Frischer Wind für Mechatronik-Protokolle

Software – Ein neues Protokoll vereinfacht im Zusammenspiel mit intelligenten Antrieben und Mechatronik-Komponenten die Ansteuerung und reduziert die Buslast. Der Befehlssatz des vollständig busunabhängigen Protokolls lässt sich zukunftssicher an neue Anwendungen anpassen.

21. Mai 2008

Überall in der Industrie werden Motion-Protokolle zur Kommunikation zwischen Maschinensteuerungen und Antrieben oder mechatronischen Komponenten eingesetzt. Die meisten dieser Protokolle sind recht komplex, weil sie nicht für intelligente Antriebe gedacht sind, die sich mit komplexen Befehlen steuern lassen, sondern für offene Antriebe, die für jede einzelne Aktion detaillierte Anweisungen benötigen. Sie verursachen damit einen hohen Steuerungsaufwand, insbesondere dann, wenn Antrieb und Regelung voneinander getrennt sind oder sogar von verschiedenen Herstellern stammen.

Der Greiftechnikspezialist Schunk geht hier einen anderen Weg und liefert seine mechatronischen Komponenten Motor und Regler grundsätzlich als genau abgestimmte Einheiten aus. Das bietet den Vorteil, dass ein großer Teil der Steuerungsintelligenz bereits im Regler integriert werden kann und bei der Ansteuerung nicht aufwendig mit dem Steuerungsprotokoll programmiert werden muss.

Mit seinem Motion-Protokoll SMP (Schunk Motion Protocol) hat das Unternehmen ein Protokoll entwickelt, das zur Ansteuerung intelligenter Antriebe gedacht ist, wie sie zum Beispiel in mechatronischen Greifern oder in Robotergelenken der Baureihe PRL und PowerCube eingesetzt werden, erläutert Dipl.-Ing. Bruno Fellhauer, Leiter Entwicklung Elektrotechnik und Mechatronik bei Schunk, und verspricht: »Mit der Entwicklung des SMP haben wir zahlreiche Ziele realisiert, die dem Anwender die Arbeit deutlich erleichtern und die Ansteuerung mechatronischer Komponenten radikal vereinfachen.« Das Protokoll bietet eine hohe Benutzerfreundlichkeit und arbeitet mit sehr kurzen Befehlen. Dabei ist es völlig unabhängig vom jeweils eingesetzten Datenbus und kann sogar mit allen zukünftigen Bussen zusammenarbeiten. Schließlich reduziert das SMP die Buslast deutlich und kann Nutzdaten beliebiger Länge, beliebigen Typs und unterschiedlichen Umfangs transportieren, wie sie beim Schreiben eines EPROM-Files übertragen werden.

Extreme Vereinfachung

Durch die Verlagerung der Steuerungsintelligenz in die Regelelektronik der jeweiligen mechatronischen Komponenten muss sich der Anwender nicht mehr mit den komplexen Details der Ansteuerung befassen. Er erteilt nur noch einfache Befehle. Es genügt bei Motion Protocol, mit wenigen Bytes den Befehl »Referenzieren« zu geben und den Greifer damit zu veranlassen, seine Referenzposition einzunehmen. Der Anwender braucht sich mit den zahlreichen Details des Referenzierungsvorgangs nicht mehr zu befassen, also weder mit der Identifizierung der momentanen Position oder der Klärung des aktuellen Fehlerstatus und der Referenzierungsart, noch mit der Einstellung des korrekten Motorstroms und des Time-out bis zu einer Fehlermeldung. Anstatt mit diesen unerlässlichen, aber lästigen Details muss sich der Anwender nur um jene Funktionalitäten kümmern, die er für seine konkreten Aufgaben tatsächlich braucht. Das komplexe System aus Motor, Getriebe, Mechanik, Elektronik und Steuerung wird damit plötzlich sehr einfach und kann mit selbsterklärenden Befehlen in Klarsprache intuitiv bedient werden.

Diese Reduktion der Systemkomplexität entmündigt keinesfalls den Anwender, denn bei Bedarf können sämtliche Parameter verändert werden. Dazu gibt es von Schunk die Software ›McDemo‹ (Motion Control Demo), die auch ein Werkzeug zur Veränderung der in den mechatronischen Modulen integrierten EPROM-Files enthält und damit den Eingriff in die tiefen Details der Steuerungsabläufe ermöglicht. Es bleibt also die Wahl zwischen beiden Arten der Ansteuerung: Jeder kann den einfachen oder den detailreichen Weg gehen.

