Vielfältige Feldbussysteme fordern flexible Steuerungslösung
Heterogene Netzwerke einfach vereinen
Speicherprogrammierbare Steuerungen sorgen in vielen Automatisierungsanwendungen für ein reibungsloses Zusammenspiel einzelner Komponenten. Aber nicht immer ist die klassische SPS die richtige Lösung. Manche Bereiche des Maschinenbaus, sei es z.B. die Medizintechnik, Labortechnik oder Textilindustrie, setzen bevorzugt auf PC-basierte Steuerungslösungen. Individuelle Anwendungen in diesem Bereich fordern oft hohe Flexibilität. Manche davon ließen sich vielleicht mit einer klassischen SPS realisieren. Allerdings fehlt bei den Entwicklern dazu oft das entsprechende Know-how, da sie seit Jahren auf PC-basierte Lösungen und C-Programmierung setzen. Zudem ist in diesen Fällen oft CANopen das Kommunikationsprotokoll der Wahl. Allerdings kommt CANopen in vielen Bereichen heute an seine Grenzen, denn es kann in manchen Anwendungsfällen nicht mehr die geforderten Geschwindigkeiten liefern. Ist also das Ende von CANopen im Sondermaschinenbau absehbar?
Bild: Ixxat Automation GmbHGeschwindigkeit ist zwar eine wesentliche Forderung im Sondermaschinenbau, aber nur eine von vielen. Weitere sind u.
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Bilder: Ixxat Automation GmbHHeterogene Netzwerke oder Vollumstieg?
Schon heute nutzen Maschinen und Anlagen verschiedene Kommunikationsprotokolle gleichzeitig, gerade seit sich Ethernetlösungen im industriellen Bereich mehr und mehr durchsetzen. Um verschiedene Netzwerke miteinander zu verbinden, werden Gateways eingesetzt. Allerdings erhöht sich dadurch der Konfigurationsaufwand. Zudem leidet oft die Systemperformance und auch die Möglichkeiten zum Testen werden erschwert. Trotzdem bringen heterogene Netzwerke Vorteile. Zeitkritische Komponenten wie Antriebe können über ein schnelles Kommunikationsprotokoll angesprochen werden, wie z.B. Ethercat. Sensorik dagegen reagiert im Vergleich zur Antriebstechnik eher träge und ist mit einem langsameren Kommunikationsprotokoll wie bspw. CANopen bestens versorgt. Der Einsatz von CANopen ist daher sinnvoll, weil hier die Kosten für die verwendeten Komponenten vom Stecker und Kabel bis hin zum Controller niedriger liegen. Während der Vollumstieg auf eine Ethernetlösung mit viel Aufwand und Kosten verbunden wäre und zugleich dem viel zitierten Schießen auf Spatzen mit Kanonen entspräche, vereinen heterogene Lösungen zwei Vorteile: Höchstgeschwindigkeit da, wo es darauf ankommt, und Kosten sparen, wo Geschwindigkeit keine wesentliche Rolle spielt. Bleibt nur noch die Forderung nach einer einfachen Entwicklung von Netzwerklösungen. Klassische SPS-Konzepte können hier in der Regel nicht weiter helfen. Die flexible Plattform für kundenspezifische Steuerungslösungen wurde genau für solche Fälle entwickelt, wo verschiedene Netzwerke kombiniert werden sollen und lässt sich für verschiedene Zwecke vom 'einfachen' Gateway bis zur kompletten Steuerungslösung nutzen. So kann die Steuerung einerseits als Subsystem eingesetzt werden und die Synchronisation mit einer übergeordneten Steuerung übernehmen oder auch selbst als übergeordnete Steuerung fungieren (Bild 2 a-c).
Bilder: Ixxat Automation GmbH
Bilder: Ixxat Automation GmbHVorteile heterogener Netzwerke einfach nutzen
Die Netzwerkexperten haben in den vergangenen Jahren für viele Anwendungen individuelle Steuerungslösungen entwickelt, mit denen sich die Vorteile verschiedener Kommunikationsprotokolle zuverlässig nutzen lassen. Aus diesen vielfältigen Praxiserfahrungen entstand nun ein Standardprodukt, das sich einfach an individuelle Anforderungen anpassen lässt. Die leistungsfähige Ethercat-Master-Lösung zur Hutschienenmontage ist hochflexibel dank ihrer Kombination aus Schnittstellen, FPGA, Software und Services. Das System nutzt für die Ethercat-Master-Funktionalität die Protokollsoftware der Firma acontis für Ethercat-Master Class B. Ein speziell angepasster Link-Layer ermöglicht Zykluszeiten von unter 1ms. In der Basis-Version bietet das Gerät vier Ethernet- und zwei CAN-Schnittstellen sowie zwei USB-Ports und setzt als CPU auf ein Dual-Core Cortex A9. Ethernet und CAN lassen sich also ohne großen Aufwand nebeneinander verwenden. Der interne RAM-Speicher umfasst in der Basis-Version 256MB und kann auf bis zu 1GB erweitert werden. Als Flash-Speicher für die Programme und das Betriebssystem dient eine SD-Karte. Die gewählten Master-Implementierungen sowie die im Lieferumfang enthaltenen Schnittstellentreiber und das vorinstallierte Linux-Betriebssystem ermöglichen eine zügige Umsetzung von kundenspezifischen Anwendungen für CAN-open, Ethercat und Powerlink sowie die schnelle Übernahme von bestehenden Anwendungen auf die Steuerungslösung.
