Wie viel Antrieb braucht die Steuerung? (oder umgekehrt)

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1 Wie viel Antrieb braucht die Steuerung? (oder umgekehrt) Werner DüpjohannD ferrocontrol Steuerungssysteme GmbH & Co. KG Herford 1

2 Ein Wort zu ferrocontrol... Das Produktspektrum umfasst Antriebstechnik, Industrie PC, kompakte Maschinensteuerungen und Steuerungstechnik. Als OEM Ausrüster liefern wir zusätzlich Applikationspakete, Bedienoberflächen und Fertigungsleittechnik mit besonderem Know-how im Fensterbau und in der Möbelproduktion. 2

3 Inhalt Was bedeutet eine Integration von Steuerung und Antrieb? - Grundsätzlicher Aufbau von SPS Steuerung und Antriebsregler - Topologien zur Maschinenautomatisierung Praxisbeispiel zum Thema Integration - Performance Lösung mit kurzen Reaktionszeiten - Kosten Optimierte Lösung für Serienmaschinen Integration des Antriebsregler in die Steuerung - Soft Motion System in IEC

4 Wieso eine Integration von Steuerung und Antrieb? Die Situation heute: - Steuerungstechnik und Antriebsregler sind umfangreich am Markt erhältlich. In beliebigen Leistungsklassen, für alle Anwendungen... - Bewährte Schnittstellen stehen zur Verfügung CANopen, Profibus... - Spezielle Feldbusse für Antriebsaufgaben sind etabliert Sercos, Profibus MC, Ethernet based... - Bibliotheken unterstützen die Programmierung IEC 61131, PLCopen - Viele Tools erleichtern Parametrierung und Inbetriebnahme Windows Applikationen der Hersteller, CoDeSys, DARC Service 4

5 Wieso eine Integration von Steuerung und Antrieb? Argument Kosten - Integrierte Systeme haben reduzierte Schnittstellenkosten und bieten ein einfaches Engineering! Aber: - Viele Anwendungen haben mehrere Antriebsregler. - Zur Steuerung der Maschine reicht aber eine SPS. - Der Aufwand im Engineering wird größer. - Es wird zusätzlich eine Vernetzung der Steuerungen erforderlich. 5

6 Wieso eine Integration der Steuerung in den Antriebsregler? Argument Flexibilität - Antriebsnahe Funktionen können leicht erstellt werden! Aber: - Wer will einen Lage- oder Drehzahlregler frei programmieren? - In der Regel ist nur das Zusammenspiel von Modulen eines Herstellers möglich. - Integrierte Systeme sind meist geschlossen, d.h. dem Anwender ist nur beschränkt eine eigene Programmierung gestattet. - SPS Bibliotheken gelten lediglich für Standardanwendungen (Kurvenscheiben, Gearing etc.) 6

7 Dann doch lieber den Regler in die Steuerung... Argument skalierbar, kostengünstig und flexibel - Der Antriebsregler reduziert sich auf den Leistungsteil! Aber: - Diese Lösung beschränkt sich auf PC basierte Steuerungen mit entsprechend hohem Hardwareaufwand. - Für einfache Maschinen ist ein PC Steuerung häufig zu teuer. - Wie sieht die Schnittstelle zum Leistungsteil aus? - Lage- und Drehzahlregelung auf einer PC Steuerung? 7

8 Der Wunsch des Anwenders Antriebsnahe Funktionen sollen einfach zu lösen sein - Möglichst wenig Aufwand für Programmierung. - Einfaches Handling bei Installation und Service. - Kostenvorteil gegenüber verteilten Systemen. Ein Lösungsansatz - Modulare Systeme mit einer frei wählbaren Anzahl von Achsen - Keine IEC Firmware, sondern Anwenderprogramme in IEC mit geeigneten Motion Control Bibliotheken. - Spezial Applikationen werden vom Gerätehersteller als Dienstleistung implementiert. 8

9 Aufbau einer SPS Steuerung Das EVA Prinzip Die Steuerung nach DIN Das Steuern, bzw. die Steuerung, ist der Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. 9

10 Aufbau einer Antriebsregelung Die Regelung nach DIN Die Regelung, bzw. das Regeln ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe [Regelgröße] erfasst, mit einer anderen Größe [Führungsgröße] verglichen und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. 10

11 Vergleich von Antriebsregler und Steuerung Steuerung Antriebsregler Reaktionszeit > 10 ms < 1 ms Prozessor µcontroller / x86 Befehlssatz zur Bearbeitung größerer Programme Programmierung SPS Programmierung nach IEC 61131, Motion Control Anwendungen nach PLCopen Programmerstellung Anwender Ein- Ausgangssignale Tools große Anzahl digitaler /analoger Signale, Verteilung über Feldbussysteme SPS Programmiertools IEC Sprachen Breakpoints, On-Line Change, Tracing Signalprozessor (DSP) Einsatz in der Regelungstechnik für zyklische schnelle Berechnungen DSP Programm (Firmware) nicht frei programmierbar Parametrierung und Technologiefunktionen, DIN für die CNC Technik Gerätehersteller (Firmware) Anwender (CNC Programme) Diverse Gebersysteme (SSI, Hyperface, Resolver), Schnelle Eingänge, PWM Ansteuerung der Antriebe (Leistungsteil) Herstellerspezifische Parametrier- und Inbetriebnahme Softwaretools, auf Antriebe abgestimmt, Tracing - Oszilloskop Funktionen 11

