten. Bei einem System mit zwei CPU-Modulen ist das die 3,5-fache Kapazität des gemeinsamen Speichers der bisherigen CPU-Module.

Diese 14 000 Datenworte werden über den Multi-CPU-Hochgeschwindigkeitsbus in einem festgelegten Zyklus übertragen. Dabei wird in etwa die 8-fache Geschwindigkeit des Datenaustausches erreicht, der mit dem herkömmlichen Systembus des Melsec System Q zwischen den CPU-Modulen möglich war. Im neu entwickelten Hochgeschwindigkeits-Baugruppenträger für Multi-CPU-Betrieb sind sowohl der neue Hochgeschwindigkeitsbus als auch der konventionelle Systembus des Melsec System Q integriert. Das ermöglicht die weitere Nutzung von nahezu 100 verschiedenen Modulen des Melsec System Q wie beispielsweise E/A-, Sonder- und Netzwerkmodule.

Synchroner Datenaustausch mit dem Berechnungszyklus der Motion-Controller:

Eine Motion-Controller-CPU ist mit der Steuerung der Servo-Antriebe synchronisiert und führt Berechnungen in festgelegten Zyklen aus, beispielsweise in 0,44 ms, in 0,88 ms oder in 1,77 ms. Die Übertragung der Daten über den Multi-CPU-Hochgeschwindigkeitsbus erfolgt in einem Zyklus von 0,88 ms synchron mit dem Berechnungszyklus der Motion-Controller. Dadurch wird ein optimaler Datenaustausch zwischen den CPUModulen erreicht und die Leistung eines Systems, das SPS- und Motion-CPUs enthält, gesteigert. Die Vorteile der synchronen Datenübertragung sind aber auch bei einer im System integrierten CNC oder bei der Steuerung von Robotern nutzbar.

Interrupt-Bearbeitung synchron mit dem Berechnungszyklus der Motion-Controller:

Bei den Hochgeschwindigkeits-SPSCPUs ist die Bearbeitung von Interrupts mit dem Berechnungszyklus der Motion-Controller synchronisiert. Dadurch werden bei der Motion-Steuerung kurze Reaktionszeiten erzielt, die von der Zykluszeit der SPS unabhängig sind.

Die neuen Komponenten

Die CPU der SPS

Durch die schnellere Ausführung von logischen Anweisungen und Arithmetik-Anweisungen für Gleitkommazahlen sowie dem schnelleren Zugriff auf den Speicher sind die CPU-Module der neuen SPS-Serie rund sechsmal leistungsfähiger als die bisherigen CPU-Module der Melsec-System-Q-Steuerung. Da in den neuen CPUs die Kapazität der File-Register um den Faktor 6 vergrößert wurde, können auch große Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet werden. Zudem ist der Programmspeicher bei den Hochgeschwindigkeits-SPS-CPUs doppelt so groß wie bei den bisherigen CPU-Modulen des Melsec System Q, was die Strukturierung und die Entwicklung von Programmen vereinfacht.

Die High-Speed-CPU für den Motion-Controller:

Kern der Neuentwicklung ist der neue Rückwandbus, der alle Steuerungen miteinander verbindet. Die CPUs teilen sich hierbei einen schnellen Speicher mit einer Kapazität von 14 000 Datenworten.

Für die aktuelle Motion-Controller-CPU wurde eine neue Hardware-Architektur entwickelt und so, verglichen mit den bisherigen Motion-CPUs, die Verarbeitungskapazität verdoppelt. Zum Beispiel halbiert sich dadurch die Verarbeitungszeit bei der Steuerung von Servo-Antrieben für sechs Achsen von 0,88 ms auf 0,44 ms. Dies ermöglicht sehr schnelle Reaktionen und verkürzt die Taktzeit. Zusätzlich wurde die Leistung bei der Bearbeitung von Schrittketten – wieder im Vergleich mit den bisherigen Motion-CPUs – um rund das 4-fache gesteigert.

