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Kriterien für die Wahl der Steuerungsarchitektur

| Autor/ Redakteur: Egbert Gunia* / Ute Drescher

Stand bei der Einführung des Feldbusses unter anderem die Reduzierung des Verkabelungsaufwands im Vordergrund, geht es heute in der Automatisierung um die Reduzierung der Gesamtkosten und damit auch um die Minimierung der Komponenten- und Lieferantenzahl. Gleichzeitig werden in immer mehr Maschinen CNC- und Motion-Control-Funktionen benötigt.

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Den modularen Ansatz konsequent umgesetzt: Modular aufgebaute, intelligente Antriebe, wie hier der Servo Drive 9400 von Lenze, lassen sich an die jeweilige Aufgabe anpassen und ermöglichen den Aufbau besonders kompakter Systeme.
Den modularen Ansatz konsequent umgesetzt: Modular aufgebaute, intelligente Antriebe, wie hier der Servo Drive 9400 von Lenze, lassen sich an die jeweilige Aufgabe anpassen und ermöglichen den Aufbau besonders kompakter Systeme.
( Archiv: Vogel Business Media )

Bis vor wenigen Jahren war die Steuerungs-Welt noch klar gegliedert. Für jede Aufgabenstellung gab es zugeschnittene, spezialisierte Steuerungslösungen. Die CNC für die Bahnsteuerung und die SPS für die Logiksteuerung (Logic Control). Später wurden Motion Control Funktionen für einfache, nicht koordinierte Bewegungsführungen in die SPS integriert.

Heute ist diese Abgrenzung jedoch weitgehend Makulatur. Sonderformen wie die Robotersteuerung oder die Sicherheitssteuerung sind ebenfalls in den Sog dieses Trends geraten. Das Ergebnis sind Mischformen, wie intelligente Antriebe (Drives), die zum Teil oder zur Gänze die Funktion einer Steuerung übernehmen. Zentrale Steuerungen auf PC-Basis bieten durch die hohe Rechenleistung die Möglichkeit, SPS und Bahnsteuerung und wie auch das Mensch-Maschine Interface (MMI) und weitere Funktionen auf einem Gerät zu vereinen.

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Die Steuerung: Drive-based oder PC-based?

Auslöser dieser Entwicklung war die immer preiswertere und gleichzeitig höhere Rechenleistung, die integrierte Schaltkreise und insbesondere PC-Plattformen in immer kleinerem Format bieten. Die damit möglich gewordenen Architekturalternativen führen allerdings auch dazu, dass die Auswahl und Evaluierung der „richtigen“ Steuerungslösung schwieriger geworden ist: Zentral oder dezentral? Drive-based oder Controller-/ PC-based? Wer diese Frage beantworten will, muss sich mit dem Stand der Technik und den aktuellen Vor- und Nachteilen der unterschiedlichen Architekturen und deren Zukunftsfähigkeit auseinandersetzen.

Die zentrale Architektur, bei der alle Feldgeräte sowie Sensoren/ Aktoren direkt mit der Steuerung verbunden sind, ist die klassische Bauform und wird vorzugsweise in größeren Maschinen und Anlagen mit vielen Antriebsachsen eingesetzt. Typische Anwendungen sind z.B.Verpackungs- und Handhabungsmaschinen oder Roboter. Traditionell wurde dafür je nach Anforderung eine SPS, eine CNC oder eine Robotersteuerung mit dedizierter Hardware als zentrale Steuerung eingesetzt.

PC und Ethernet verdrängen Speziallösungen

Heute verdrängt die PC-Technik in Kombination mit leistungsfähigen Ethernet-Feldbussen diese Speziallösungen immer mehr. Aufgrund des schnellen Fortschritts in der PC-Technik profitieren Anwender PC-basierter Steuerungen von ständigen Leistungssteigerungen und der Vielfältigkeit des Angebots (mobile PCs, PCs ohne rotierende Elemente, verschiedene Betriebssysteme – von Windows CE bis Embedded XP mit mächtigen Entwicklungsumgebungen etc.).

Neue Techniken aus der Bürowelt, die weltweit in großen Stückzahlen für den Massenmarkt produziert werden, sind Basis für preiswerte und qualitativ hochwertige Industrie-PC Lösungen höchster Leistungsklasse! Darüber hinaus reichen bei den meisten Maschinen in der Regel die Ressourcen eines (Industrie-) PCs aus, um zusätzliche Aufgaben wie die Visualisierung oder die Werkzeugverwaltung oder weitere Datenbankanwendungen zu erledigen.