12 Topologie eines dezentralen Gesamtsystems Reaktionszeit = 250 ms 1. Schnittstelle zur Bedienung (HMI) Ethernet, Seriell o.ä. 2. Schnittstelle zwischen SPS (PLC) und Antriebsregler (MC) Taktsynchrone Feldbussystem: CAN Sync, Sercos, Ethernet based 3. Schnittstelle zu Ein- Ausgangsmodulen (I/O) Klassische Feldbussysteme wie CANopen, Profibus 4. Schnittstelle zum Antrieb (Drive) PWM, Antriebsbus des Herstellers 12

13 Topologie eines integrierten Systems Reaktionszeit Reaktionszeit = 25 ms = 25 ms 1. Schnittstelle zur Bedienung (HMI) Ethernet, Seriell o.ä. 2. Schnittstelle zwischen SPS (PLC) und Antriebsregler (MC) Shared Memory (SHM), Geräte intern 3. Schnittstelle zu Ein- Ausgangsmodulen (I/O) I/O direkt am Gerät oder Feldbus 4. Schnittstelle zum Antrieb (Drive) PWM, Gerätehersteller 13

14 Topologie einer Lösung für kurze Reaktionszeiten Prozessgrenze Reaktionszeit = 1 ms Zusammenfassung der Prozesse Für den Prozess wichtige Ein- Ausgangssignale (I/O) werden von Regler (MC) direkt verarbeitet Bedienung (HMI) für den Prozess zeitlich unkritisch Standard Feldbus zwischen PLC und MC Applikationsfunktion wird im MC realisiert 14

15 Beispiel Performance Fliegende Fräse Holzbearbeitungsmaschine für die Kantebearbeitung - Multifunktionsaggregat MFA - Fräsen im Durchlauf - bis 30 m/min Vorschub - Freie Fräskonturen nach DIN Variante Werkstücklängen - CNC Steuerung im Antriebsregler integriert - Kommunikation zur übergeordneten PLC über CANopen 15

16 Funktionsbeschreibung des MFA 1. Aggregat wartet in Grundstellung auf Werkstück Quelle: IMA 2. Erreicht das Werkstück die Startposition, wird über ein Streckensignal der Start der Kontur ausgelöst. 3. Das Aggregat synchronisiert dann auf die Vorschubgeschwindigkeit 4. Die Interpolation wird gestartet und fährt die programmierte Kontur ab 5. Am Ende der Bearbeitung folgt die Fahrt in Grundstellung 6. Warten auf nächstes Werkstück 16

17 Integration von CNC Steuerung im Antrieb HMI nur als Kontureditor für DIN PLC übernimmt Steuerungsaufgaben MC / Drive Integration der CNC Steuerung im Versorgungsmodul des Reglers Verarbeitung zeitkritischer Signale (I/O) CNC Konturen frei programmierbar Funktionsablauf in Firmware programmiert 17

18 Beispiel Kosten Gehrungssäge Doppelgehrungssäge für Profile - Hohe Anforderung an Präzision - Serienmaschinenbau - Anspruchsvolle Bediensoftware - Modularer Maschinenbau - Varianten von 1 bis 5 Achsen - Einfache Inbetriebnahme - Kompakte Bauweise - Marktfähiger Preis Quelle: Thorwesten 18

19 Integration von Antriebsreglern ins Feldbussystem PLC Æ IEC Programmiersystem - PLCopen Bibliothek für Standard Motion Control Applikationen I/O Æ Digitale I/O Signale von PLC und MC auswertbar - Zeitkritische Signale können direkt vom Regler verarbeitet werden MC Æ Im Feldbussystem integriert - Drehzahl- und Lageregelung über Signalprozessor (DSP) HMI Æ Embedded Lösung mit Windows CE.net - Bediensoftware im Windows look and feel 19

20 Integration des Antriebs in die Steuerung development environment CNC editor CoDeSys SoftMotion CAM editor motion design MC Funktionalitäten sind komplett im IEC Laufzeitsystem integriert MC laufen als PLC Tasks IEC program RTS CNC + Trafo library Drive_Basic.lib CAN PLCopen Motion Control single axis Drive Interface SERCOS Drive Configuration +/-10V PLCopen Motion Control multi axis clock/dir. motion execution machine connection Module des MC Systems sind als Library Functions in IEC Sprache realisiert Ansteuerung der Antriebsregler über Sercos, CAN oder analog Quelle: 3S Smart Software Solutions 20

21 Programmierung von Soft Motion Systemen PLCopen Standard - Bibliothek von FB s - Motion Control Anwendungen Camming - Kurvenscheiben - Editor in Entwicklungsumgebung CNC Funktionen - Interpolator für 2 ½ D (Helix) - Decoder nach DIN (G- Codes) - CNC Editor im Programmiersystem 21

22 Wie viel Antrieb braucht die Steuerung? Integrierte Systeme bilden nur eine Ergänzung zu den existierenden verteilten Systemen. Entscheidend ist das geschickte Zusammenfassen von Steuern und Regeln in modularen Maschinenbaukonzepten und die Festlegung sinnvoller Prozessgrenzen. Fordert ein Prozess schnelle Reaktionszeiten, bieten intelligente Regler heute die Möglichkeit der Verarbeitung von Sensorsignalen direkt im Regler. Kostenvorteile lassen sich nur dann erzielen, wenn zusätzliche Einsparungspotenziale, wie z.b. durch Montage und Service, umgesetzt werden. Einsparung durch Integration gehen schnell auf Kosten eines höheren Aufwandes für Kommunikation und Engineering. 22

23 Vielen Dank... ferrocontrol Steuerungssysteme GmbH & Co. KG Bodelschwinghstraße 20 D Herford FON +49 (0) FAX +49 (0) info@ferrocontrol.de 23