Netzwerktechnologien für Motorsteuerungsanwendungen

Überblick

Der harte globale Wettbewerb setzt Geräte und Maschinenhersteller unter Druck, Anlagen bereit zu stellen, die den Durchsatz erhöhen und gleichzeitig die Betriebskosten reduzieren. Steigende Energiekosten und zunehmendes Umweltbewusstsein sorgen zudem dafür, dass Ingenieure sich auf Entwürfe konzentrieren, die den Energieverbrauch senken. Aus diesem Grund sind Maschinenbauer dazu übergegangen, flexible und hocheffiziente Mehrzweckmaschinen zu entwickeln, anstelle von Maschinen, die nur für eine bestimmte Aufgabe konzipiert sind. Dafür werden moderne Steuer- und Regelsysteme und anspruchsvolle Algorithmen eingesetzt sowie hochwertige Elektronik und Kommunikationstechnologien in die Mechanik integriert.

Die Motorsteuerung spielt bei mechatronischen Systemen eine große Rolle. Um mechanische Systeme zu verbessern, ersetzen Maschinenhersteller mechanische Teile häufig durch elektronische Lösungen. Ein Beispiel hierfür ist die Eliminierung starrer Wellen zur Durchführung von Kurvenscheibenoperationen. Die Wellen werden häufig durch eine Kombination mehrerer Antriebe und Motoren ersetzt, wobei die Steuerungssoftware die eigentliche Funktion der Kurvenscheibe übernimmt. Diese Systeme und Geräte sind mechanisch flexibler, einfacher zu warten und haben einen geringeren Umfang. Die Kehrseite der Medaille ist allerdings, dass diese Maschinen aufgrund ihrer elektronischen Komponenten eine komplexere Steuerung sowie eine deterministische und zuverlässige Kommunikation erfordern.

Abbildung 1: Traditioneller Ansatz mit mechanischen Komponenten

 

 

Abbildung 2: Moderner Ansatz mit mehreren synchronisierten Achsen

 

In einem typischen System übernimmt die Motorsteuerungseinheit einen Großteil der komplexen Aufgaben. Da sie die Synchronisation mehrerer Achsen übernehmen, bieten die Steuerungseinheiten Getriebe- und Kurvenscheibenfunktionen sowie zusätzliche Sicherheitsfunktionen wie Grenzschalter, Antriebsaktivierung und Notausschalter. Abgesehen davon umfasst die Steuerungseinheit auch traditionelle Funktionen und führt die Steuer- und Regelalgorithmen für ein Höchstmaß an Leistung und Effizienz aus.

Technologietrends bei Motorsteuerungseinheiten

In der Vergangenheit haben Motorsteuerungsanwendungen für die Durchführung komplexer Steuer- und Regelfunktionen eine dedizierte Motorsteuerungseinheit genutzt. Durch die Leistungssteigerungen bei heutigen Automatisierungscontrollern, wie z. B. PACs und SPSen, geht der Trend immer weiter dahin, die Funktionalität der Motorsteuerungseinheit direkt in einen Automatisierungscontroller zu integrieren und diese als priorisierten Task zusammen mit anderen Automatisierungstasks auszuführen.

Seit den frühen 1980er Jahren nutzen Automatisierungssysteme Digitalbusse, um Aufgaben wie Datenübertragung und industrielle Kommunikation durchzuführen. Im Vergleich zu Analogbussen sind Digitalbusse robuster und zuverlässiger, insbesondere bei der Kommunikation über große Entfernungen. Des Weiteren vereinfachen digitale Netzwerke die Anbindung, da mehrere Elemente seriell anstatt individuell angebunden werden können. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Verkabelung und einfachere Wartung von Systemen.

Aufgrund der Leistungsanforderungen nutzte die Motorsteuerungsbranche in den letzten Jahren einen Ansatz, bei dem die Antriebe über einen Analogbus bzw. motorsteuerungsspezifische Busse angebunden wurden. Dies sorgte jedoch dafür, dass das Gesamtsystem noch komplexer wurde. Durch den Einsatz von Digitalantrieben und leistungsstarken Digitalbussen kann die Systemarchitektur nun vereinfacht werden, indem ein Bus für Motorsteuerung und Prozessdaten eingesetzt wird, während Digitalbusse wie EtherCAT, CANopen, PROFIBUS, Ethernet POWERLINK oder SERCOS für deutliche Leistungsverbesserungen sorgen.