Die CNC-CPU

Die Q173NC CPU ist eine Neuentwicklung, die nicht nur um rund 45% kleiner, sondern auch doppelt so leistungsfähig wie herkömmliche Module ist. Durch die Kompatibilität mit dem Melsec System Q lässt sich die CNC-CPU mit fast 100 verschiedenen Modulen kombinieren und ermöglicht so eine flexible an die Anwendung angepasste Systemkonfiguration.

CPU zur Steuerung von Robotern

Die Q172DR CPU zur Steuerung von Robotern der MELFA-SQ-Serie ist doppelt so leistungsfähig wie die herkömmlichen Steuerungen. Zur Anpassung des Systems an die Anwendung stehen fast 100 verschiedene Module zur Verfügung. Zusätzlich ist keine Verdrahtung von Signalen (max. 256) mehr notwendig.

Das Steuerungsnetzwerk

Zur Steigerung der Leistung des gesamten Systems wurde das offene Netzwerk CC-Link IE entwickelt. Es basiert auf dem Standard IEEE 802.3Z (1000BASE-SX) und bietet neben einer Übertragungsgeschwindigkeit von 1 GBit/s eine 8-mal größere Anzahl von Link-Registern als MelsecNET/H, das frühere, proprietäre Netzwerk zur Verbindung der Mitsubishi-Steuerungen. Bei einer 32-Bit-Konfiguration und 2000 Datenpunkten pro Station wird die Link-Zykluszeit – diese entspricht der Datenübertragungszeit – von 70 ms bei MelsecNET/H um den Faktor 14 auf 5 ms bei CC-Link IE reduziert.

Die Entwicklungsumgebung

In konventionellen Systemen wird oft zur Programmierung und zur Fehlersuche für jede Maschine eine andere Software verwendet. Bei komplexen Steuerungssystemen ist es jedoch entscheidend, die Schnittstellen zwischen der Software zu verbessern, um dadurch die Effizienz bei der Planung und Programmierung zu erhöhen. Aus diesem Grund plant Mitsubishi die Entwicklung und schrittweise Erweiterung einer auf die iQ Plattform abgestimmten Entwicklungsumgebung. Eine erste Version ist unter dem Namen iQ Works auf der diesjährigen Hannover Messe zu sehen.

Autor:

Stefan Knauf ist bei Mitsubishi Electric Produkt-Manager für Modulare Steuerungssysteme.

Mitsubishi in Zahlen

Mitsubishi Electric wächst weltweit. Wesentlich dazu beigetragen hat im vergangenen Jahr der Bereich Factory Automation, der seine Umsätze um 10% auf 5,6 Mrd. Euro steigern konnte und damit rund ein Viertel des Konzernumsatzes von 25,42 Mrd. Euro für sich verbuchte. Parallel dazu sind die Umsätze dieser Sparte auch in Europa zweistellig gewachsen. Sie betrugen 235 Mio. Euro (rund 50 Mio. Euro in Deutschland) und lagen damit um 11,9% höher als im letzten Geschäftsjahr.

„Mitsubishi Electric hat durch Firmenzukäufe und Beteiligungen in Italien und Skandinavien die Position innerhalb Europas gestärkt“, erklärt Peter Mischitz, Leiter Abteilung Marketing Operation. Dazu gehörten der Kauf von Tre Diamanti, der ausgegliederten Vertriebssparte des in Italien führenden Antriebsspezialisten SCS Static Control Systems, sowie der Erwerb von Anteilen am langjährigen Partner Beijer Electronics Automation. Im Zuge der Expansionsstrategie in Osteuropa sind Factory Automation Center in der Tschechischen Republik und in Polen eröffnet worden.Weitere FA-Center sollen in Kürze in Russland, Ungarn und in der Türkei folgen. Mitsubishi Electric baute nach eigenen Angaben die Position bei den Kompaktsteuerungen aus. Seit Markteinführung der ersten Kompakt-SPS im Jahr 1981 verkaufte das Unternehmen mehr als acht Millionen Kompaktsteuerungen. In Europa betrug der Umsatzzuwachs gegenüber dem Vorjahr 8% (11% in Deutschland). Aufgrund des weltweit weiter steigenden Bedarfs hat Mitsubishi Electric die Produktionsanlagen im Werk Himeji/Japan erweitert und ist jetzt in der Lage, mehr als 1,5 Mio. CPUs für Kompaktsteuerungen im Jahr zu fertigen.

