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Maschinen-Steuerungen „in motion“

Software-Standards machen den Wechsel von Hardware-Plattformen leicht
Maschinen-Steuerungen „in motion“

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Die Welt der Maschinen-Steuerungen befindet sich in ständigem Wandel. Kommunikationsstandards kommen und gehen. Steuerungs- und Antriebshersteller müssen sich derzeit beispielsweise mit der parallelen Entwicklung mehrerer Industrial-Ethernet-Varianten auseinander setzen. Und selbst die Wahl der geeigneten Hardware-Plattform kann heute keine Entscheidung „für alle Ewigkeit“ mehr sein.

Manfred Hofmann, Eckelmann, Wiesbaden

Umso wichtiger ist es für den Maschinenhersteller, dass seine Applikationssoftware Plattform übergreifend kompatibel ist und mögliche Hardwarewechsel flexibel unterstützt. Für den Steuerungshersteller wiederum gehört es zur Kundenorientierung, seine Produkte mit standardisierten Programmierwerkzeugen auszustatten.
Ein Plattformwechsel ist immer drin
Die Gründe für einen Wechsel der Hardware-Plattform einer Steuerung z. B. von einer PC-based- zu einer Embedded-Variante – können ganz unterschiedlich sein. Manchmal sind ökonomische Überlegungen ausschlaggebend: Ab einer bestimmten Serienzahl einer Maschine wird eine kundenspezifische Embedded-Steuerung sicherlich die preiswerteste Hardwarelösung sein. Falls die ersten Serien nun mit Standard-Steuerungen realisiert wurden, verlangt die langfristige Wettbewerbsfähigkeit irgendwann einen Hardwarewechsel.
Oftmals aber sind es funktionale und technische Aspekte, die eine Neuorientierung bei der Steuerungshardware nahe legen: So stoßen bei Änderungen des übergeordneten Maschinendesign oder veränderten Strategien einer Maschinen-Modularisierung und angesichts neuer Anforderungen an Vernetzung und Bedienung ältere Steuerungsprodukte schnell an ihre funktionalen Grenzen. Erst die Portierung auf eine neue Plattform ebnet den Weg für das gewünschte Maschinendesign.
Parallel dazu verändert sich derzeit prinzipiell das Selbstverständnis der Steuerungstechnik. Man geht dazu über, die Funktionalitäten von der steuerungstechnischen Hardware getrennt zu betrachten. Das gilt für die steuerungstechnischen Basisprogramme (Betriebssysteme und Funktionsbibliotheken für CNC, SPS, Motion Control) genauso wie für das fertige Applikationsprogramm. Letztendlich bedeuten also CNC, SPS oder Motion Control heute nicht mehr eine körperlich ausgebildete Steuerung. Es handelt sich vielmehr um Softwarepakete. Diese werden je nach Anwendung auf eine bestimmte Hardware-Plattform installiert. Und genauso portierbar sollte im Idealfall auch die eigentliche Applikationssoftware sein.
Neue Steuerungskonzepte – Fit für den Wechsel
Als trendsicherer Partner für den Maschinenbau muss der Steuerungshersteller also zwei wesentliche Leistungen erfüllen: Erstens muss er dem Maschinenhersteller die ganze Palette an Hardware-Varianten – von der rein kundenspezifischen Steuerung über die PC-based-Lösung bis zum Standard Hutschienen-Modell – anbieten können. Eine grundlegende Beratungsleistung wird dann zunächst darin bestehen, die zum Maschinenkonzept (Maschinenaufbau, Funktionen, Peripherie und Kommunikation, HMI) passende Hardware-Plattform auszuwählen. Zweitens sollten die angebotenen Steuerungen Standard-Programmierwerkzeuge nutzen, die einen Import vorhandener Applikationsprogramme oder den späteren Umstieg komfortabel unterstützen.
Eckelmann arbeitet bei all den Steuerungslösungen parallel auf unterschiedlichen eigenen Hardware-Plattformen: Im CNC-Bereich sind es die Classic-Variante (19-Zoll Einbau, vornehmlich für Retrofit-Anwendungen), die PC-based-Variante (PCI-Einsteckkarte) und die Embedded-Ausführung (in Hutschienen-Bauform), die immer stärker von Maschinenbaukunden nachgefragt wird, denen die Unabhängigkeit von Formfaktoren in der PC-Welt wichtig ist. Die Kommunikation zum Bedien-PC erfolgt dabei über Ethernet TCP/IP. Im Motion Control-Bereich werden die PC-based und die Embedded-Variante genutzt und bei den SPS-Steuerungen kommen PC-based, Embedded und vollständig kundenspezifische Lösungen zum Einsatz. Für die drei Anwendungsbereiche CNC, SPS und Motion stehen eigene Software-Bibliotheken zur Verfügung, die identisch auf allen genannten Hardware-Systemen eingesetzt werden können.