Vorteil der zentralen Steuerung: Software in einem Gerät gebündelt

Vorteilhaft an der zentralen Architektur ist, dass die gesamte Software in einem Gerät gebündelt und damit auch zentral gewartet und verwaltet werden kann. Dies ermöglicht einfache Fernwartungskonzepte, bei denen ein Zugang über Telefonleitung oder Internet über die zentrale Steuerung zu allen Feldgeräten möglich ist.

Alle Parameter und Daten der Feldgeräte können in einer zentralen Datenbank in der Steuerung abgelegt werden und von dort z.B. beim Gerätetausch eines Antriebsreglers im Servicefall automatisch zurückgespielt werden. Dies erhöht die Service- und Wartungsfreundlichkeit und natürlich die Verfügbarkeit der automatisierten Maschine, unterm Strich also die Kostenreduzierung über den Lebenszyklus.

Bei mehrdimensionalen, interpolierten Bahnsteuerungen, wie z.B. Roboter, CNC Werkzeugmaschinen etc., setzt man ausschließlich auf zentrale Steuerungsarchitekturen. Hier bestimmt die Notwendigkeit der zentralen Datenhaltung aller Achs Positionswerte die zentrale Architektur.

Ferner ergeben sich bei Anwendungen mit vielen Achsen Kostenvorteile der zentralen gegenüber der dezentralen Architektur. Die Zusatzkosten der zentralen Steuerung werden durch Kostenvorteile der einfacheren Antriebe gegenüber den intelligenten Ausführungen der dezentralen Variante mehr als kompensiert.

Intelligente Antriebe können Steuerungsaufgaben übernehmen

Seit Mitte der 90er Jahre haben sich parallel zur Controller-basierten, zentralen Steuerungstechnik intelligente Antriebe etabliert. Ihre Entwicklung ist mittlerweile so weit fortgeschritten, dass intelligente Antriebe der Oberklasse heute die Aufgaben einer Steuerung und zusätzlich Bewegungsfunktionen wie eine Positionierung oder elektronische Kurvenscheibe übernehmen können.

Dabei fungiert bei synchronisierten Bewegungsabläufen eine Achse als Master für die restlichen Achsen. Diese Architektur ist im Allgemeinen für Anwendungen mit mehreren, synchronisierten Achsen, d.h. Königswelle, elektr. Getriebe, Kurvenscheiben etc. optimal. Bevorzugte Anwendungen sind z.B. Fördertechnik, Intralogistik oder Handling Systeme, besonders auch für standardisierte Anwendungen wie wie Wickeln, Querschneiden und viele mehr.

Da die meisten modernen Antriebe modular aufgebaut sind und auf IGTB-Technologie hoher Leistungsdichte basieren, lassen sie sich bestens an die jeweilige Aufgabe anpassen und erlauben den Aufbau besonders kompakter Systeme. Auf einen separaten Schaltschrank kann häufig verzichtet und damit der Platzbedarf sowie der Verdrahtungsaufwand minimiert werden.

Vernetzung über kostengünstige Feldbusse

Für die Vernetzung der Antriebe auf der Feldebene werden in der Regel kostengünstige Feldbusse wie CAN oder Profibus verwendet. Für Anwendungen mit höherem Datendurchsatz setzen sich vermehrt Realtime Ethernet Busse wie ProfiNet, EtherCAT, Powerlink und andere durch. Neben höherem Datendurchsatz bieten diese Systeme vereinfachte und flexiblere Verkabelungsmöglichkeiten und sind durch Repeater, Switches etc. fast beliebig erweiterbar.

Für die Anbindung an eine Bedieneinheit oder übergeordnete Systeme bietet sich eine preiswerte, nicht echtzeitfähige Ethernetschnittstelle an.

Ein gutes Beispiel für die konsequente Umsetzung des modularen Ansatzes sind die Servoverstärker Servo Drives 9400 von Lenze. Neben Speichererweiterungen oder unterschiedlichen Kommunikationsmodulen bietet der Systemanbieter Lenze zudem Sicherheitsmodule bis zum Performance Level „e“ an. Das adressierte Spektrum an antriebsintegrierter Sicherheitstechnik reicht dabei vom sicheren Halt bis hin zur sicher begrenzten Geschwindigkeit.

Auf konventioneller Sicherheitskomponenten (z.B. Sicherheitschaltgeräte, Schütze) und den entsprechenden separaten Sicherheitsbus kann daher in vielen Anwendungen verzichtet werden. Vorgefertigte Softwaretechnologiefunktionen und die Integration der Antriebstechnik in eine architekturunabhängige Engineering-Umgebung, wie den L-force Engineer der Lenze AG, erleichtern die Projektierung und Realisierung des Drive-Based-Ansatzes deutlich.