Peter Mischitz, Leiter Abteilung Marketing Operation der Europäischen Business Group: „Die Anwender gehen dazu über, Roboter in die Anwendungen zu integrieren. Unsere neue Steuerungs-Plattform wird deshalb auch im Bereich Robotik weiteres Wachstum bringen.”œ

Auch bei den Frequenzumrichtern erreichte Mitsubishi eine neue Rekordmarke. Seit Markteinführung der ersten Gerätegeneration im Jahr 1985 wurden mehr als 11 Mio. Frequenzumrichter verkauft. Das Unternehmen sieht sich in diesem Marktumfeld weltweit als die Nummer zwei.

Zur Hannover Messe stellt Mitsubishi Electric mit den Serien FR-D700 und FR-E700 jetzt die neuen Generationen im Bereich Klein- und Kompaktumrichter vor. Mit Funktionen wie „Sicherer Halt“ als Teil der Serienausstattung liegen diese im Trend bei den Kundenanforderungen an moderne Umrichtertechnik. Darüber hinaus verfügt die Einstiegsklasse FR-D700 jetzt auch über die aus den größeren Baureihen bekannte Vektorregelung für eine präzise Drehzahlsteuerung und ein hohes Anlaufdrehmoment.

Im Bereich Servo/Motion legte das Unternehmen mit einem Umsatzplus von 12% ebenfalls zu. In Verbindung mit der neuen iQ Plattform steht jetzt auch ein neuer High-Speed-Motion-Controller zur Verfügung, dessen Leistung im Vergleich zum vorherigen verdoppelt wurde. Die Integration der Melservo-MR-J3-Serie rundet das iQ-Konzept mit hochdynamischen Servoantrieben ab. Darüber hinaus wird Mitsubishi Electric im Laufe des Jahres einen neuen 1,5-Achsen-Controller einführen, um in Verbindung mit den Servoverstärkern spezielle Bewegungsfunktionen mit einer Achse durchzuführen. Außerdem kündigte das Unternehmen eine Erweiterung seiner Motorenpalette im mittleren Leistungsbereich an.

Auch im Bereich Robotik sind die Umsätze europaweit gestiegen. Die Umsatzzuwächse von 8% bei den Robotern seien insbesondere auf steigende Umsätze in Deutschland sowie in Europa und dort wiederum speziell in Osteuropa zurückzuführen. „Die neue iQ Plattform wird auch im Bereich Robotik weiteres Wachstum bringen“, ist sich Peter Mischitz sicher. Die neue Technik mache es möglich, den Roboter als voll integrierten Bestandteil innerhalb eines Maschinenkonzepts einzubinden. Parallel dazu wird Mitsubishi Electric aber auch weiterhin den klassischen Systemaufbau bestehend aus Roboter und separater Robotersteuerung anbieten.

Interview: Die Entwicklungsgeschichte

Die iQ Plattform war eine Gemeinschafts-Entwicklung von sechs bis dato eher autark agierenden Entwicklungsabteilungen bei Mitsubishi. Über die Erfahrungen und Reibungsverluste der Teamarbeit sprachen die verantwortlichen Ingenieure mit Computer&AUTOMATION.

Die Entwicklungsmannschaft: (v.l.n.r.) Tomoyuki Kobayashi, Bereichsleiter Roboter-Entwicklung; Makoto Nishimura, Leiter Bereich 3 Antriebssystementwicklung; Kumio Saito, Gruppenleiter Controller Planning; Hikaru Kaneko, Leiter der Sparte CNC-Systeme; Hiroyuki Shimizu, Leiter des 2. Bereiches Bediengeräte-Entwicklung; Hideaki Morita, Bereichsleiter Engineering des Geschäftsbereiches FA Systeme.

