TIA Portal Zusammenspiel von Steuerung und Umrichter vereinfacht Motion Control

Autor / Redakteur: Christian Coy, Tibor Kunert* / Reinhard Kluger

Zum Positionieren in komplexen Anlagen per Umrichter bedarf es nun nur noch eines Tools und einer Bedienphilosophie. Dank des TIA Portals. So einfach war Motion Control noch nie.

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SPS/HMI-Programmierung sowie Umrichter-Parametrierung mit dem TIA Portal.
SPS/HMI-Programmierung sowie Umrichter-Parametrierung mit dem TIA Portal.
(Siemens)

Das Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) von Siemens macht dem Anwender die Motion-Programmierung so einfach wie möglich, indem es ihm mit einem Konfigurator durch die Programmierung der Steuerung und die Parametrierung des Umrichters leitet. Am Ende dieses intuitiven Wizards ist die vollständige Applikation in Betrieb genommen. Doppeleingaben gehören der Vergangenheit an, die Kommunikation ist automatisch hergestellt und die Datenkonsistenz ist gegeben. Um das zu ermöglichen, ist seit der Version 12 des TIA Portals neben der Programmierung der Steuerung und der Visualisierung auch Sinamics Startdrive zur Projektierung der Antriebe enthalten.

Nahtlose Integration der Umrichter

Genauso intuitiv kann der Anwender alle soeben erstellten Komponenten per Drag and Drop in der Applikationsbibliothek des TIA Portals ablegen. Dieser Weg vereinfacht sowohl die Erstellung einer Applikation als auch ihre Vervielfältigung und den Service.

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Ein weiterer Vorteil der nahtlosen Integration der Umrichter wird deutlich, wenn man die Diagnose der Anlage in Betracht zieht. Im Falle eines Ausfalls eines Umrichters musste in der Vergangenheit der Fehler aufwendig lokalisiert und dann mit einem speziellen Umrichter-Diagnosetool online analysiert werden. Bestenfalls hatte einer der Ingenieure zeitintensiv eine Diagnosefunktion programmiert und damit diesen Prozess beschleunigt.

Ohne großen Programmieraufwand

All das war notwendig, da Umrichter und Steuerungen in unterschiedlichen Systemen in Betrieb genommen und letztendlich auch diagnostiziert werden mussten. Diese Probleme gehören jetzt der Vergangenheit an. Automatisch und ohne Programmierung sind neben der Diagnose der Steuerung, des Netzwerks und des Human Machine Interface (HMI) ebenfalls die Umrichtermeldungen systemweit verfügbar. Ohne Programmieraufwand können die Umrichter im Engineering, in der Steuerung, im Web-Server sowie im HMI diagnostiziert werden.

Die einzigartige Engineering-Effizienz des TIA Portals reduziert den Trainingsaufwand, die Engineering- und Servicezeiten, erhöht die Produktivität der Anlage und reduziert die Kosten. Eine Effizienz, die möglich wurde, indem Steuerung und Antriebstechnik gemeinsam entwickelt und optimal aufeinander abgestimmt wurden.

Motion Control mit nur einer Projektierungssoftware

So einfach war Motion Control noch nie. Der folgende Ablauf demonstriert die für die Motion-Programmierung einer Achse bei Verwendung der Simatic S7-1500 und des Sinamics G120 benötigten Schritte. Dabei werden sehr anschaulich die Vorteile des Applikationsengineerings deutlich:

Die gesamte Hardware des Projekts wird in einem gemeinsamen Editor eingefügt und konfiguriert. Die Vernetzung über Profinet erfolgt grafisch über Drag and Drop durch einfaches Verbinden der jeweiligen Schnittstellen der Baugruppen. Die IP-Adressen werden entsprechend eingetragen und schon ist die Hardware- und Netz-Konfiguration fertig. Alternativ zum Offline-Projektieren kann die Hardware auch online aus der Maschine bzw. Anlage ausgelesen werden, indem einfach die erreichbaren Teilnehmer im Netz gesucht und anschließend in das Projekt geladen werden.

