Zentral oder dezentral – das ist weniger eine Frage der Philosophie denn eine Frage der Aufgabenstellung und der zu erfüllenden Randbedingungen. Da die Bewegungssteuerung in vielen Anwendungen maßgeblich die Funktionalität und Leistungsfähigkeit einer Maschine bestimmt und regelmäßig die meiste Rechenleistung konsumiert, ist es sinnvoll, die zu bewältigenden Antriebsaufgaben in den Mittelpunkt der Betrachtungen zu stellen.

Drive-based Automation

Wenn eine Maschine modular aufgebaut ist bzw. nur einfache Antriebsaufgaben erledigt werden müssen, bietet sich gewöhnlich ei- ne Drive-based Automation-Lösung an. Als „einfache" Antriebsaufgaben verstehen sich hier Funktionen wie Wickeln, Fördern, Po- sitionieren, elektronische Kurvenscheiben, „ Fliegende Säge", aber auch die synchronisierte Bewegung einiger Achsen mit Zykluszeiten im Millisekundenbereich. Durch die direkte Bewegungsführung im Regler können problemlos eng gekoppelte Regelkreise realisiert werden. Eine einfache Feldbusverbindung genügt, um mehrere Antriebe präzise zu synchronisieren.

Moderne und leistungsfähige Antriebe wie die Servo Drives 9400 von Lenze verfügen über ausreichende Ressourcen, um neben diesen Aufgaben auch die Logiksteuerung der Komplettmaschine bzw. des Moduls zu übernehmen. Die separate Steuerung entfällt und es reichen einfache Feldbusse für die Vernetzung der Antriebe aus. Verfügt der Servo-Antrieb über Features, wie integrierte I/Os sowie optionale Sicherheitsfunktionen und zusätzliche Schnittstellen (zur Anbindung an eine übergeordnete SPS oder an ein Visualisierungsgerät), lassen sich mit ihm einfachere Maschinenmodule bzw. Maschinen komplett dezentral automatisieren und so besonders kompakte und kostengünstige Automatisierungslösungen aufbauen.

In einer getakteten Fertigungslinie, die solche autarken Maschinenmodule nutzt, kann die übergeordnete Steuerung deutlich entlastet werden und daher „kleiner" sein. Gleichzeitig reduziert sich der Datenverkehr auf der Busverbindung zu der dezentralen Steuerung merklich. Zudem muss der Bus nicht unbedingt „harte" Echtzeit bieten. Als Anfang der 90er Jahre intelligente Antriebe erschwinglich wurden, es aber noch keine Motion-Busse auf Ethernet-Basis gab, war dies in vielen Anwendungen ein ausschlaggebendes Argument für eine Drive-based Automation.

Controller-based Automation

Das dezentrale Steuerungskonzept stößt aber technisch und/oder wirtschaftlich an seine Grenzen, wenn eine oder mehrere der folgenden Kriterien zutreffen:

· mehr als vier (synchrone) Achsen,

· komplexe (koordinierte) Bewegungen (z.B. CNC- oder Roboterfunktionen),

· umfangreiche Logiksteuerungsaufgaben,

· viele I/Os,

· anspruchsvolle Visualisierung.

Komplexe, synchronisierte bzw. koordinierte Bewegungen erfordern wegen des anfallenden exorbitant hohen Rechenaufwands bzw. wegen der nötigen zentralen Datenhaltung eine leistungsfähige zentrale Motion-Steuerung. Traditionell wurde hierfür dedizierte, proprietäre Hardware verwendet, die mit den damit verbundenen Nachteilen behaftet war: ein hoher Preis, spezielle Tools und die fehlende Offenheit. Seit moderne und indus-trietaugliche PC-basierte Controller, wie der Controller 3200 C von Lenze, verfügbar sind, gibt es Alternativen, die nicht nur technisch und preislich attraktiv sind, sondern auch konsequent auf für den Industrieeinsatz ertüchtigte Standards, wie Ethernet, Windows und SD-Karten, setzen.