Insbesondere bei Anwendungen, die verteilte Motorsteuerung über mehrere Achsen durchführen, bieten Digitalbusse eine Reihe von Vorteilen. Sie bieten ein höheres Maß an Flexibilität und ermöglichen die Entwicklung von Systemen mit verteilter Verarbeitungsleistung und Entscheidungsfindung auf Antriebsebene. Aufgrund der gemeinsamen Standards sind Anwender in der Lage, Systeme von unterschiedlichen Herstellern zu kombinieren und die bestmögliche Lösung für ihre Anforderungen zu nutzen.

Durch die Verwendung digitaler Antriebe, die über digitale Busse kommunizieren, sind Hersteller in der Lage, Antriebe zu erstellen, die den digitalen Bus nicht nur zum Austausch von Steuer- und Regeldaten nutzen, sondern auch zur Übertragung von Statusinformationen und zur Einstellung von Parametern. Eine wichtige Frage im Bereich Automatisierung ist die, welches Protokoll am besten für industrielle Automatisierungsanwendungen im Allgemeinen und für Motorsteuerungsanwendungen im Speziellen geeignet ist.

Nachfolgend werden die gängigsten Ethernet-basierten Protokolle für Motorsteuerungsanwendungen aufgelistet:

  • EtherCAT
  • SERCOS II/III
  • CANopen
  • Modbus IDA
  • PROFINET
  • PROFIBUS
  • EtherNet/IP
  • Ethernet POWERLINK

Aufgrund der großen Anzahl an Busstandards und Protokollen müssen Anwender sicherstellen, dass die einzusetzenden Komponenten die passende Schnittstelle bieten. Das bedeutet, dass Hersteller häufig mehrere verschiedene Versionen ihrer Komponenten entwickeln müssen. Dies erhöht nicht nur Entwicklungskosten sondern erfordert auch die Beteiligung an mehreren Standardisierungsorganisationen. Da National Instruments bestrebt ist, offene Systeme anzubieten, verfügen die Produkte über Schnittstellen für verschiedene Busstandards und Protokolle.

National Instruments unterstützt zwar alle wichtigen Industrieprotokolle und ermöglicht die Anbindung an Standardindustrienetzwerke, allerdings entschied NI sich für EtherCAT als Hauptkommunikationsprotokoll für Motorsteuerungsanwendungen.

EtherCAT-Technologie für Motorsteuerungsanwendungen

Bei EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) handelt es sich um ein leistungsstarkes Kommunikationsprotokoll für deterministisches Ethernet im industriellen Umfeld. Es erweitert den Ethernet-Standard IEEE 802.3, so dass Daten mit deterministischem Timing und präziser Synchronisation übertragen werden können. Dieser offene, von der EtherCAT Technology Group verwaltete Standard wurde als Teil der Norm IEC 61158 veröffentlicht und wird im Allgemeinen in Anwendungen im Bereich Maschinenbau oder zur Motorsteuerung eingesetzt.

EtherCAT implementiert über Standard-Ethernet-Kabel eine Master/Slave-Architektur. Als EtherCAT-Master von NI stehen Echtzeit-Controller mit zwei Ethernet-Ports wie beispielsweise NI-CompactRIO-, PXI- und Industrie-Controller zur Verfügung. Jedes NI-Slave-Gerät besitzt ebenfalls zwei Anschlüsse, die eine Serienschaltung ausgehend vom Master-Controller ermöglichen.

Beim EtherCAT-Protokoll werden Daten direkt innerhalb eines Standard-Ethernet-Frames (Datenrahmen) transportiert, ohne dabei die Grundstruktur zu ändern. Befinden sich der Master-Controller und die Slave-Geräte im selben Subnetz, ersetzt das EtherCAT-Protokoll lediglich das Internet Protocol (IP) im Ethernet-Frame.

