wie viel antrieb braucht die steuerung? (oder umgekehrt)

VDMA-Tagung 07.11.2005 - Integration von Antrieb und Steuerung 1

Wie viel Antrieb braucht die Steuerung?Wie viel Antrieb braucht die Steuerung?(oder umgekehrt)(oder umgekehrt)

Werner DWerner Düüpjohannpjohannferrocontrol Steuerungssysteme GmbH & Co. KGferrocontrol Steuerungssysteme GmbH & Co. KG

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Ein Wort zu ferrocontrol...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.


InhaltInhalt

• 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 61131


Wieso eine Integration von Steuerung und Wieso eine Integration von Steuerung und Antrieb?Antrieb?

• Die Situation heute:- Steuerungstechnik und Antriebsregler sind umfangreich am Markt

erhältlich.In beliebigen Leistungsklassen, für alle Anwendungen...

- Bewährte Schnittstellen stehen zur VerfügungCANopen, Profibus...

- Spezielle Feldbusse für Antriebsaufgaben sind etabliertSercos, Profibus MC, Ethernet based...

- Bibliotheken unterstützen die ProgrammierungIEC 61131, PLCopen

- Viele Tools erleichtern Parametrierung und InbetriebnahmeWindows Applikationen der Hersteller, CoDeSys, DARC Service


Wieso eine Integration von Steuerung und Wieso eine Integration von Steuerung und Antrieb?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.


Wieso eine Integration der Steuerung in den Wieso eine Integration der Steuerung in den Antriebsregler?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.)


Dann doch lieber den Regler in die Steuerung...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?


Der Wunsch des AnwendersDer 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 61131 „Firmware“, sondern Anwenderprogramme in

IEC 61131 mit geeigneten Motion Control Bibliotheken.- „Spezial“ – Applikationen werden vom Gerätehersteller als

Dienstleistung implementiert.


Aufbau einer SPS SteuerungAufbau einer SPS Steuerung

• Die Steuerung nach DIN 19226- 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.

Das EVA Prinzip


Aufbau einer AntriebsregelungAufbau einer Antriebsregelung

• Die Regelung nach DIN 19226- 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.


Vergleich von Antriebsregler und SteuerungVergleich von Antriebsregler und Steuerung

Steuerung AntriebsreglerReaktionszeit > 10 ms < 1 msProzessor µController / x86

Befehlssatz zur Bearbeitung größerer Programme

Signalprozessor (DSP)Einsatz in der Regelungstechnik fürzyklische schnelle Berechnungen

Programmierung SPS Programmierung nach IEC 61131, Motion Control Anwendungen nach PLCopen

DSP Programm (Firmware)nicht frei programmierbarParametrierung und Technologiefunktionen,DIN 66025 für die CNC Technik

Programmerstellung Anwender Gerätehersteller (Firmware)Anwender (CNC Programme)

Ein- Ausgangssignale

große Anzahl digitaler /analoger Signale, Verteilung über Feldbussysteme

Diverse Gebersysteme (SSI, Hyperface, Resolver), Schnelle Eingänge,PWM Ansteuerung der Antriebe (Leistungsteil)

Tools SPS ProgrammiertoolsIEC 61131 SprachenBreakpoints, On-Line Change, Tracing

Herstellerspezifische Parametrier- und Inbetriebnahme Softwaretools,auf Antriebe abgestimmt,Tracing - Oszilloskop Funktionen


Topologie eines dezentralen GesamtsystemsTopologie eines dezentralen Gesamtsystems

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

Reaktionszeit = 250 ms


Topologie eines integrierten SystemsTopologie eines integrierten Systems

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

Reaktionszeit = 25 msReaktionszeit = 25 ms


Topologie einer Lösung für kurze ReaktionszeitenTopologie einer Lösung für kurze Reaktionszeiten

Zusammenfassung der ProzesseFür den Prozess wichtige Ein- Ausgangssignale (I/O) werden von Regler (MC) direkt verarbeitet Bedienung (HMI) für den Prozess zeitlich unkritischStandard Feldbus zwischen PLC und MCApplikationsfunktion wird im MC realisiert

Reaktionszeit = 1 ms

Prozessgrenze


BeispielBeispiel PerformancePerformance „Fliegende Fräse“„Fliegende Fräse“

• Holzbearbeitungsmaschine für die Kantebearbeitung

- Multifunktionsaggregat MFA- Fräsen im Durchlauf- bis 30 m/min Vorschub- Freie Fräskonturen nach DIN 66025- Variante Werkstücklängen- CNC Steuerung im Antriebsregler

integriert- Kommunikation zur übergeordneten

PLC über CANopen


Funktionsbeschreibung des MFAFunktionsbeschreibung des MFA

1. Aggregat wartet in Grundstellung auf Werkstück2. Erreicht das Werkstück die Startposition, wird über ein Streckensignal der Start der Kontur ausgelöst.3. Das Aggregat synchronisiert dann auf die Vorschubgeschwindigkeit4. Die Interpolation wird gestartet und fährt die programmierte Kontur ab5. Am Ende der Bearbeitung folgt die Fahrt in Grundstellung6. Warten auf nächstes Werkstück

Quelle: IMA


Integration von CNC Steuerung im AntriebIntegration von CNC Steuerung im Antrieb

• HMI nur als Kontureditor für DIN 66025• 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


BeispielBeispiel KostenKosten Gehrungssäge 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


Integration von Antriebsreglern ins FeldbussystemIntegration von Antriebsreglern ins Feldbussystem

• PLC IEC 61131 Programmiersystem - PLCopen Bibliothek für Standard Motion Control Applikationen

• I/O Digitale I/O Signale von PLC und MC auswertbar- Zeitkritische Signale können direkt vom Regler verarbeitet werden

• MC Im Feldbussystem integriert- Drehzahl- und Lageregelung über Signalprozessor (DSP)

• HMI Embedded Lösung mit Windows CE .net- Bediensoftware im Windows „look and feel“


Integration des Antriebs in die SteuerungIntegration des Antriebs in die Steuerung

• MC Funktionalitäten sind komplett im IEC 61131 Laufzeitsystem integriert

• MC laufen als PLC Tasks

• Module des MC Systems sind als Library Functions in IEC 61131-3 Sprache realisiert

• Ansteuerung der Antriebsregler über Sercos, CAN oder analog

•Quelle: 3S – Smart Software Solutions

CoDeSys SoftMotion

Drive InterfaceDrive Interface

Drive ConfigurationDrive Configuration

CNC + Trafolibrary

CNC + Trafolibrary

Drive_Basic.libDrive_Basic.lib

CNC editorCNC editor CAM editorCAM editor

deve

lopm

ent

envi

ronm

ent

IEC

611

31-3

prog

ram

motion

designm

otion execution

machine

connection

CANCAN SERCOSSERCOSRTS

PLCopenMotion Control

single axis


single axis


multi axis


multi axis

+/-10V+/-10V clock/dir.clock/dir.


Programmierung von Soft Motion SystemenProgrammierung 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 66025 (G-

Codes)- CNC Editor im Programmiersystem


Wie viel Antrieb braucht die Steuerung ?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.


Vielen Dank...Vielen Dank...

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wie viel antrieb braucht die steuerung? (oder umgekehrt)

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