Diese Hardwareplattformen bieten eine so hohe Rechenleistung, dass sie komplexe Bewegungen zentral berechnen und zusätzlich die SPS-Funktionalität mit abdecken können. In vielen Fällen reichen die Ressourcen sogar noch für die Visualisierungsanwendung aus. Hier bietet es sich an, auf einen Panel-Controller wie den p500 von Lenze als kombiniertes Motion-, SPS- und Visualisierungsgerät zu setzen. Die Kosten für die zentrale Steuerung relativieren sich auf diese Weise. Die zentrale Bewegungsführung hat zudem den Vorteil, dass statt der intelligenten Servo-Antriebe vergleichsweise günstigere Geräte wie der Servo-Inverter i700 verwendet werden können – bei vielen Achsen ein wichtiger Vorteil einer zentralen Architektur, der mit jeder weiteren Achse an Bedeutung gewinnt.

Die Wahl einer Controller-based Automation liegt auch nahe, wenn z.B. für die Visualisierung bereits eine leistungsfähige Plattform eingeplant wird. Diese kann, wie oben erwähnt, in vielen Anwendungen die Motion- und SPS-Aufgaben mit erledigen. Eine zentrale Steuerungsarchitektur sollte auch dann in Betracht gezogen werden, wenn die Maschine zahlreiche I/Os benötigt und die vom Servo bereitgestellten I/Os nicht ausreichen. Da in diesem Fall ohnehin eine I/O-Station im Schaltschrank montiert werden muss, ist es aus Kostengründen ratsam, ein System zu wählen, das CPU-Module einschließt, die als zentrale Steuerung genutzt werden können. Ein gutes Beispiel für eine solche Lösung sind das I/O-System 1000 und der Controller 3200 C von Lenze.

Ein kritischer Punkt bei der zentralen Architektur war über Jahre die Busverbindung zwischen zentraler Motion-Steuerung und den Antrieben. Bei vielen (synchronisierten) Achsen waren die Bandbreite und die Zykluszeit klassischer Feldbusse schlicht nicht ausreichend für umfangreichere Installationen, schnelle Regelungen und eine enge Achskopplung. Mit der Verfügbarkeit von High-Speed-Echtzeitbussen wie Ethercat ist dieses Nadelöhr beseitigt. Bei den speziell für Mo- tion-Anwendungen konzipierten Lenze-Gerätefamilien Panel-Controller p500 und Controller 3200 C gehört daher eine Ethercat-Schnittstelle zur Grundausstattung.

Die Randbedingungen berücksichtigen

Neben den vergleichsweise schnell einschätzbaren Faktoren, wie Komponentenkosten, erreichbare Zykluszeit und Bandbreite sollte bei der Entscheidung für oder gegen eine Drive-based bzw. Controller-based Automa-tion auch berücksichtigt werden, welche Folgen die Wahl für Engineering, Inbetriebnahme und Instandhaltung sowie Modernisierung/Erweiterung der geplanten Maschine bzw. Anlage hat.

Ein Vorteil der zentralen Architektur liegt darin, dass die gesamte Software in einem Gerät gebündelt und damit zentral gewartet und verwaltet wird. Die Verknüpfung der Domänen Motion, SPS und Visualisierung ist wesentlich einfacher und erfordert weniger Engineering-Aufwand. Die bei einer dezentral automatisierten Maschine mit weit gehend autarken Modulen aufwändige Partitionierung der Software entfällt. Die Software ist dadurch übersichtlicher, verständlicher, aber auch umfangreicher. Jede Erweiterung der Maschine bzw. des Funktionsum-fangs bringt es darüber hinaus unweigerlich mit sich, dass auch die zentrale Software „angefasst" werden muss. Anders bei der dezentralen Variante: Es muss nur die Software des Moduls modifiziert werden, das verändert wird. Zudem können die autarken Maschinenmodule separat in Betrieb genommen und getestet werden.

Bei einer zentralen Architektur ist es dagegen möglich – wenn, wie bei Lenze, alle Komponenten aufeinander abgestimmt sind –, die Parameter und Daten der Feldgeräte in einer zentralen Datenbank abzulegen und von dort, z.B. im Rahmen der Inbetriebnahme oder nach einem Gerätetausch eines Antriebsreglers oder I/O-Moduls, (automatisch) aufzuspielen. Da die angeschlossenen Feldgeräte für die Steuerung „transparent" sind, ist auch die Realisierung einer Fernwartungsfunktion mit geringem Zusatzaufwand möglich. Unter dem Strich bedeutet dies eine erhöhte Service- und Wartungsfreundlichkeit sowie Maschinenverfügbarkeit.

