28. SEPTEMBER 2016

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Konfigurieren statt programmieren


SOFTWARE - In der Automatisierungstechnik sind mechatronische Systeme auf dem Vormarsch. Das bedingt neue Steuerungskonzepte und vor allem Softwarelösungen.

Flexible Automationslösungen - weitestgehend mit Robotersystemen als Basis der Handhabungs-Applikationen realisiert - werden immer mehr auch in anderen Branchen wie etwa Life Science, Verpackungsindustrie und Meßtechnik eingesetzt. Hier werden die Robotersysteme nicht als Kern der Anwendung betrachtet, sondern sie sind vielmehr eine Teilkomponente, die idealerweise »Plug and Run«- Qualitäten aufweist. Die eingesetzte Steuerung muß also ein Maximum an Flexibilität für unterschiedliche Handlingsysteme, Kinematiken und SPS-Komponenten mitbringen. Andererseits soll die Integration möglichst automatisch ablaufen, das heißt einfachste Konfiguration und Einbettung in vorhandene Strukturen.

Kostenfaktor Software
Der Softwareaufwand für die Realisierung von Automationsprojekten beträgt mittlerweile 50 bis 70 Prozent der gesamten Entwicklungskosten für Personal, davon sind normalerweise über 70 Prozent für die Inbetriebnahme und Fehlerbehandlung einzukalkulieren. Insbesondere bei Sondermaschinen oder Automationsprojekten, in welche Handlingsysteme als intelligente Zuführeinheiten oder ähnlich integriert werden müssen, steigt der Prozentsatz nochmals, da der Integrator mit den unterschiedlichen »externen« Steuerungssystemen nicht im Detail vertraut ist. Die dadurch entstehenden unproduktiven und zeitfressenden Anpassungs- und Inbetriebnahmearbeiten können durch offene, durchgängige und wirklich kompatible Steuerungstechnik drastisch reduziert werden. Diese sollte bereits möglichst alle Konfigurationsvarianten abdecken und branchentypische Funktionspakete beinhalten, die bei Bedarf dazugeladen werden können. Dieses Thema wird unter den Stichworten Controller-basierte Steuerung, PC-Steuerung, IEC 61131-3 und PAC (Programmable Automation Controller) kontrovers diskutiert. Im Moment existiert allerdings noch keine wirklich herstellerunabhängige Lösung für den mittelständischen Maschinenbauer und Systemintegrator. Aufgrund der Softwareanforderungen, die in einer Automationslösung nahezu immer eine PC-Architektur voraussetzen, wird die PC-basierte Variante klar dominierend sein. Der Ansatz von PAC ist im Grunde nichts anderes als eine Controller/PC-basierte Embedded- Steuerung. Weitere wesentliche Merkmale sind Standard-Schnittstellen, eine »Single Database« für Prozeß-Variablen und eine einheitliche Entwicklungsplattform. Die Architektur soll modular und off en sein.

Wunsch nach einheitlicher Steuerungstechnik
Einen pragmatischen Ansatz bietet Manz Automation, Reutlingen, mit seinem Aico.Control-Konzept, das bereits heute durch die verfügbare Konfigurationsmöglichkeit eine Zeitersparnis von bis zu 30 Prozent bietet; je nach Komplexität des Projektes. Eine aktuelle Marktanalyse bezüglich Fertigungseinrichtungen wie Handhabungsmodule, Prozeßeinheiten, Sondermaschinen und so weiter hat gezeigt, daß der Wunsch nach durchgängiger Steuerungstechnologie sehr ausgeprägt ist. Allerdings sind die Maschinenbauer oft Zwängen unterworfen, die eine optimale Systemlösung nicht zulassen. Häufig diktiert der Endkunde, welche Komponenten verwendet werden müssen oder es gibt historisch gewachsene Strukturen, die nur schwer zu durchbrechen sind. Also ist es um so wichtiger, neben der umfassenden Funktionalität auch möglichst alle offenen und standardisierten Schnittstellen zu bedienen. Dies gibt dem Integrator die Möglichkeit, sich schrittweise der Ideallösung anzunähern und trotzdem die Kundenvorgaben zu berücksichtigen. Das zentrale Kernelement einer Automatisierungslösung, nämlich die Steuerung selbst, sollte respektive muß als konstante Größe erhalten bleiben. Dagegen sind Antriebs-, E/A- und andere Peripheriekomponenten austauschbar, sofern sie mit standardisierten Schnittstellen versorgt sind. Als Standard- Schnittstellen gelten heute alle gängigen Feldbus-Protokolle, OCP sowie serielle Schnittstellen und Ethernet mit TCP/IP-Protokoll. Man darf davon ausgehen, daß hier in den nächsten zwei Jahren zusätzliche Schnittstellen in Form von RT-Ethernet-basierten Varianten hinzukommen. Allerdings findet parallel bereits eine Bereinigung statt, so daß sich zwei bis drei Feldbusvarianten und ebenso maximal drei Industrial- Ethernetprotokolle durchsetzen werden. Die RT-Ethernet-Kommunikation (Profinet, Ethercat und so weiter) bietet zwei entscheidende Vorteile hinsichtlich der Durchgängigkeit: hohe Performance und die Abdeckung sowohl der Motion Control- als auch der E/A-Kommunikation. Damit ist man dem Ziel »einheitliches Bussystem auf Feldebene« ein wesentliches Stück näher gekommen. Die gegenwärtige Entwicklung unterstützt zudem die Vereinfachung und Transparenz der Systemarchitektur.

