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IPC Wie ein offener Steuerungsbaukasten die Konstruktion erleichtert

Autor / Redakteur: Eduard Ams* / Ute Drescher

Ein Maschinenkonzept, dass optimal an die Applikation angepasst sein soll, stellt hohe Ansprüche an die Schnittstellen zu Antrieben, HMI und Prozessperipherie. Manz bietet eine PC-Steuerung, die offen, skalierbar und modular aufgebaut ist. Damit lässt sich einfach ein plug-and-play-fähiges System aufbauen, dass darüber hinaus schnell um neue Features und Komponenten erweitert werden kann.

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Im 0,7-Sekunden-Takt werden die Wafer aus der Prozessmaschine abgeholt – ein typische Handhabungsaufgabe.
Im 0,7-Sekunden-Takt werden die Wafer aus der Prozessmaschine abgeholt – ein typische Handhabungsaufgabe.
( Archiv: Vogel Business Media )

Flexible Automationslösungen werden mittlerweile in der Regel mit Robotersystemen geplant, da diese per se ein Höchstmaß an Flexibilität für den Projekteur/Konstrukteur und letztlich auch für den Endanwender bieten. Nur lässt sich Handhabungseinheit, Zuführung oder Prozessmaschine nicht allein darauf reduzieren. Selbst wenn das Kernkonzept auf einem Industrieroboter basiert, sind umfangreiche Peripheriekomponenten und Schnittstellen zu bedienen.

In diesem Punkt sind die Steuerungssysteme der Roboterhersteller in ihrer Funktionalität und Offenheit begrenzt, was wiederum die Freiheit des Konstrukteurs einschränkt. Denn Ziel des Maschinenkonstrukteurs ist es, das Maschinenkonzept optimal an die Applikationsbedürfnisse anzupassen. Dies hat jedoch meist zur Folge, dass die benötigten Freiheitsgrade der Steuerung insbesondere bezüglich Schnittstellen zu Antrieben, HMI und Prozessperipherie sehr vielfältig und teilweise komplex sind.

Eine eigene PC-Steuerung entwickelt

Manz hat als Maschinenbauer und Komponentenanbieter aus der Not eine Tugend gemacht und die eigene PC-Steuerung „aico.control“ nach den Kriterien Offenheit, Skalierbarkeit und Modularität optimiert. Ganz entscheidend hierbei ist, dass Produktentwicklung, Maschinenintegration und Inbetriebnahme deutlich beschleunigt werden.

Neben der Optimierung der Hardwarekosten bei großen Stückzahlen (> 1000) ist vor allem die „Time to ‚Market“ ausschlaggebend für den Erfolg des Maschinenbauers. Im Gegensatz zu Serienprodukten mit sehr hohen Stückzahlen wird im Automationsumfeld mit kleinen bis mittleren Größen (1- 500) gerechnet, wodurch die Entwicklungszeit unter Umständen bei jedem einzelnen Projekt zu Buche schlägt.

Die entscheidende Frage ist nun, welche Voraussetzungen gegeben sein müssen, um die Kosten durch Customizing, Modularität und Standardisierung zu senken. Dabei scheinen sich Customizing und Standardisierung zunächst zu wiedersprechen. Beides zu vereinen und die Vorteile der jeweiligen Philosophie zu nutzen, führt jedoch zum gewünschten Resultat.

Anforderungen an das Baukastensystem

Wie sieht nun konkret das Baukastensystem aus, um sowohl dem Konstrukteur als auch dem Softwareingenieur möglichst viele Freiheiten und einen schnellen Prozessfortschritt zu gewährleisten?

Zunächst werden Standard-Hard- und Software-Bausteine verwendet, die mit ebenfalls standardisierten Schnittstellen kommunizieren. Hier ist alles enthalten, was im Automationsumfeld üblich und notwendig ist, angefangen von Ethernet über RS 232 bis zu den diversen Feldbussen. Auch softwareseitig werden Standards wie OPC, TCP/IP, DCOM, SECS, etc. unterstützt.

Um auch für die Zukunft gerüstet zu sein und die verschiedenen Branchen und Zielgruppen bedienen zu können, werden alle gängigen RT-Ethernet-Protokolle angeboten und stehen als Schnittstelle auf Steuerungs- und Feldebene zur Verfügung. Die Verwendung von Standardkomponenten hat zwei entscheidende Vorteile: Zum einen ist man unabhängiger von Produktherstellern und zum anderen eröffnet diese Strategie ein hohes Maß an Flexibilität, Sicherheit und Akzeptanz.

Möglichst viele Freiheiten für den Konstrukteur

Ständig wechselnde Aufgaben z.B. in der Montage- oder Handhabungstechnik erfordern es, auf die unterschiedlichen Anforderungen schnell reagieren zu können. Einen großen Vorteil erhält der Maschinenbauer vor allem dann, wenn er die Konstruktion der Maschine nach den Applikationsanforderungen ausrichten kann, d.h. praktisch beliebige Auswahl der Handhabungs- und Robotersysteme.

Diese können Standardkinematiken oder auch kundenspezifische Entwicklungen repräsentieren. Auch spielt die Anzahl, Anordnung und Interpolation der Achsen keine Rolle, da alle Varianten konfigurierbar sind.

Die dadurch dem Konstrukteur gewährten Freiheiten wecken natürlich Begehrlichkeiten was zu einer zunehmenden Anzahl von Achsen und Robotern in der Automation führt. Zusätzlich liegt es nahe, auch die SPS-Welt, d.h. dezentrale E/As über denselben Systembus zu steuern. Der Vorteil liegt auf der Hand: einfache Projektierung, weniger unterschiedliche Hardwarekomponenten, bessere Beherrschbarkeit durch das Servicepersonal etc.