Beispiel für ein kombiniertes Konzept

In Abwägung der geschilderten Vor- und Nachteile werden die beiden Architekturen in der Praxis in immer mehr Maschinen erfolgreich miteinander verbunden. Gut verdeutlichen lässt sich dies mit dem durchgängig mit Lenze-Automatisierungstechnik aufgebauten Show Case „Easy Machine", der auf der SPS IPC Drives 2011 zu sehen war. Die Easy Machine besteht im Wesentlichen aus zwei Modulen: Ein dezentral automatisiertes Modul (Drive-based Automation) fördert ein Band, das in der Praxis Verpackungsfolie sein könnte, zur zweiten Einheit, die den Verpackungsprozess repräsentiert. Diese Einheit arbeitet mit einer zentralen Steuerung (Controller-based Automation). Dort durchläuft eine Kugel, stellvertretend für das zu verpackende Produkt, diverse „ Verpackungsschritte" („Jonglator"). Abschließend legt ein Portal die Kugel in ein Magazin ab, das wiederum weitere Bearbeitungsschritte repräsentiert.

In der Drive-based Materialzuführeinheit übernehmen Servo-Antriebe vom Typ Servo Drives 9400 die Bewegungsführung. Die Koordinierung der Betriebsarten übernimmt ein Bedienpanel EL 2800, das dazu mit einer Soft-SPS PLC V2.3 ausgestattet wurde. Auf dem Gerät läuft auch eine mit VisiWinNet Smart erstellte Visualisierungsanwendung, die auf Daten der PLC zugreift. Über CAN sind eine I/O-Station sowie fünf Servo Drives 9400 angeschlossen, wovon einer als drehzahlgesteuerter Antrieb eine Wicklerfunktion simuliert (im Show Case wird aus praktischen Gründen mit einem Endlosband gearbeitet). Die vier verbleibenden Antriebe sind als Positionsantriebe eingerichtet. In die Antriebe integrierte Sicherheitstechnik überwacht eine Lichtschranke. Wird diese unterbrochen, reduzieren die Antriebe die Bahn- und Positioniergeschwindigkeit auf ein sicheres Niveau (SLS). Zusätzlich wertet die integrierte Sicherheitstechnik die Not-Halt-Schalter der Maschine aus und schaltet die Motoren im Notfall sicher ab (STO).

Für die zentrale Bewegungsführung der „Verpackungseinheit" wurde der für Bewegungsanwendungen prädestinierte Controller 3231 C mit direkt angereihten I/O-Modulen in Verbindung mit einer Soft-Motion/PLC ausgewählt. Ein 12-Zoll-Monitor-Panel MP 2000 ist als HMI für den Verpackungsteil der Easy Machine via DVI mit dem Controller verbunden. Die mit VisiWinNet Smart erstellte Visualisierungsanwendung wird ebenfalls vom Controller ausgeführt. Über die integrierte Ethercat-Schnittstelle des Controller 3231 C sind vier Doppelachsumrichter aus der Gerätefamilie Servo-Inverter i700 angeschlossen.

Um das damit abdeckbare große Anwendungsspektrum zu demonstrieren, haben die Lenze-Ingenieure mit einem Antrieb eine „ Fliegende Säge" realisiert, die auf ein von einem weiteren i700 angesteuertes Förderband aufsynchronisiert ist und Funktionen der PLCopen Part 2 zeigt. Der von zwei über Kurvenscheiben koordinierten Achsen angetriebene Jonglator übergibt die Kugel dem Portal. Das Portal wird von zwei ebenfalls über Kurvenscheiben koordinierten Antrieben angesteuert und füllt bzw. leert das Magazin. Die dabei verwendeten Pick&Place-Bewegungen wurden mithilfe von CNC-Funktionen erstellt.

Die Easy Machine zeigt zwei Möglichkeiten zur Koordinierung von Zuführeinheit und Verpackungseinheit: Zum einen tauschen die beiden Steuerungen Netzwerkvariablen sowie Bedien- und Beobachtungsdaten über eine Ethernetverbindung aus. Auf dieser Basis ist es möglich, die komplette Maschine mit den beiden Bedieneinheiten zu steuern. Zum anderen werden I/Os zum „ hardwaremäßigen" Austausch beispielsweise von Bereit- und Störungsmeldungen genutzt.

Steffen Müller, Leiter Projektvertrieb der Lenze Engineering GmbH & Co KG in Hameln ( www.lenze.com )