Modularisierung im Maschinenbau Servoantrieb von Lenze schlägt Brücke zwischen zentraler und dezentraler Intelligenz

Autor / Redakteur: Christian Bergner* / Ute Drescher

Lange war es nur eine Vision: Funktionseinheiten einer Maschine per Plug-and-play miteinander zu verbinden – ohne Adaption einer einzigen Zeile Softwarecode. Jetzt wird die Vision Wirklichkeit.

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Sowohl zentrale als auch dezentrale Steuerungssysteme, die in einen Antrieb integriert sind, gab es schon bei Lenze.
Sowohl zentrale als auch dezentrale Steuerungssysteme, die in einen Antrieb integriert sind, gab es schon bei Lenze.
(Bild: Lenze)

Maschinen und Anlagen in der Fertigungsindustrie werden heute meist modular aufgebaut. Passende Automatisierungstechnik sowie eine standardisierte Kommunikation fördern diesen Trend. Doch bis jetzt mussten Maschinenbauer Kompromisse eingehen und mehrere Module mit einem zentralen Controller steuern. Dies führt zu komplexen Softwarestrukturen, die aufwändig und nur schwer zu warten sind.

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Diesen Nachteil hat Lenze jetzt eliminiert: Durch die Erweiterung des Automatisierungssystems um einen neuen Servoantrieb mit integrierter Steuerung stehen nun erstmals durchgängig skalierbare Lösungen für das kleinste Maschinenmodul mit nur einer Bewegungsachse bis hin zu komplexen Mehr-Achssystemen zur Verfügung. Die Durchgängigkeit der Systeme des Portfolios gewährleistet den Einsatz der gleichen Applikationssoftware in allen Maschinenmodulen. So kann der OEM nun mit einfachen Mitteln und ohne Systembruch vollständig flexibel auf jeden Anwendungsfall reagieren. Es entstehen autarke Maschinenmodule, die einzeln betrieben und beliebig kombiniert werden können.

Jahrzehntelang haben sich Maschinenbauer vor allem auf drei Dinge konzentriert: Performance, Verfügbarkeit und Qualität. Heute ist jedoch Time-to-Market die entscheidende Herausforderung geworden: Wie schnell kann eine Maschine beim Anwender in Betrieb gehen? Damit verbunden ist auch die Frage, welche Flexibilität der OEM seinem Kunden bei der Realisierung anwendungsspezifischer Sonderanforderungen bieten kann. Und damit nicht genug: Auch eine schnelle Realisierung von technischen Innovationen oder der damit verbundene Zeit- und Kostenaufwand gehört angesichts des derzeitigen schnellen technologischen Wandels zu den entscheidungsrelevanten Kriterien der Anwender.

Die Trends, die im Kontext von Industrie 4.0 entstehen, bieten dem Maschinenbau Chancen, sich vom Wettbewerb zu differenzieren und die eigene Marktposition zu verbessern. Vollständige Digitalisierung bis zur Sensor/Aktorebene, Anbindung an IT-Infrastrukturen und Clouds sowie die durchgängige Integration der einzelnen Maschinen ganzer Produktionslinien, inklusive der Einbindung in ERP- und MES-Systeme, sind nur die wichtigsten Anforderungen, denen sich der OEM im Bereich des Software-Engineerings stellen muss.

Hinzu kommt eine steigende Komplexität der mechanisch-kinematischen Ebene. Die geforderte Flexibilität in der Produktion bedingt eine aufwändigere Bewegungssteuerung und steigende Achszahlen, wenn beispielsweise flexible Roboter-Kinematiken die Aufgaben von relativ starren mechanischen Einheiten übernehmen.

Um all das in kurzer Zeit realisieren zu können, streben viele OEMs eine Modularisierung ihrer Maschinen an und entwickeln entsprechende standardisierte Funktionseinheiten, die dann einfach wiederverwendet werden können. Auf dem Reißbrett kann so eine Funktion schnell eingefügt werden. Die Integration einer in sich abgeschlossenen Funktionseinheit muss aber auch in der Realität ohne Anpassung der bestehenden Module möglich sein.

Modularisierung kann daher nur gelingen, wenn sie in den Bereichen Mechanik, Elektronik und auch Software aus einem Guss erfolgt. Bei der Steuerungs- und Antriebstechnik macht es durchaus einen Unterschied, ob ein Maschinenmodul nur eine Achse umfasst oder mehrere synchronisierte Achsen bzw. gar eine komplexe Antriebsstruktur mit einer Vielzahl von Achsen benötigt. Je nach Anwendung muss jedes Modul anders dimensioniert werden. Außerdem stellt sich die Frage, ob eine in den Antrieb integrierte, dezentrale Steuerung sinnvoll ist oder das Modul von einer zentralen Intelligenz gesteuert wird.

Skalierbar für jeden Anwendungsfall

Das bedeutet, dass für unterschiedliche Module auch ein skalierbares Portfolio mit Steuerungen unterschiedlicher Performance-Level zur Verfügung steht und zwar aus einem Guss, mit den gleichen Funktionalitäten. Schon bisher bediente der Automatisierungsspezialist Lenze sowohl zentrale als auch dezentrale Steuerungssysteme, die in einen Antrieb integriert sind.

