Motion Control: zentral oder dezentral

In den vergangenen zehn Jahren war es vor allem die Weiterentwicklung der Feldbusse, die neue Perspektiven eröffnet hat. Durch hohe Bandbreite und Echtzeitfähigkeit sind Ethernet-basierte Feldbusse wie Ethercat, Powerlink, Profinet oder Sercos heute leistungsstarke Kommunikationssysteme. Sie ermöglichen es, einer Motion-Control-Steuerung im Takt von wenigen Millisekunden bis hin zu einigen hundert Mikrosekunden Sollwerte für eine Vielzahl von Achsen über den Feldbus zu übertragen und Istwerte sowie Statusinformationen zurückzuerhalten. Der Antriebsverstärker kann – aufgrund verbesserter Prozessorleistungen – sehr schlank gehalten werden und ist seitens seiner Rechenleistung im Wesentlichen mit Regelungs- und Überwachungsaufgaben beschäftigt. Dieses Antriebskonzept scheint für fast alle Motion-Anwendungen geeignet zu sein, da die zentrale Steuerung von der einfachen Einzelachs-Ansteuerung bis zur komplexen Bahnsteuerung alle Bewegungsformen generieren kann. Es stellt sich daher die Frage, welche Berechtigung dezentrale Steuerungstechnologien weiterhin besitzen.

Zunächst hat zentrale Steuerungstechnik ihren Preis: Ethernet-basierte Feldbusse benötigen – um die Anforderungen der Bitübertragungsschicht des OSI-Referenzmodells für Netzwerkprotokolle zu erfüllen – hochwertige Komponenten in der elektrischen Anbindung. Kabel, Steckverbinder, magnetische Bauelemente und PHY-Halbleiter müssen für hochfrequente Signale und deren Schirmung geeignet sein – können allerdings oft aus der Stückzahlproduktion der Office-Welt verwendet werden. Im Antriebsverstärker als Feldbus-Slave ist entweder ein spezieller ASIC oder ein FPGA-Core erforderlich, der den Kommunikationsstack in Echtzeit abarbeiten kann. Weiterhin wird für die Berechnung komplexer Bewegung auch eine entsprechend leistungsfähige Motion-Steuerung benötigt. Bibliotheksfunktionen für spezielle Aufgaben stehen oft nicht im Standard zur Verfügung und müssen gesondert lizenziert werden.

Die Frage nach der Berechtigung dezentraler Steuerungstechnologien kann somit umformuliert werden: In welchen Anwendungen ist zentrale Motion-Steuerung nicht notwendig? Zu nennen ist zunächst die Bewegung einzelner, nicht-synchronisierter Achsen, die problemlos dezentral, das heißt im Antriebsverstärker berechnet werden kann. Darüber hinaus sind auch komplexe Einzelachsbewegungen wie beispielsweise Pressvorgänge mit überwachter Kraftgrenze realisierbar, wenn erweiterte Fahrsatztabellen vorliegen. Im Falle mehrerer synchronisierter Achsen lassen sich die Bewegungen noch gleichzeitig über ein Synchronisierungssignal der Steuerung starten. An seine Grenzen stößt das dezentrale Konzept jedoch, wenn die Sollwerte für mehrere Achsen zyklisch übertragen werden – wie dies beispielsweise bei einer CNC-Bahnsteuerung oder einer Robotersteuerung der Fall ist.

Dezentrale Steuerungstechnik kann in verschiedenen Ausbaustufen realisiert werden. Die einfachste Form ist eine Fahrsatztabelle, die in Listenform alle für eine Positionierung notwendigen Parameter enthält. In einer Zeile werden Zielposition, Geschwindigkeit und Beschleunigungen definiert. Die einzelnen Zeilen können über Sprungbefehle verknüpft werden, sodass komplexe Bewegungsabfolgen möglich sind. Zum Start einer Bewegungabsfolge wird eine Listenposition beispielsweise über den Feldbus oder einen digitalen Eingang angewählt. Für komplexere Aufgaben wird zusätzliche eine Ablaufsteuerung mit Funktionen wie „Parameter setzen“, „Parameter modifizieren“, „Vergleichen“ und „Sprüngen in Abhängigkeit bestimmter Zustände“ benötigt. Dies ist mit der Erweiterung der Fahrsatztabelle um die entsprechenden Befehle möglich, wobei ein Listeneintrag einem Befehl entspricht. Im Antriebsverstärker wird Zeile für Zeile der Kommandoliste interpretiert und ausgeführt. Beispiele für solche komplexe Motion-Aufgaben sind Greifvorgänge, die aus einem positions- und einem kraftgeregelten Anteil bestehen. Wünscht der Anwender maximale Flexibilität, dann bietet eine Hochsprache oder beispielsweise ein an eine Hochsprache angelehnter, strukturierter Text nach EN 61131-3:2014-06 „Speicherprogrammierbare Steuerungen – Teil 3: Programmiersprachen“ die besten Möglichkeiten. Das Programm wird auf einem PC editiert, kompiliert, auf den Antriebsverstärker übertragen und ausgeführt. Der Antriebsverstärker muss somit eine Laufzeitumgebung für die in der Hochsprache erstellten Programme besitzen.