Die typischen Steuerungsfunktionen der Software-Bibliothek Motion, kann der Anwender eingebettet in das IEC 61131–3 Programmiertool CoDeSys, als Baustein aufrufen. CoDeSys ist eines der führenden Entwicklungstools für SPS und programmierbare Automatisierungskomponenten. Mittlerweile ist es bei mehr als 100 Herstellern von Hardware-Komponenten im Einsatz, und damit eines der mächtigsten IEC61131–3-Programmiertools für Steuerungen unter Windows. Alle fünf Programmiersprachen des Standards werden unterstützt. Produziert wird nativer Maschinen-Code für alle gängigen Prozessoren. Zudem werden die Möglichkeiten höherer Programmiersprachen wie C oder Pascal mit dem einfachen Handling und der Funktionalität eines SPS-Programmiersystems kombiniert.
Die Unterstützung des Software-Standards bietet Programmierern und Endanwendern zahlreiche Vorteile. Sie profitieren natürlich zunächst von der breiten Erprobung und schnellen Weiterentwicklung dieses Programmierstandards. Im Sinne der oben genannten Strategie einer plattformunabhängigen Steuerungskonzeption schafft der Einsatz eines Standards wie CoDeSys darüber hinaus die idealen Voraussetzungen für alle Arten der Programm-Portierung oder des Systemwechsels unter Beibehaltung der Applikationssoftware. Software-Standards bieten Sicherheit und den Schutz wertvoller Investitionen in die Applikationserstellung.
Umstieg auf Embedded-Controller
Die Firma Tec-Sem, Tägerwilen, Schweiz ist als Hersteller von Anlagen für die Halbleiterindustrie sowie bei OEM-Automationslösungen für Halbleiter-Tools etabliert. Das Unternehmen bringt insbesondere Produkte des kassettenlosen Halbleiter-Wafer-Managements auf den Markt. Als ein neues, besonders flexibles System wurde die Produktreihe Pr@ctor im Jahre 2005 in den Markt eingeführt. Es handelt sich um ein System, das die Funktionen Lagern und Sortieren von 300-mm-Wafern in einem Werkzeug – zusätzlich kombinierbar mit Messsystemen – vereint. Über zwei bis vier Loadports werden die Wafer in Empfang genommen. In der Handling- und Verification-Unit werden mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeits-Standard-Roboters und einer speziellen Ausrichtungseinheit die Wafer-ID eingelesen und über einen Puffer die Lagerung in den angeschlossenen Storage-Türmen vorbereitet. Die schnelle, kassettenlose Lagerung ist vor allem für hochkomplexe Anwendungen mit gemischten, kleinen Produktionslosen, erhöhten Reinheitsanforderungen und sehr vielen verschiedenen Wafer-Qualitäten konzipiert. Neben dem Roboter und Aligner der Handling-Unit sind in dieser Maschine vor allem die Handlingachsen und Liftantriebe der kassettenlosen Speichertürme anzusteuern. Waren die ersten Modelle der Pr@ctor-Reihe noch mit PC-Steuerungen ausgerüstet, machte man sich aus Gründen der Modularisierung bald auf die Suche nach einer Embedded-Controller-Lösung. Die Wahl fiel auf die ExC55 von Eckelmann. Ausgerüstet mit der Software Modulbibliothek „Motion“ bildet dieser Embedded-Controller die Komplettsteuerung EMC55 für Motion-Control-Anwendungen von 2 bis zu 64 Achsen.
Die Motion-Control-Bausteinen der EMC55 nach PLCopen und dem Programmierstandard IEC 61131 sind vollständig für die Nutzung in CodeSys eingerichtet. Dieser Umstand ermöglichte es Tec-Sem, die vorhandene Steuerungssoftware 1:1 auf die neue Hardware-Plattform zu portieren. Einen weiteren Pluspunkt in Sachen Kompatibilität bestand darin, dass die Antriebe über die Standard CANopen-Schnittstelle nach DS402 (Interpolated Position Mode) angesteuert werden konnten. Tatsächlich funktionierte dieser Systemwechsel so reibungslos, dass die Umstellung in völliger Eigenverantwortung des Maschinenherstellers vollzogen werden konnte. Weiterer Programmier- oder Parametrier-Aufwand fiel nicht an. Manchmal ist es eben ganz leicht ein neues Zuhause für eine bewährte Maschinensteuerung zu finden.
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