Mit dem Servo-Inverter i950 hat der Hersteller nun ein neues Servo-Antriebssystem mit integrierter Steuerung im Programm, das das Automationssystem abrundet. Der Bruch zwischen den beiden Topologien wird aufgehoben. Es kommen immer wieder die gleiche Applikationssoftware und die gleichen Engineering-Tools zum Einsatz.

Lenze zeigt wie flexible Maschinenkonzepte mit einem skalierbaren, modularen Automationssystem und einem umfassenden Baukasten applikationsspezifischer Softwaremodule realisiert werden und eine deutliche Reduzierung des Engineeringaufwands möglich wird. Damit die Module einfach und synchron zusammenarbeiten können, nutzt Lenze herstellerübergreifende Standards und moderne Kommunikationsschnittstellen. Auf der horizontalen Ebene greifen hier Ethercat, Profinet, Ethernet/IP oder auch Automation-ML und Pack-ML der OMAC. Für die vertikale Integration mit der übergeordneten Leitebene sind es Standards wie OPC UA oder MQTT.

Durch die Erweiterung des Automatisierungssystems um einen neuen Servoantrieb mit integrierter Steuerung stehen nun erstmals durchgängig skalierbare Lösungen für das kleinste Maschinenmodul mit nur einer Bewegungsachse bis hin zu komplexen Multi-Achssystemen zur Verfügung.

Der Servo Inverter i950 schlägt zudem eine Brücke zwischen dezentraler und zentraler Intelligenz. Dies ermöglicht, dass innerhalb einer Maschine die verwendeten Module wahlweise zentral und dezentral gesteuert werden können – die Frage des entweder - oder ist damit überwunden. Der Maschinenbauer kann je nach Anwendung völlig flexibel auf die Anforderungen seines Kunden reagieren, da er auf ein konsistentes Produktportfolio aus Hard- und Software bauen kann, das ihm beide Topologien gleichermaßen zugänglich macht.

So kann der i950 als dezentrale Intelligenz agieren, die sich wie andere Controller des Lenze-Portfolios über die Technologiemodule der Application Software Toolbox Fast programmieren lassen und sich auf die Steuerung des Moduls konzentriert, auf dem sie eingesetzt ist. Bei Bedarf kann auch eine modulübergreifende Synchronisation einer komplexeren Maschine realisiert werden. Und das ohne Neuprogrammierung – die Applikationssoftware, die bisher auf den zentralen Controllern implementiert war, läuft unverändert auf der i950-Plattform. Insbesondere wenn Maschinen skaliert werden und die Zahl der Module zunimmt, was die Zahl der zu steuernden Achsen erhöht, kann auf diesem Weg die Komplexität der Anwendung reduziert und das Engineering vereinfacht werden.

Baukasten aus Hard- und Software

Für die Programmierung steht mit der Software-Toolbox Fast ein Baukasten für typische Anwendungen im Maschinenbau zur Verfügung. Maschinenspezifische Technologiemodule enthalten Standardfunktionen wie beispielsweise Positionieren, Heben, Wickeln, Schneiden oder Siegeln für Maschinen in den Zielmärkten Automotive, Intralogistics, Consumer Goods, Printing & Converting und Textile. Der Anwender muss die Steuerungs- und Bewegungsfunktionen der Funktionseinheit nicht mehr programmieren, sondern lediglich anwendungsspezifische Parameter einstellen. Mit den durchgängig skalierten Produkten lässt sich so für jedes Maschinenmodul in kurzer Zeit eine Baukasten-Lösung entwickeln. Die gewonnene Zeit kann der OEM in die Programmierung individueller Funktionalitäten stecken, die sich ebenfalls leicht in Fast integrieren lassen.

Zukunftssicher angelegt

Der Trick, um Fast-Applikationen einer zentral gesteuerten Topologie auf der i950-Plattform zu integrieren, liegt in der standardisierten Systemschnittstelle API (Application Programming Interface) auf Basis von CIA 402. Während bei der zentralen Topologie der Controller via Ethercat mit den Antrieben kommuniziert, ist dieses Interface auch im i950 implementiert. So können die Technologiemodule der Fast-Toolbox ebenso wie die weiteren Steuerungsfunktionen gemäß PLCopen oder IEC 61131-3 nahtlos auf das jeweilige System abgebildet werden. Dadurch kann Lenze volle Rückwärtskompatibilität für die bereits erstellten Programmierungen bieten.

Lenze bietet mit seinem ergänzten Portfolio ein durchgängiges Automationssystem, das sich feinskaliert miteinander kombinieren lässt. Für Maschinen mit einer Bewegungsachse bis hin zu Multi-Achssystemen mit einer leistungsfähigen zentralen Steuerung für komplexere Maschinen stehen Lösungen aus einem Guss zur Verfügung. Das ermöglicht dem Maschinenbauer, einen modularen Ansatz bei der Maschinenentwicklung zu fahren. (ud)

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* Christian Bergner ist Leiter Produktmanagement Servo Drives & Motors bei Lenze SE, Aerzen.

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