Bild: Ixxat Automation GmbHFlexibel anpassbar
Wichtig war den Netzwerkexperten, dass man die Steuerungslösung an die Anforderungen vielfältiger Einsatzgebiete anpassen kann. Deshalb lassen sich z.B. kundenspezifische Schnittstellen- oder Funktionserweiterungen (z.B. digitale und analoge E/As, DVI-Ausgang) bequem über Erweiterungsslots sowie über einen auf der Hardware vorhandenen FPGA realisieren (Bild 3). Der Linux-PC wurde für Automatisierungsanwendungen ausgelegt. Durch den Verzicht auf nicht benötigte Funktionalitäten bietet das kompakte Gerät die Leistung eines High-End-PCs. Trotz lüfterlosem Design ist die Ixxat Econ 100 zudem in einem Temperaturbereich von -40 bis 70°C nutzbar. Auch die verschiedenen Schnittstellen helfen bei der Anpassung an verschiedene Anwendungen. Für die schnelle und einfache Realisierung kundenspezifischer Software-Lösungen (z.B. Gateways) steht ein Board-Support-Package mit Linux- Betriebssystem zur Verfügung. Ein Application Development Kit liefert für den Einstieg in die Softwareentwicklung standardisierte Software-Beispiele in kompilierter Form ebenso wie im Source-Code.
Vielfältige Einsatzbereiche
Die typischen Einsatzbereiche der Steuerungslösung finden sich weniger in der klassischen Fabrikautomation als vielmehr im Sondermaschinenbau (Bild 4). Pick-and-Place-Maschinen in der Elektronikfertigung, Roboter, Druck- und Verpackungsmaschinen oder Schweißmaschinen sind einige Beispiele. Aber auch der Einsatz in Windkraftanlagen ist denkbar. Einen weiteren typischen Einsatzfall bietet die Laborautomation. Allen Bereichen gemein ist die Forderung nach hoher Zuverlässigkeit, denn oft ist die Steuerung in diesen Anwendungen im Dauereinsatz und muss auch bei Problemen mit der Stromversorgung zuverlässig weiter arbeiten. Gleichzeitig arbeitet sie auch bei anspruchsvollen EMV-Umgebungen zuverlässig. Fazit: Einfache und schnelle Umsetzung bei Neuentwicklungen ist im Sondermaschinenbau eine wichtige Forderung. Gleichzeitig ist High-Speed bei möglichst geringen Kosten gefragt. Heterogene Netzwerkstrukturen können hier ihre Vorteile ausspielen.
Speicherprogrammierbare Steuerungen sorgen in vielen Automatisierungsanwendungen für ein reibungsloses Zusammenspiel einzelner Komponenten. Aber nicht immer ist die klassische SPS die richtige Lösung. Manche Bereiche des Maschinenbaus, sei es z.B. die Medizintechnik, Labortechnik oder Textilindustrie, setzen bevorzugt auf PC-basierte Steuerungslösungen. Individuelle Anwendungen in diesem Bereich fordern oft hohe Flexibilität. Manche davon ließen sich vielleicht mit einer klassischen SPS realisieren. Allerdings fehlt bei den Entwicklern dazu oft das entsprechende Know-how, da sie seit Jahren auf PC-basierte Lösungen und C-Programmierung setzen. Zudem ist in diesen Fällen oft CANopen das Kommunikationsprotokoll der Wahl. Allerdings kommt CANopen in vielen Bereichen heute an seine Grenzen, denn es kann in manchen Anwendungsfällen nicht mehr die geforderten Geschwindigkeiten liefern. Ist also das Ende von CANopen im Sondermaschinenbau absehbar?
Bild: Ixxat Automation GmbHGeschwindigkeit ist zwar eine wesentliche Forderung im Sondermaschinenbau, aber nur eine von vielen. Weitere sind u.Bild: Ixxat Automation GmbH
HMS Industrial Networks GmbH
Dieser Artikel erschien in Embedded Design III 2014 - 02.06.14.Für weitere Artikel besuchen Sie www.embedded-design.net