Mit der Flexibilität und dem Funktionsumfang einer Hochsprache steigt jedoch die Komplexität der Programmerstellung. Während einfache und erweiterte Fahrsatztabellen ohne große Programmierkenntnisse erstellt werden können, ist die Entwicklung von Hochsprachenprogrammen hauptsächlich Programmierern vorbehalten. Sobald Kommandos nicht mehr vordefiniert vorliegen, zum Beispiel in Form von Drop-Down-Boxen, sondern in einem Editor als Text eingegeben werden, der von einem Compiler übersetzt wird, ist ein Komplexitätssprung vorhanden.

Zunächst müssen Kommandoumfang der Sprache, Syntax und Semantik erlernt und die Fehlermeldungen des Compilers verstanden und behoben werden. Syntax Highlighting in unterschiedlichen Farben, Schriftarten und -stilen sowie Code Completion moderner Entwicklungsumgebungen zur sinnvollen Ergänzung von Nutzereingaben erleichtern die Aufgabenstellung, ändern aber nichts an der grundsätzlichen Herausforderung.

Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) sorgen für effizienten Materialfluss innerhalb eines Untenehmens. In einem Praxisbeispiel des Unternehmens Beewatec besitzt ein FTF eine Klemmvorrichtung, sodass Warenbehälter von dem Fahrzeug aufgenommen und abgesetzt werden können. Das Antriebssystem, das in dem Huckepack-FTF für die Greifapplikation verwendet wird, besteht aus dem Servoregler Simco Drive und der Aktuatorbaureihe Cyber Dynamic Line. Der Klemmvorgang wurde ohne übergeordnete Steuerung mit einer erweiterten Fahrsatztabelle realisiert: Zunächst wird über Endschalter eine Startposition der Klemmbacken angefahren. Danach wird der maximale Motorstrom auf den Wert der gewünschten Klemmkraft parametriert, sodass der Motor den Behälter mit konstanter Kraft festklemmen kann. Nach erfolgreichem Klemmvorgang wird während des gesamten Transports die Klemmkraft überwacht, sodass auch ein Herausrutschen eines Behälters während der Fahrt sicher erkannt wird.

Mit der Servoregler-Baureihe hat der Anwender die freie Wahl zwischen zentraler und dezentraler Ansteuerung. Für den Anschluss an eine leistungsstarke zentrale Motion-Steuerung stehen die Feldbusse, beziehungsweise Protokolle Can (Canopen), Ethercat (CoE) und Profinet RT/IRT (Profidrive) mit minimalen Zykluszeiten von 500 Mikrosekunden zur Verfügung. Alternativ wird unter der Bezeichnung Motion Tasks eine erweiterte Fahrsatztabelle angeboten, mit welcher komplexe Bewegungsabläufe abgebildet werden können. Der Anwender kann auf alle Parameter des Antriebs in Form des Object Dictionary zugreifen und diese modifizieren. Zur Ablaufsteuerung werden „Warte“- und „Wenn-Dann“-Funktionen angeboten. Im Gegensatz zu einer Hochsprache können Motion Tasks ohne umfassende Programmierkenntnisse erstellt werden: Die hierfür verfügbaren Befehle werden übersichtlich und nutzerfreundlich mittels Drop-Down-Boxen dargestellt; die zugehörigen Parameter werden Kontext-sensitiv und bereichsüberwacht verwendet.

Mit dem Serovregler Simco Drive kann Wittenstein Motion Control die Vorteile beider Varianten vereinen, ohne mögliche Nachteile einer Variante akzeptieren zu müssen.

Technik im Detail: Simco Drive

Antriebsverstärker der Baureihe Simco Drive wurden für sinuskommutierte Servomotoren definierter Leistungsklassen entwickelt. Sie zeichnen sich durch eine hochauflösende Stromregelung mit bis zu 16 Bit und eine schnelle Strommessung unter acht Mikrosekunden aus – geeignet also für eine hochgenaue Drehmomentregelung und hohe Dynamik im Stromregelkreis. Die Verstärker können im eigenständigen Positionierbetrieb mit Trajektorien und Fahrsatztabellen eingesetzt werden, aber auch – über den Ethercat-Bus – im geschlossenen Regelkreis mit Echtzeit-Führungskommunikation. Für die Feldbusintegration kann auf Verstärkerausführungen mit Canopen- oder Profibus-Schnittstelle zurückgegriffen werden. Mit STO steht zudem die Option integrierter Safety-Funktionen nach IEC 61508 zur Verfügung. Dank Schutzart IP65 oder IP20 können die Servoregler sowohl in Nähe der Antriebsachse als auch im leitstandnahen Schaltschrank betrieben werden.

Erklärung: OSI

Open Systems Interconnection Model – Referenzmodell für Netzwerkprotokolle als Schichtenarchitektur. Als Standard veröffentlicht von der International Telecommunication Union (1983) und der ISO International Organization for Standardization (1984).

Erklärung: PHY-Halbleiter

PHY: physikalische Schnittstelle, zum Beispiel auf Ethernetkarten. Gleichzeitig gebräuchliche Abkürzung für die physikalische Schicht des OSI-Modells (OIS-Layer 1).