Wann wurde Ihnen allen klar, dass Sie eine Plattform für alle Automatisierungsfunktionen anbieten müssen?

Kaneko: Aus Kundensicht entsprachen unsere Produkte für die Factory Automation nicht 100-prozentig den Anforderungen. Und so konfrontierte mich vor ungefähr drei Jahren ein wichtiger Kunde mit der Frage: „Könnte eine einzige Steuerung nicht nur eine CNC, sondern auch die SPS, den Motion Controller und den Roboter steuern? Diese Fragen lösten bei uns den Startschuss für die Entwicklungen aus. Zunächst gingen wir daran, ausschließlich die CNC anzubinden, da in der Vergangenheit schon immer die CNC-Steuerungen über einen Bus mit der SPS verbunden waren. – Doch damit begnügte sich der Kunde nicht, er wollte auch die Roboter angebunden wissen!

… was Sie dann umsetzten!

Saito: Wir hatten unsere Anlaufschwierigkeiten: Jeder von uns ging mit einer anderen Einstellung auf die Produkte zu und hatte andere Funktionen im Kopf, was wohl daraus resultiert, dass wir aus unterschiedlichen Bereichen kommen. Wir mussten also alle erst einmal anfangen, die Produkte aus den anderen Bereichen zu verstehen.
Morita: Richtig vorwärts ging es erst, als wir unsere besten Ingenieure der jeweiligen Abteilungen dazu aufforderten, sich zusammenzusetzen und sich für ungefähr einen Monat auf dieses Thema zu konzentrieren. Aus diesem Kreativ-Pool kam dann auch der entscheidende Vorschlag, einen High-Speed-Bus auf Basis eines ASIC zu entwickeln, über den wir alle Steuerungsarten miteinander verbinden.
Nishimura: Der Rückwandbus der Melsec System Q beruhte auf einem SPS-Konzept. Nun entwickelten wir einen High-Speed-Bus mit dem Motion-Konzept als Ausgangspunkt und konnten die Geschwindigkeit auf das 8-fache steigern. Das größte Problem, mit dem wir dabei zu kämpfen hatten, war die Hitze-Entwicklung der Module.

Welche Schwierigkeiten ergaben sich noch?

Kobayashi: Das Sicherheitsthema, insbesondere in Verbindung mit den Robotern, war der schwierigste Teil. Wir mussten die neuen Standard-Sicherheitsfunktionen auf die vorgegebene Größe des Systems bringen.Am Ende schafften wir es, die Standards durch die Entwicklung einer Roboter-Sicherheitskarte zu erfüllen. Da wir gerade von der Leistung sprechen: Ein Roboter bewegt sich nur dann, wenn er den entsprechenden Befehl erhält, und so dachte ich nicht, dass sich die Leistung mit dem Roboter-Controller erhöht. Schließlich hatten wir den Roboter als solchen nicht verbessert. Aber nachdem wir den Prototypen in Betrieb genommen hatten, hatte sich die Produktivität um 15 Prozent erhöht. Das lag daran, dass sich der Datenaustausch zwischen der neuen CPU und der Steuerung erhöht hatte, und das war absolut verblüffend.

Was ist Ihre wertvollste Erfahrung des Projektes?

Morita: Die Haupt-Errungenschaft des Projektes war, dass es Ingenieure zusammengeführt hat. Und zudem die Erkenntnis, dass wir zukünftig unsere Sichtweise erweitern und dabei das gesamte System einbeziehen müssen, um so Leistung und Nutzen zu optimieren und letztlich damit die Wünsche unserer Kunden erfüllen. Wir brauchen Konzepte, die aus verschiedenen Blickwinkeln entstehen. Dieses Gefühl und die Leidenschaft dahinter dürfen mit diesem Projekt nicht aufhören. Sie müssen im Werk Nagoya zu einer gemeinsamen Ressource, zu unserer Kultur werden.