Automatisierungsbus Sercos III als universeller Automatisierungsbus für den Maschinenbauer

Redakteur: Reinhard Kluger

Es entstand als erstes Bussystem zwischen Steuerung und den Antrieben: Sercos. Auch heute noch nutzt dieser Bus als weltweit anerkannter Industriestandard die gleichen harten Echtzeitmechanismen, die seitdem in mehr als vier Mio. Knoten installiert sind.

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Sercos III hat sich zum universeller Automatisierungsbus gemausert.
Sercos III hat sich zum universeller Automatisierungsbus gemausert.
(Sercos International)

Ausgehend von einer Initiative des VDW (Verein der Deutschen Werkzeugmaschinenfabriken) und des ZVEI (Zentralverband der Elektrotechnischen Industrie) entwickelte Mitte der 80er Jahre ein fachkompetentes Team aus Werkzeugmaschinen-, Antriebs- und Steuerungsherstellern eine digitale Antriebsschnittstelle. Es entstand Sercos, das erste Bussystem zwischen Steuerung und den Antrieben. Auch heute noch nutzt Sercos als weltweit anerkannter Industriestandard die gleichen harten Echtzeitmechanismen, die seitdem in mehr als vier Mio. Knoten eingebaut sind.

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Die digitale Antriebsschnittstelle Sercos hat sich seit Markteinführung Anfang der 90er Jahre als weltweit akzeptierter Standard für die unterschiedlichsten und anspruchsvollsten Motion Control Anwendungen etabliert. Ihre Attraktivität basiert auf den herausragenden technischen Eigenschaften – insbesondere hinsichtlich Echtzeit, Performance und Störsicherheit – in Kombination mit einem sehr großen Produkt- und Anbieterspektrum.

Die elektronische Welle

Während in der Anfangszeit vor allem die Anforderungen der Werkzeugmaschine im Vordergrund standen, nutzten später auch Zeitungsdruckmaschinen die hohe Synchronisationsleistung von Sercos. Die elektronische Welle revolutionierte den Rollendruckmaschinenbau durch den Umstieg auf die wesentlich flexiblere und produktivere Einzelantriebstechnik. Auch zahlreiche Hersteller von Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen erkannten schnell die Vorteile der Echtzeitkommunikation und ersetzten mit intelligenten, über Sercos kommunizierenden Antrieben mechanische Lösungen durch Software. Elektronische Nockenschaltwerke, Kurvenscheiben, Druckmarken- und Zugspannungsregler erhöhen als Softwarefunktionalitäten die Flexibilität der Automatisierung und verkürzen die Umrüstzeiten erheblich.

Mit neuen Funktionen in die Zukunft

In der dritten Sercos-Generation, die seit 2005 zum Einsatz kommt, wurden die bewährten Sercos-Mechanismen mit dem Übertragungsverfahren von Fast Ethernet verschmolzen. Die Übertragungsgeschwindigkeit wurde von 16 auf 100 Mbit/s gesteigert. Zahlreiche innovative und zukunftsweisende Kommunikations-Funktionen (wie z.B. Ring-Redundanz, Hot-Plugging, direkter Querverkehr und Steuerungsvernetzung), sowie das Sicherheitsprotokoll CIP Safety on Sercos wurden spezifiziert. Der universellen Nutzung von Sercos III wurde auch bei den Geräteprofilen Rechnung getragen.

Im Sinne von „Plug and Play“

Das Sercos-Antriebsprofil wurde mit neuen Funktionen für weitere Aktorphysiken und Antriebsarten erweitert (u.a. hydraulische und pneumatische Antriebe, Frequenzumrichter). Zudem wurden weitere Geräteprofile für E/A-Baugruppen und Encoder definiert. Ein hoher Standardisierungsgrad ermöglicht die problemlose Kombination von Geräten verschiedener Hersteller im Sinne von „Plug and Play“. Durch die funktional orientierte Klassifikation der Geräte in Kombination mit einer einheitlichen und durchgängigen Semantik vereinfacht Sercos das gesamte Engineering und die Diagnose für verschiedenartige Geräte. Inbetriebnehmer und Programmierer können die Automatisierung vorab offline simulieren und damit die time-to-market verkürzen.