Verteilte bzw. hybride Architektur

Für die Realisierung größerer Maschinen und Anlagen mit mehr als zehn Achsen oder starker Modularisierung bietet sich eine Mischform aus dezentraler und zentraler Architektur an. Dabei besitzen einzelne Maschinen oder Anlagenmodule dezentrale Drive- based Steuerungen mit jeweils eigenständiger und unabhängiger Funktionalität. So lassen sich die autark automatisierten Maschinenmodule unabhängig voneinander projektieren, testen und in Betrieb nehmen.

Den einzelnen Modulsteuerungen übergeordnet ist eine PC-basierte Steuerung, die die Arbeit der untergeordneten Module koordiniert und den übergeordneten Prozess sowie den Datenaustausch zwischen den Teilsteuerungen realisiert. Zusätzlich sind hier häufig weitere zentrale Aufgaben wie das Datenmanagement (Erhebung statistischer Daten, Teileverfolgung, etc.) oder die Visualisierung integriert. Der Datenverkehr der Teilsysteme untereinander ist meist nicht Echtzeit kritisch und es kommen neben den etablierten Feldbussen (Profibus, CAN, etc) zunehmend Ethernet basierte Busse zum Einsatz.

Der größte Vorzug solcher hybriden Architekturen ist in der Modularität und Unabhängigkeit einzelner Anlagenteile voneinander zu sehen die eine separate Inbetriebnahme der Module bzw. eine einfache Modifikation der Maschine erlaubt, ohne dass jeweils alle Steuerungen angepasst werden müssen.

Die Partitionierung der Steuerungsaufgabe ist eine Herausforderung

In der Nutzung verteilter Ressourcen liegt aber auch gleichzeitig ihr größter Nachteil, der nicht unterschätzt werden sollte: Die Aufgaben müssen bei der Projektierung aufgeteilt und die Programme für die verschiedenen Steuerungsplattformen ggf. mit unterschiedlichen Werkzeugen erzeugt, verteilt und in Betrieb genommen werden. Dieser Nachteil wird zwar zum Teil wieder dadurch wettgemacht, dass die verschiedenen Aufgaben wie eingangs erwähnt übersichtlicher sind und leichter parallel von mehreren Mitarbeitern erledigt werden können, die Partitionierung der Steuerungsaufgabe stellt aber eine große Herausforderung dar.

Ein großer Pluspunkt der hybriden Architektur ist auch die damit realisierbare höhere Verfügbarkeit. Das System kann so ausgelegt werden, dass eine Modulsteuerung selbst während des Betriebs der Maschine ausgetauscht werden kann und die erforderlichen System- und Anwendungsdaten nach einem Austausch automatisch ohne weitere Benutzeraktionen von der zentralen Steuerung aufgespielt werden.

Die Wahl der passenden Architektur für eine bestimmte Automatisierungsaufgabe ist weniger eine Frage der Philosophie, denn eine Frage der Aufgabenstellung und der zu erfüllenden Randbedingungen. Da insbesondere der Kostendruck zunimmt, gewinnen dabei Aspekte wie die Skalierbarkeit und die Durchgängigkeit der Steuerungskomponenten sowie die Leistungsfähigkeit und Effizienz des Engineerings an Bedeutung. Nur wenn alle Elemente einer Automatisierungslösung ausgewogen sind und miteinander vernetzt werden können lässt sich effizient eine maßgeschneiderte Steuerungsarchitektur realisieren.

Maßgeschneiderte Steuerungsarchitektur

Die Automatisierungswelt L-force der Lenze AG lässt hier keine Wünsche offen und legt dem Anwender keine Beschränkungen bei der Wahl der Steuerungsarchitektur auf. Neben dem traditionell besonders umfangreichen Antriebs- und Elektromechanik Produktspektrum umfasst L-force ein ebenso reichhaltiges wie vollständiges Sortiment an Steuerungen und Automationskomponenten vom Industrie-PC bis zu HMI, modularen I/O Systemen und natürlich die für die Steuerungsaufgaben benötigten Softwaremodule wie Soft-SPS, Motion Control, CNC etc.

Alle Teile des L-force Portfolios sind aufeinander abgestimmt und werden durch die einheitliche Projektiersoftware L-force Engineer zu einer vollständigen Automatisierungslösung zusammengefügt. Der Anwender kann damit die optimale Steuerungsarchitektur für seine Automatisierungsaufgabe wählen, ohne die L-force-Welt verlassen zu müssen. Dies eröffnet dem Maschinenbauer neue Freiheiten bei der kostengünstigen Ausstattung seiner Maschinen mit leistungsfähigen Merkmalen.

*Egbert Gunia ist Geschäftsführer Lenze Digitec Controls GmbH, Meerbusch.

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