Um eine komplette Abdeckung der Applikationen zu erreichen, müssen auch Themen wie Prozesssicherheit, Diagnose, Geschwindigkeit, Jitter, Ansteuerung von Master/Slave oder Gantry-Achsen berücksichtigt werden. Traditionelle Feldbusse scheiden bereits aus Performancegründen aus, vielmehr kommt nur RT-Ethernet mit der 100 MBit Bandbreite in Frage.

Ethercat und SERCOS III als herstellerunabhängige Protokolle

Die Auswahl des Protokolls für die Ethernet-Physik kann bei aico.control beliebig gewählt werden. Bezieht man jedoch die Faktoren Akzeptanz und Hersteller-Unabhängigkeit mit ein, bleiben z.Z. nur noch Ethercat oder SERCOS III als Varianten übrig. SERCOS III kann als einziges Protokoll mit einer direkten Kommunikation zwischen vernetzten Steuerungen und direkt zwischen den Antrieben mit sehr hoher Geschwindigkeit aufwarten. Dies ist z.B. bei Ansteuerung von dynamischen Gantry-Systemen von wesentlicher Bedeutung, ebenso die schnelle und sichere Reaktion im Fehlerfall durch Slave-to-Slave-Kommunikation. Somit kann bei Ausfall der Steuerung ein sicherer und materialschonender Notstop durchgeführt werden.

Die Softwareentwicklung muss ein großes Spektrum abdecken. Die Steuerung bzw. das Programmiersystem muss den unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Erfahrung und Neigung der Programmierer sowie der Komplexität der Anwendung gerecht werden.

Das kann heißen: Programmierung der SPS unter IEC 61131-3 sowie Programmierung der Bewegungssteuerung oder des Prozesses in einer Hochsprache als Ablaufprogramm mit den entsprechenden Freiheiten, da hier die Restriktionen der IEC-Sprache oft hinderlich sind und letztlich zu erschwerter Lesbarkeit und längere Entwicklungszeit führen.

Maschinensystem mit plug&play-Fähigkeiten konfigurieren

SW-Ingenieure verbringen 50-70% der Entwicklungszeit mit der Entwicklung von Funktionen für Fehlerbehandlung, Benutzerschnittstelle, Konfiguration und Inbetriebnahme. aico.control besitzt aus diesem Grund einen konfigurierbaren Applikationsrahmen, der grundlegende Funktionen wie Programmsteuerung, E/A-Handling, Teachen, HMI-Kommunikation und Errorhandling bereitstellt. Somit kann mit wenigen SW-Einstellungen ein lauffähiges Maschinensystem konfiguriert werden, das Plug&Play-Fähigkeiten besitzt.

Bildverarbeitung zur Lageerkennung, Qualitätssicherung oder Messtechnik wird mittlerweile in >80% aller Automationslösungen in irgendeiner Form eingesetzt. Manz hat eine sehr weit skalierbare PC-Lösung integriert, die wiederum auf Standard-PC-Komponenten und -Schnittstellen (Framegrabber und Firewire) aufsetzt. Die Benutzerschnittstelle ist so ausgelegt, dass ein einfaches Einrichten und eine permanente Kontrolle des Prozesses möglich sind.

Typische Handhabungsaufgabe zeigt die Vorteile

Eine typische Handhabungsaufgabe zeigt die Vorteile dieses Konzepts: Die Aufgabe besteht darin, 5000 Silizium-Wafer pro Stunde aus einer Prozessmaschine (chem. Nassprozess) zu entladen. Die Wafer werden auf einem 8-spurigen Förderband zugeführt. Ein Vision-System erkennt die Positionen der Wafer sowie eventuelle Kantenbrüche und leitet sie an die Robotersteuerung weiter.

Zwei Delta-Roboter greifen die Teile vom konstant laufenden Band ab und legen die Siliziumscheiben auf einen Palettenträger, der die Wafer einem Beschichtungsprozess zuführt. Bei einem Produktionsstau werden die Wafer vom Band über so genannte Sliderachsen einer Kassettenstation zugeführt. Beim Abarbeiten der Teile aus dem Puffer muss wiederum eine Kamera die Lage des Wafers errechnen. Zwei Matrix-Kameras stellen außerdem die exakte Position des Palettenrahmens fest.

Insgesamt sind in dieser Handhabungszelle 2 Roboter, 10 Zuführachsen, 8 Kameras und ca. 640 E/As verbaut. Dieses Projekt wird auf einer aico.control Steuerung realisiert. Dadurch entstehen praktisch keine Performanceverluste durch Schnittstellen. Die Projektierung erfolgt über den integrierten Projektassistenten. Die Inbetriebnahmezeit eines solch flexiblen Konzeptes ist sehr kurz, da nur wenige kritische mechanische Komponenten verbaut sind und das Einrichten bequem über die mitgelieferte HMI-Software erfolgt. Dies betrifft vor allem das Teachen der Servoachsen, das Einrichten der Kameras und das Mappen der E/As. Sollten bei einem ähnlichen Projekt mehr Freiheitsgrade beim Handhaben der Teile notwenig werden, müssten beispielsweise lediglich die Roboterkinematik getauscht und das Projekt neu konfiguriert werden.

*Eduard Ams ist Bereichsleiter Steuerungssysteme bei der Manz Automation AG, Reutlingen.

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