PC-basierte M1-Steuerung

Für Gerhard Bachmann, Geschäftsführer von Bachmann Electronic, ist die Diskussion "SPS contra IPC" mittlerweile beendet. Denn der europaweit agierende Steuerungs-Spezialist mit Hauptsitz im österreichischen Feldkirch, dessen High-End-Steuerungen weltweit bei zahlreichen Kunden bereits über 45.000mal im Einsatz sind, schlägt mit seinem M1-Automatisierungssystem die Brücke zwischen einer herkömmlichen SPS und der vielen Anwendern vertrauten PC-Technik. Das System ist speziell für den Einbau in Produktionsmaschinen entwickelt worden und vereinigt die Vorzüge der PC-Welt - hohe Leistung, Standardisierung, offene Architektur, bekannte Plattform, geringer Preis und permanente Leistungssteigerung - mit den harten Anforderungen im industriellen Umfeld. Genau wie eine traditionelle SPS garantiert die M1 beispielsweise höchste Sicherheit bezüglich Zeitverhalten, Absturzgefahr und Komponentenverträglichkeit sowie die einfache Bedienbarkeit. "Viele Billiganbieter packen einfach einen Büro-PC oder ein Standard-Motherboard in ein 19"-Gehäuse um und nennen das Ganze dann Industrie-PC", warnt Gerhard Bachmann. Doch für Aufgaben, die über die Visualisierung hinausgehen, sei ein solches Gerät nicht geeignet.

Pentium-Prozessor in Industrieversion
Als Herzstück der M1-Steuerung setzt Bachmann Electronic deshalb spezielle Industrieversionen der Intel-Pentium Prozessoren ein, die ohne einen störungsanfälligen Lüfter bei Umgebungstemperaturen bis 60°C problemlos arbeiten. Sämtliche Gehäuse sind aus Metall gefertigt, die Baugruppen entsprechen den Stör-, Schock-, Emissions- und Vibrationsnormen. Das gesamte Chipset ist außerdem garantiert langfristig lieferbar und unterliegt nicht den raschen Änderungszyklen des Consumer-PC-Bereichs. Gemeinsam mit dem Echtzeit-Betriebssystem VxWorks sorgt der Prozessor für hohe Zuverlässigkeit, höchste Leistung und ein hervorragendes Echtzeitverhalten.

"Die CPU kann alle I/O-Module auf ein bis zwei Mikrosekunden genau taktmäßig synchronisieren", betont Gabriel Schwanzer, Leiter Vertrieb und Automatisierung bei Bachmann. Damit werde - anders als in den Versprechungen manch anderer Steuerungsanbieter - eine "echte Echtzeit" erreicht. Dadurch, dass die Steuerung über genügend Leistungsreserven verfügt, kann sich der Maschinenhersteller voll auf seine Anwendung konzentrieren und muss sich nicht vorrangig mit irgendwelchen Tricks um die Sicherstellung der notwendigen Performance kümmern. Außerdem ist die Leistung der Steuerung beliebig skalierbar. Ob mit einem neuen Prozessor mit einer höheren Taktrate oder durch die Kopplung mehrerer M1-Steuerungen bei wachsenden Anforderungen kann die Rechenleistung problemlos erweitert werden.

Weitestgehende Dezentralisierung
Um dem Wunsch der Maschinenhersteller nach einer Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes nachkommen zu können, ermöglicht das M1-System eine weitestgehende Dezentralisierung der Komponenten. Dazu wurde der FAST-Bus entwickelt, der den Zugriff der CPU auf die I/O-Module in höchster Echtzeit mit einer Datenübertragungsrate von 70 Megabit/s erlaubt. Die Zeitverzögerung liegt pro Unterstation unter zwei Mikrosekunden. "Etwas Vergleichbares ist derzeit auf dem Markt nicht zu finden, denn ein Standard-Feldbus ist bis zu 100mal langsamer", unterstreicht Firmenchef Gerhard Bachmann. Deshalb sei eine Eigenentwicklung unumgänglich gewesen.