Ein Wizard führt Schritt für Schritt durch die Konfiguration

Nachdem die Hardwareprojektierung abgeschlossen ist, wird zur Projektierung der Positionierfunktion in der Simatic S7-1500 ein Technologieobjekt des Typs „Positionierachse“ angelegt. Ein Wizard führt Schritt für Schritt durch die Konfiguration der virtuellen Positionierachse. Die Konfiguration der Technologieachse ist dabei unabhängig von der Zuweisung der Hardware, die durch diese virtuelle Achse bewegt werden soll und bietet somit ein hohes Maß an Flexibilität und Wiederverwendbarkeit. Für die Hardwarezuweisung werden komfortabel alle bereits projektierten und vernetzten Frequenzumrichter zur Auswahl angeboten. Der gewünschte Umrichter kann einfach ausgewählt werden. Falls nicht bereits zuvor im Rahmen der Hardwarekonfiguration erledigt, kann hier auch das Leistungsteil für den Frequenzumrichter ausgewählt werden. Die Auswahl eines Motors aus dem Simotics Spektrum erfolgt komfortabel aus einem Katalog.

So zeigen grafische Parametriermasken den Signalfluss vom Sollwert bis zum Motor

Für die Parametrierung weiterführender Umrichterfunktionen stehen übersichtliche und umfangreiche grafische Bedienoberflächen zur Verfügung, z. B. für die antriebsseitige Sicherheitstechnik, die antriebsinterne Verschaltung der Ein-und Ausgänge, für integrierte Technologieregler oder die zur Programmierung von Funktionserweiterungen verfügbaren Funktionsbausteine und vieles mehr. Das Gleiche gilt natürlich auch für die antriebsinterne Positionierfunktion, falls die Positionierung antriebseitig statt im PLC gelöst wird. Die grafischen Parametriermasken zeigen zudem den Signalfluss vom Sollwert bis zum Motor und bieten vielfältige und komfortable Möglichkeiten zur Manipulation des Sollwerts, wie Begrenzen, Filtern etc. Somit wird die Nutzung des vollen Funktionsspektrums der Sinamics Umrichter einfach und grafisch unterstützt. Für Expertenanwender mit Bedarf für Detaileinstellungen steht zudem noch eine Liste aller Antriebsparameter zur Verfügung, übersichtlich strukturiert nach Funktionsgruppen. Eine Funktion ermöglicht den Vergleich der Projektierung aller Umrichterparameter mit der Werkseinstellung, um die Unterschiede effizient identifizieren zu können.

Verbindung zum Umrichter einfach und intuitiv

Für die Inbetriebnahme des Frequenzumrichters stehen alle Funktionen übersichtlich gruppiert zur Verfügung. Die Online-Verbindung erfolgt im TIA Portal für alle Geräte (PLC, HMI und Antriebe) auf dieselbe Weise. So ist auch die Verbindung zum Umrichter einfach und intuitiv. Zum Testen des Motors kann der Umrichter direkt vom Programmiergerät aus mit Hilfe der Steuertafel verfahren werden. Des Weiteren befinden sich im Inbetriebnahme-Editor Hilfsmittel für die Antriebsoptimierung, Archivierung und Sicherung der Geräteeinstellungen.

Die umfangreiche, antriebsinterne Trace- bzw. Oszilloskop-Funktion ermöglicht es, zwei Trace-Aufträge mit jeweils bis zu acht Antriebsparametern aufzuzeichnen, was sowohl bei der Inbetriebnahme zur Regleroptimierung als auch im Service-Fall ausgesprochen hilfreich ist. In Sinamics Startdrive können die Trace-Aufräge konfiguriert, in das Gerät geladen und die Aufzeichnungsdaten grafisch angezeigt werden. Umfangreiche Zoom- und andere Anzeigeoptionen unterstützen die grafische Auswertung der Signale. Abschließend können die aufgezeichneten Daten in das Projekt geladen und ggf. als XML-Datei exportiert werden. Dem Prinzip des TIA Portals folgend ist der Trace-Editor für Sinamics Umrichter und die Simatic S7-1500 identisch, so dass die Einarbeitungszeit minimiert wird.