Abbildung 3: Struktur des Ethernet-Frame mit EtherCAT

Daten werden in Form von Prozessdatenobjekten (PDO) zwischen Master und Slaves ausgetauscht. Jedes PDO besitzt eine Adresse, die auf einen bestimmten Slave oder auf mehrere Slaves verweist. Die Kombination aus „Daten und Adresse“ (plus dem Working Counter zur Validierung) bildet ein EtherCAT-Telegramm. Ein Ethernet-Frame kann mehrere Telegramme enthalten. Eventuell sind mehrere Frames erforderlich, um alle Telegramme für einen Regelzyklus zu erfassen.

Hohe Leistungsfähigkeit

EtherCAT kann eine hohe Leistungsfähigkeit und Kanalanzahl für die Einzelpunktverarbeitung, z. B. für Steuerungsaufgaben, erreichen. Da das Lesen und Schreiben der Slaves im selben Frame erfolgen kann, ist die EtherCAT-Telegrammstruktur ideal für dezentralisierte I/O. Überdies findet die gesamte Protokollverarbeitung innerhalb der Hardware statt und ist daher unabhängig von der Laufzeit von Protokollstapeln, CPU-Leistung oder Softwareimplementierung.

Timing und Synchronisation

Ein weiteres Kriterium bei deterministischen Netzwerken ist die Verantwortung des Master-Controllers, alle Slave-Geräte mit demselben Takt durch Einsatz verteilter Taktgeber zu synchronisieren. Eines der Slave-Geräte muss den Master-Takt aufrechterhalten, um die Taktgeber der anderen Slave-Geräte aufzusynchronisieren. NI weist dem ersten Slave-Gerät den Master-Takt zu. Dann schickt der Master-Controller ein spezielles Synchronisationstelegramm, um den Master-Takt in jedem Zyklus zu lesen. Dieses Telegramm aktualisiert und synchronisiert anschließend die Taktgeber aller anderen Slave-Geräte neu, um ein Abweichen zu verhindern.

Eine präzise Synchronisation ist besonders in solchen Fällen wichtig, in denen weit verteilte Prozesse simultane Aktionen erfordern (z. B. koordinierte Bewegung von Achsen zur Motorsteuerung). NI verwendet Zeitstempel, um den Zeitunterschied zwischen dem abgehenden und dem ankommenden Frame zu messen. Auf diese Weise wird die Verzögerung zwischen den Knoten berechnet und durch genaue Anpassung der verteilten Taktgeber kann eine präzise Synchronisation (weniger als 1 µs) erreicht werden.

Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit und nahtlosen Timing- und Synchronisationsfähigkeiten eignet sich EtherCAT insbesondere für vernetzte bzw. verteilte Motorsteuerungsanwendungen, bei denen ein leistungsstarker Echtzeit-Controller als EtherCAT-Master die Motorsteuerungsanwendung ausführt und mit externen, verteilten EtherCAT-Slave-Antrieben kommuniziert.

EtherCAT-Servomotorantriebe von National Instruments

EtherCAT-Servoantriebe von NI bieten die erforderliche Leistung, Flexibilität, Skalierbarkeit und den Leistungsbereich für die besonderen Anforderungen von Motorsteuerungsanwendungen: von einfachen Drehmoment- und Geschwindigkeitsregelungen bis zur programmierbaren Motorsteuerung für mehrere Achsen mit NI LabVIEW und dem LabVIEW NI SoftMotion Module.

Der Einsatz von Standard-Ethernet-Kabeln vereinfacht die Verkabelung und ermöglicht die Verkettung von bis zu 128 Achsen. Mit einem leistungsstarken Echtzeit-Controller können verteilte Motorsteuerungssysteme innerhalb von Minuten eingerichtet werden. Die Konfiguration und Validierung des Systems mit dem LabVIEW-Projekt vereinfacht die Einrichtung und grafische Programmierung noch weiter. Mithilfe der High-Level-Motorsteuerungsfunktionen und der Eigenschafts- und Methodenknoten-API können Anwender benutzerdefinierte Motorsteuerungsanwendungen mit der einfach zu handhabenden grafischen Programmierung implementieren.

Abbildung 4: Grafische Achsenkonfiguration mit dem LabVIEW-Projekt

Mithilfe von NI-Echtzeit-Controllern, AKD-EtherCAT-Servoantrieben, NI LabVIEW und dem LabVIEW NI SoftMotion Module können Anwender die EtherCAT-Technologie einfach für vernetzte oder verteilte Motorsteuerungsanwendungen einsetzen.