Insgesamt können 15 Unterstationen mit jeweils 16 Modulsteckplätzen an den FAST-Bus angeschlossen werden. Zwischen den einzelnen Stationen lassen sich über Lichtwellenleiter störsichere Verbindungen bis zu einer Entfernung von jeweils maximal 150 Metern aufbauen. "Für die Applikationssoftware ist es ohne Belang, ob die einzelnen Komponenten zentral oder verteilt installiert sind", betont Gabriel Schwanzer. Die Aktoren und Sensoren müssen jedoch nicht mehr von der Peripherie her mit dem zentralen Schaltschrank verbunden werden, sondern lassen sich direkt vor Ort über Unterverteiler verdrahten und mit nur einer Leitung zur CPU führen, was eine deutliche Senkung der Verkabelungskosten zur Folge hat. Neben dem FAST-Bus können in der M1-Steuerung für weniger zeitkritische Aufgaben aber auch die üblichen Standard-Feldbussysteme wie zum Beispiel CANopen oder ProfiBus eingesetzt werden, deren Reaktionszeiten aber im Bereich von Millisekunden liegen.

Modularer Steuerungsbaukasten
Eine Vielzahl von Hardware-Bausteinen, die sich beliebig kombinieren lassen, stehen zur Verfügung. Neben dem Prozessor-Modul, dem Netzteil und den FAST-Bus-Modulen sind dies beispielsweise digitale und analoge Input- und Output-Module, Encoder-Interface, Temperatur-, DMS-, PWM-Module, Feldbus-Module, Verteiler und Buserweiterungen. Die Anordnung der einzelnen Komponenten kann in verschiedenen Varianten stattfinden:

• Einzelne I/O-Module lassen sich auf einer Busschiene aneinander reihen und mit Netzteil- und Prozessormodul versehen - es entsteht eine eigenständige, kompakte Einheit, die wie eine konventionelle Steuerung aussieht.
  
• Für den dezentralen Einsatz direkt in der Maschine können mehrere I/O-Module zu Stationen zusammengefügt werden, wobei jede Station bis zu 16 Modulsteckplätze bietet.
  
• Die Verbindung einzelner Stationen ist über den FAST-Bus bei Entfernungen von bis zu 150 Metern zwischen den einzelnen Stationen möglich - so lässt sich eine räumlich verteilte Steuerung aus einer Basisstation und bis zu 15 weiteren Stationen aufbauen. Logisch gesehen handelt es sich dabei immer noch um eine einzige Steuerung mit allen daraus resultierenden Vorteilen.
  
• Zusätzlich können autarke Steuerungen über CANopen oder ProfiBus erweitert werden - so entsteht eine Steuerung mit dezentraler Intelligenz. Module für weitere Standard-Feldbussysteme sind in Entwicklung.
  
• Einzelne Steuerungen lassen sich über Ethernet und TCP/IP vernetzen. Auf diese Weise entsteht ein Netz von eigenständigen Steuerungen, das sich - natürlich bei Verzicht auf die Echtzeitfähigkeit - um die ganze Welt spannen kann.

Auf diese Weise können aus gleichartigen Standard-Komponenten sowohl einfache als auch komplexe Steuerungssysteme aufgebaut werden. Trotz Dezentralisierung bleibt man dabei immer "im System". Der große Vorteil dieser Lösung: Das gewohnte Adress-Schema wird beibehalten, denn die dezentrale Anordnung der Komponenten wirkt sich nicht auf die Adressierung aus. Sämtliche Komponenten einer einfachen Steuerung lassen sich ohne Probleme auch in einem komplexeren System sowohl in den zentralen als auch in den dezentralen Steuerungsteilen wieder verwenden. Ein nachträglicher Ausbau - zum Beispiel bei wachsenden Anforderungen - ist problemlos möglich.