Komplette Inbetriebnahme auch ohne Projekt

Alternativ kann die Antriebsinbetriebnahme auch komplett ohne Projekt erfolgen. Der Antrieb lässt sich einfach über die Liste der im Netz erreichbaren Teilnehmer finden und parametrieren. Mit Sinamics Startdrive stehen für die erreichbaren Teilnehmer derselbe Inbetriebnahme-Assistent und alle grafischen Parametrieroberflächen zur Verfügung wie für die in ein Projekt eingefügten Geräte. Vor allem für Service- und Diagnose-Zwecke eignet sich die Liste der erreichbaren Teilnehmer, da hier Diagnosefunktionen, wie z. B. die Fehlerliste inklusive Quittiermöglichkeit sowie die Masken der Zustands- und Steuerwerte, verfügbar sind.

Passende Vorbelegungen

Nachdem die Inbetriebnahme des Antriebs abgeschlossen ist, kann die Konfiguration des Technologieobjekts „Positionierachse“ in der Simatic S7-1500 fortgesetzt werden. Das kann natürlich auch vor der Antriebsinbetriebnahme erfolgen. In unserem Beispiel wird für die Geberauswertung das Zählermodul der Simatic ET 200SP zugewiesen, die Datenübertragung zum Umrichter und die Bezugsdrehzahl sowie das Gebertelegramm für die Kommunikation zum Zählermodul werden eingestellt. In einer geführten Konfiguration werden alle notwendigen Schritte für die weiteren Einstellungen zu Mechanik, Positions- und Dynamikgrenzen, Notstopp-Rampe, Referenzieren, Positionsüberwachung u. a. grafisch veranschaulicht durchgeführt. Für alle Einstellungen werden jeweils passende Vorbelegungen vorgenommen.

Zum Ansteuern der Positionierachse aus dem PLC-Anwenderprogramm heraus steht eine Motion-Bibliothek mit PLCopen-Bausteinen zur Verfügung, die das komfortable Programmieren in Step7 ermöglicht. Somit bietet das TIA Portal mit Sinamics Startdrive in der Version 12 eine durchgängige und komfortable Engineering-Plattform für die Realisierung von Motion-Control-Aufgaben.

Zahlreiche Applikationen einheitlich projektieren

Die vollständige Sinamics G120 Umrichterfamilie bis 250 kW ist mit Startdrive V12 bereits in das TIA Portal integriert und bietet die genannten Vorzüge und Erleichterungen. So können Sie jetzt Anwendung mit Pumpen, Lüftern und Kompressoren äußerst effizient und intuitiv realisieren. Denken Sie dabei z. B. an Heizung, Lüftung, Klimaanlagen oder Wasser- und Abwasseranlagen. Ebenso sind vertikale Bewegungen, wie Aufzüge, Krane und Handlingsysteme, möglich. Mit integrierten Motion-Funktionen können Sie die Bewegungsführung komplett integriert und effizient realisieren. Ob die Motion-Funktionen in der Steuerung oder im Antrieb realisiert werden, ist dabei ohne Belang – es wird lediglich das TIA Portal benötigt. Eine große Gruppe der voll integrierten Applikationen sind Förder- und Lagersysteme. Hierbei hat der Anwender neben intuitivem Engineering die Möglichkeit, die für ihn perfekten Komponenten aus einem großen Spektrum zu wählen. Seien es IP20-Komponenten für den Schaltschrankeinbau oder robuste IP65-Komponenten für den Einbau direkt an der Maschine.

Steuerung und Umrichter effizient kombiniert

Das TIA Portal ermöglicht eine äußerst effiziente Kombination aus Simatic Steuerung und Sinamics Frequenzumrichtern. Gemeinsame Funktionen, wie z. B. das Onlineverhalten, die Bibliothek sowie das durchdachte User Interface, reduzieren die Trainings- und Engineeringzeit. Automatische Datenkonsistenz und systemübergreifende Funktionen, wie z. B. die Diagnose, verringern Fehlerfälle, reduzieren Stillstandszeiten und erhöhen letztendlich die Produktivität der Anlage. Die hier dargestellte Kombination aus Simatic S7-1500 mit integrierter Motion-Funktion zur Ein-Achs-Positionierung und dem Sinamics G120 Umrichter nutzt all diese Möglichkeiten zum Vorteil des Anwenders: Das ist ideales Applikationsengineering.

* * Dipl. Wirtsch.-Ing. Christian Coy, Dr. Tibor Kunert sind Produkt Manager, Siemens AG

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