Buslast massiv reduziert

Da beim Schunk Motion Protocol für jedes Kommando im Normalfall nur acht Bytes übertragen werden, reduziert sich die Buslast massiv. Bei den bisherigen Protokollen wird der Befehl zur Bewegung um eine dichte Folge von Positionsabfragen ergänzt, wenn der Anwender zum Beispiel sehr schnell und mit hoher Genauigkeit wissen möchte, welche Position eine Schwenkeinheit gerade eingenommen hat. Oder wenn er, um Taktzeit zu sparen oder das Werkstück nicht zu beschädigen, sofort wissen muss, ob ein Greifer das Werkstück gegriffen hat. Vor allem bei taktzeitsensiblen Anwendungen ohne intelligente Antriebe führt das zu einer hohen Busbelastung, die zum Beispiel einen CAN-Bus bis an seine Kapazitätsgrenze auslasten kann.

Integrierte Intelligenz nutzen

Das Schunk-Protokoll nutzt dagegen die in den Modulen integrierte Intelligenz. Erteilt die Steuerung den Befehl zu einer Bewegung, meldet das Modul mit wenigen Bytes selbstständig zurück, dass es den Befehl erkannt hat und ihn ausführen wird. Sobald das Modul die gewünschte Position eingenommen hat, meldet es den Vollzug des Befehls, ohne dass dazu weitere Abfragen erforderlich wären. Diese und andere Informationen müssen also nicht über ein häufig wiederholtes Polling erfragt werden, weil die intelligenten Module alle benötigten Informationen automatisch senden. Die Steuerung braucht nur auf diese Meldungen zu warten, und der Bus ist in dieser Zeit komplett entlastet. Hinzu kommt, dass die Befehle im SMP schon im Normalfall mit acht Bytes sehr kurz sind und durch Parametrieren und Mapping bei Bedarf sogar bis auf zwei Bytes reduziert werden können. Diese Faktoren führen zu einer erheblich verringerten Buslast. Wie deutlich diese Verringerung ausfällt, ist dabei stark von der jeweiligen Applikation abhängig. Eine Reduzierung um den Faktor 10 ist ohne weiteres erreichbar, in Einzelfällen ist sie sogar noch deutlich höher. Das bedeutet in der Umkehrung, dass an einem Bus wesentlich mehr Module betrieben werden können. So können zum Beispiel an einem CAN-Bus höchstens 10 bis 15 komplexe, häufig sendende Module betrieben werden. Mit dem SMP lassen sich dagegen an einen CAN-Bus bis zu mehrere hundert intelligente Module anbinden, denn in Sachen Buslast verhalten sie sich wie einfache Module, die selten senden

Da eine hohe Auslastung des Busses beim CAN-Bus zu Verzögerungen führt, kann zumindest bei diesem Bus eine Reduzierung der Buslast zu einer Beschleunigung der Anlage führen. Selbst der Profibus kann von den deutlich kürzeren Befehlen profitieren.

Der Befehlssatz des SMP kann verändert werden und lässt sich an die spezifischen Besonderheiten der verwendeten Module anpassen. Das ist deswegen von Bedeutung, weil zum einen die kurzen Befehle des SMP bedeuten, dass ihre Zahl begrenzt ist. Zum anderen kennt nicht jedes Modul alle Befehle, denn eine Schwenkeinheit kann naturgemäß mit dem Befehl »Greifen« nichts anfangen und würde daraufhin eine Fehlermeldung ausgeben. Die Variabilität des Befehlssatzes macht das SMP offen für neue Anwendungen und zukünftige Module. Wie vielseitig es dadurch ist, lässt sich zum Beispiel daran ablesen, dass Schunk mit seiner Hilfe nicht mehr nur mechatronische Module, sondern auch das Bildverarbeitungssystem Vision Sensor ansteuert.

Offen für alle Bussysteme

Da SMP mit sehr kurzen Befehlen arbeitet, kann es von RS232 über CAN-Bus, Devicenet und Profibus bis hin zu Bluetooth mit beliebigen Bussystemen zusammenarbeiten, vermutlich auch mit solchen, die heute noch nicht existieren. Da alle Bussysteme dem gleichen Protokoll folgen, brauchen bei einem Wechsel des Busses die Applikationen nicht umgeschrieben zu werden. Das macht es unter anderem auch möglich, SMP als Mehrbenutzersystem einzusetzen, bei dem zum Beispiel Service, Konfiguration und Bedienung über jeweils unterschiedliche Schnittstellen erfolgen. Die integrierte Benutzerverwaltung schließt dabei die Gefahr aus, dass sich die Schnittstellen gegenseitig stören, gleiche Befehle von unterschiedlichen Schnittstellen kommen oder verschiedene Schnittstellen sich einander widersprechende Befehle senden.

»Schunk ist es mit dem SMP gelungen, ein außerordentlich komfortables und zukunftssicheres Protokoll zu entwickeln«, fasst Bruno Fellhauer zusammen. »Das SMP bringt alle Voraussetzungen mit, um zu einem neuen Standard für die Ansteuerung mechatronischer Komponenten zu werden, und es wird mittlerweile auch schon von einem anderen Hersteller mechatronischer Produkte eingesetzt.«

Roko Tschakarow, Schunk

Erschienen in Ausgabe: 03/2008