Höchstmaß an Flexibilität gefragt
Mit der laufend steigenden Komplexität der Automationsprojekte muß die Steuerung mitwachsen können. Zusätzliche Funktionen und höhere Durchsätze sind gefragt. Um Marktanteile zu gewinnen, müssen unterschiedliche Märkte bedient werden. Dadurch erhöht sich die Bandbreite der Aufgaben, denen sich der Maschinenbauer stellen muß, nochmals deutlich. Um dieser Herausforderung gewachsen zu sein, kommt den Themen Softwareentwicklung und Inbetriebnahme eine wesentliche Bedeutung zu. Insbesondere der Bereich Robotik und Motion Control steigt drastisch an, da hier der Ersatz mechanischer Komponenten durch Elektronik und Software die Hardware- und
die Entwicklungs-/Inbetriebnahmekosten entscheidend senkt, sofern das Steuerungskonzept folgende Voraussetzungen erfüllt:
¦ umfassende Funktionalität auf allen Ebenen,
¦ vollständige vertikale Integration (vom ERP bis zum Motor),
¦ Modularität gemäß Applikationsanforderungen (CPU-Leistung, Schnittstellen,...),
¦ eine Plattform für Motion Control, Robotik, SPS, Prozeß, Bildverarbeitung und so weiter,
¦ Unterstützung der gängigen Kinematiken,
¦ Ansteuerung aller Servomotorvarianten und Direktantriebe,
¦ Unterstützung der gängigen Feedbacksysteme,
¦ schneller Interpolationstakt und geringer Jitter,
¦ durchgängiges Entwicklungs- und Diagnosewerkzeug,
¦ anwenderfreundliches Applikationsframework,
¦ Softwarebibliotheken für Robotik, Motion Control, Vision, Verpackung,...
¦ einfaches Konfigurationstool (für alle wiederkehrenden Applikationskomponenten wie Schnittstellen, HMI, SPS (Feldbus), Motion,...
¦ integrierte Simulationssoftware,
¦ langfristige Verfügbarkeit der Komponenten. (Hier gilt: Je höher der Softwareanteil desto geringer das Risiko.)

Aico.Control als pragmatische Lösung
Das von Manz entwickelte PC-basierte Steuerungskonzept Aico.Control erfüllt nach Herstelleraussagen die aufgeführten Voraussetzungen weitestgehend. Da bestimmte Voraussetzungen an die Verfügbarkeit der Produkte beziehungsweise an die Spezifikationen der Organisationen (PLC Open, Iaona, CiA,...) geknüpft sind, ist eine pragmatische Vorgehensweise notwendig. Mit der dazugehörigen Soft- und Hardware kann heute bereits eine sehr große Bandbreite an Projektanforderungen abgedeckt werden. Ein wesentlicher Schwerpunkt sind das generische Schnittstellen-Konzept sowie das ebenfalls von Manz entwickelte Konfigurationstool Aico.Assist. Dies ermöglicht es dem Programmierer oder Inbetriebnehmer, ohne tiefere Systemkenntnisse innerhalb kürzester Zeit selbst komplexe Multiachsapplikationen so zu
konfigurieren, daß die Gesamtapplikation einschaltbereit ist - vorausgesetzt, es liegen keine Hardwarefehler (Verdrahtung, Konfiguration der Antriebe und E/A-Module) vor. Jetzt kann der Applikationsingenieur bereits das fertige Programm, welches zuvor in der Simulation getestet wurde, im realen System debuggen und weiterentwickeln. Da Manz als Sondermaschinenbauer sehr viel Erfahrung mit unterschiedlichsten (meist Roboter- basierten) Handhabungs- und Prozeßaufgaben hat, wurden in das Applikationsframework bereits sehr flexibel anwendbare Fehlerbehandlungsroutinen integriert. Dadurch kann sich der Software-Entwickler auf den eigentlichen Programmablauf konzentrieren und muß sich nicht mit der Basisfehlerbehandlung beschäftigen. Das Framework ist so aufgebaut, daß abhängig von der ausgewählten Konfiguration entsprechende Bibliotheken dazugeladen werden, zum Beispiel Roboter- Teachen, Referenzieren von Achsen, Sensor-kontrollierte Bewegung, I/O-Mapping, HMI-Kommunikation und so weiter. Alle Softwaremodule haben dokumentierte Schnittstellen, so daß der Anwender das Framework bei Bedarf für seine Bedürfnisse erweitern oder anpassen kann. Abhängig von der Applikation kann entweder die Funktionalität oder der Kostenfaktor für die Komponenten in den Vordergrund gestellt werden. Diesem Vorwird Rechnung getragen, indem Aico. Control ausschließlich Software-basiert ist und somit an die Anforderungen angepaßt werden kann. Manz bietet bereits unterschiedliche »Plug & Run«-Lösungen an, die vom Embedded Hutschienen- PC bis zum Pentium 4 Highend IPC reichen.

Einheitliche Plattform senkt die Kosten
Die größte Kostenersparnis bei der Applikationsentwicklung ist dann zu erreichen, wenn modulare, mitwachsende PC-basierte Technik eingesetzt wird, die standardisierte Schnittstellen enthält, um in gegebene Strukturen eingebettet werden zu können. Andererseits ist es essentiell, eine durchgängige Plattform beizubehalten und unter dem Gesichtspunkt der vertikalen Integration ohne Kompatibilitätsrisiken sich auf ein Gesamtkonzept zu verlassen.

Eduard Ams, Manz Automation

Sonderausgabe:
DIGEST 2005
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