Multiprotokollfähige Netzwerkinfrastruktur

Aktuell arbeiten vor allem Konstrukteure für Roboter, für Maschinen rund um die Halbleiterfertigung, für Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen, für Werkzeugmaschinen und für komplexe Sonderanwendungen an neuen Konzepten mit Sercos III als Universalbus ihrer Wahl. Neben der erwiesenen Langlebigkeit und damit verbundener Investitionssicherheit – mehr als 70 Unternehmen unterstützen weltweit Sercos III mit Steuerungen, Antrieben verschiedener Technologien und Peripheriegeräten (wie z.B. Encoder, Kamerasysteme) – eröffnen die neuen Funktionalitäten und ein erweitertes Antriebsspektrum den Freiheitsgrad für weitere innovative Konzepte. Neue Wege beschreitet Sercos mit der multiprotokollfähigen Netzwerkinfrastruktur für Sercos, EtherNet/IP und TCP/IP. Denn im Vordergrund dieses Lösungsansatzes steht nicht die Erweiterung der sercos Technologie per se, sondern die Nutzung einer gemeinsamen Netzwerkinfrastruktur für koexistierende industrielle Kommunikationsprotokolle.

Keine zusätzliche Verkabelung nötig

Die gemeinsame Netzwerkinfrastruktur ist das erste Ergebnis der Maschineninitiative, bei der Sercos International, ODVA und die OPC Foundation seit 2011 zusammenarbeiten. Da die erforderliche Infrastruktur für EtherNet/IP und Sercos III die Physik und den Data Link Layer von Ethernet umfasst, können Sercos Telegramme, CIP-Nachrichten und TCP/IP-Telegramme in einem Netzwerk koexistieren, ohne dass dafür eine zusätzliche Verkabelung benötigt wird. Um die zyklische und getaktete Kommunikation von sercos III intakt zu halten, werden die CIP-Nachrichten und TCP/IP-Telegramme im sogenannten Unified Communication Channel (UCC) übertragen, der ein integrierter Bestandteil des sercos Übertragungsverfahrens ist. Diese einheitliche Netzwerk-Infrastruktur ermöglicht Maschinenbauern und Anwendern, die Kosten und Komplexität für die Integration von Maschinen zu reduzieren. Gleichzeitig können die bevorzugten Produktanbieter und Automatisierungsgeräte beibehalten werden, ohne zusätzliche Verkabelung.

Ein Implementierungsleitfaden beschreibt die Planung

Die gemischte Infrastruktur benötigt keinerlei Modifizierungen der bestehenden Sercos-III- und EtherNet/IP-Spezifikationen, da die entsprechenden Kommunikationsmechanismen bereits im Sercos III Übertragungsverfahren integriert sind. Ein Implementierungsleitfaden beschreibt die Planung und den Aufbau solcher Multi-Protokoll-Netzwerke.

Die Maschineninitiative beschäftigt sich darüber hinaus mit einem protokollneutralen Datenmodell, das den Informationsaustausch mit Maschinen und Anlagen, einschließlich ihrer grundlegenden Attribute und Zustände, vereinheitlicht. Wird dieses Datenmodell an spezifische Technologien – CIP, Sercos und OPC UA – angepasst, ermöglicht es die Erfassung von Daten einzelner Maschinen oder die Kumulierung von Daten mehrerer Maschinen auf verschiedenen Unternehmensebenen und stellt diese Daten auf allen Ebenen einheitlich dar – von der Maschinenebene über die Prozess- und die Systemebene bis hin zu der Leit- und Unternehmensebene.

Diese Lösung wird in der Praxis durch die Integragration von Maschinendaten auf der Basis logischer Datengruppierungen erreicht. Solche Methoden, die für den Zugriff auf einen gemeinsamen Satz von Datenattributen in CIP, OPC und Sercos entwickelt wurden, die werden in Verbindung mit Maschinenanwendungen eingesetzt.

Integrationsmodell schafft erforderliche Individualität

So entsteht ein einheitliches Integrationsmodell, das den Zugriff auf grundlegende Maschinendaten, Informationen über Zustandsüberwachung, Energie, Sicherheit usw. unterstützt. Zusätzlich können Datenmodelle, die für spezifische Maschinenanwendungen, wie Verpackung, Werkzeugmaschinen und Halbleiter, entwickelt wurden, der Maschine Individualität verleihen. Die Einbeziehung von maschinenspezifischen Daten, die auf der Basis von standardisierten Gruppen in diesen Maschinenbereichen entwickelt wurden, ist entscheidend für die effektive Nutzung von anwendungsspezifischem Know-how, das die wichtigste Voraussetzung für einen erfolgreichen Maschinenbetrieb darstellt.

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