Schnelle Inbetriebnahme
"Seit mehr als zehn Jahren entwickeln wir Software-Reglermodule und haben mittlerweile eine große Anzahl von fertigen Programmen zur Auswahl", sagt Schwanzer. Ob für Druck, Geschwindigkeit, Position, Bahn, CNC, Drehzahl, Temperatur oder den Einspritz-Vorgang bei Spritzgießmaschinen - es kann auf eine Vielzahl ausgereifter Regler zurückgegriffen werden. Diese übernehmen alle Aufgaben wie Abtastung, adaptive Parameter-Selbstermittlung, automatische Streckenlinearisierung, Positionsrückführung, Sollwertgenerierung, Stellgrößenaufschaltung oder die automatische Profilanpassung an die Streckendynamik und lassen sich in beliebiger Anordnung zur gewünschten Applikation zusammenstellen. Die komplette Einrichtung der Steuerung lässt sich damit - so die Erfahrungen - innerhalb von zwei bis vier Wochen verwirklichen, wo andere Anbieter für diese Aufgabe mitunter ein halbes Jahr benötigen.

"Durch die einfache Konfigurationsmöglichkeit und die große Auswahl an bereits vorhandenen Softwarebausteinen kann ein Hersteller selbst kundenspezifische Maschinen schneller ausliefern und dadurch einen deutlichen Wettbewerbsvorteil erzielen", ist Gerhard Bachmann überzeugt. Zu diesem Zeitgewinn trägt auch der modulare Aufbau der Hardware bei. Denn dadurch können Maschinenteile zusammen mit der Elektronik separat geprüft und durchgetestet werden. Anschließend müssen die Einzelkomponenten nur noch miteinander vernetzt werden.

Wesentlichen Anteil an der schnellen und komfortablen Inbetriebnahme hat der M-Manager. Auf dieser Workbench wird die gesamte Steuerungssoftware verwaltet, konfiguriert und programmiert. Die enthaltenen Tools dienen zur Darstellung sämtlicher Steuerungsdaten, zur Systemkonfiguration und Reglerinstallation, sowie zur SPS-Programmierung nach IEC 1131-3 in den Sprachen AS, FUP, KOP, AWL und ST. Zusätzlich ist die Hochsprachen-Programmierung unter C/C++ möglich.

Servicefreundlichkeit ist Trumpf
Auf Wunsch unterstützt das System den Applikationsentwickler durch die integrierte Ressourcenverwaltung. Diese verhindert den Start eines Steuerungsprogramms, wenn die für den korrekten Lauf erforderlichen Bedingungen nicht erfüllt sind.

Die einfache Diagnose und Fehlerbehebung wird zudem durch die LED-Statusanzeigen auf den Hardwaremodulen sowie durch Diagnose- und Dokumentationshilfen in der Projektierungssoftware gewährleistet. Durch den modularen Aufbau der M1 können bei Hardware-Problemen die einzelnen Elemente des Systems einfach ausgewechselt werden. Dadurch, dass die gesamte "Intelligenz" der Steuerung in Form von Software auf der CPU konzentriert ist und ansonsten nur einfache I/O-Module zum Einsatz kommen, lässt sich außerdem die Fehlersuche stark beschleunigen.

Die Möglichkeit der Ferndiagnose und -wartung im Modembetrieb über PPP (SLIP) ist von vornherein vorgesehen, das gesamte Vernetzungskonzept läuft unter TCP/IP und ist damit Intranet- und Internetfähig. Die Service-Experten des Maschinenherstellers können dadurch den Anwender per Ferndiagnose beim Aufspüren von Störungsursachen aktiv unterstützen. Über eine Modem-, ISDN-, Satelliten- oder Internet-Verbindung ist jederzeit "ein Blick in die Steuerung" oder sogar ein Programm-Update möglich. Dieser Teleservice lässt sich aber nicht nur bei einem eventuellen Schaden nutzen, sondern auch im laufenden Betrieb. Stellt der Anwender beispielsweise bei der Fertigung eines neuen Produktes Abweichungen von den Qualitätsnormen fest, können aus der Ferne die entsprechenden Parameter verändert werden. Auch innerbetrieblich ist diese Option für den Maschinenhersteller von Vorteil, denn der einfache Zugriff auf alle Maschinen im Prüffeld über das meist schon vorhandene Intranet kann beispielsweise zur Programmerstellung und -verwaltung genutzt werden.

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