Präzise Synchronisation
Mehr Effizienz durch Vernetzung mit Profinet

Eine leistungsfähige und offene Vernetzung ist an stationären Holzbearbeitungssystemen der Schlüssel zu effizienter Fertigung auch in Losgröße 1.

Eine maßgeschneiderte Gateway-Lösung ermöglicht dabei die direkte Anbindung komplexer Profinet-Strukturen an Standard-(I)PCs und deren Ansteuerung mit Isochronous Realtime (IRT) ohne spezielle Hardware.

 

Die horizontal und vertikal vernetzte Produktion ist in der Industrie wie im Holzhandwerk auf dem Vormarsch. Großbetriebe sind damit in der Lage, auch kleine Losgrößen bis hin zum Einzelstück sehr effizient und idealerweise zu den Kosten einer Massenproduktion herzustellen. Handwerksbetriebe können durch kluge Vernetzung standardisierte und optimierte Abläufe schaffen und, gegenüber der herkömmlich organisierten Fertigung, Rationalisierungspotenziale erschließen und dadurch effizienter sowie produktiver arbeiten.


Als Pionier der vernetzten Produktion in der Holzbranche versteht sich die Homag- Group, Hersteller von Maschinen, Anlagen und Systemen für Industrie und Handwerk. Spezialist für Kantenanleim- und 4-/5-Achs- CNC-Bearbeitungsmaschinen in der Gruppe ist die Homag Holzbearbeitungssysteme GmbH mit Sitz in Schopfloch im Schwarzwald. Deren stationäre Maschinen werden sowohl autark als auch im Verbund sowie mit vielfältiger Peripherie betrieben und stellen dadurch unterschiedliche Anforderungen an die Vernetzung: Die synchronzyklische CNC-Bearbeitung auf den Maschinen selbst erfordert in der Regel kürzeste und exakt reproduzierbare Zykluszeiten, also taktsynchrone Echtzeitkommunikation. Dies insbesondere dann, wenn eine präzise Koordination mehrerer Achsen zu realisieren ist. So zum Beispiel bei der Synchronisation von Leimauftragsaggregat und Vorschub über den gesamten Verfahrweg hinweg, die zum Erreichen der so genannten Nullfuge an der Stoßstelle von Kantenanfang und -ende unabdingbar ist.

 

Vielschichtige Kommunikationsaufgaben


In puncto Synchronisation und Zykluszeit etwas weniger anspruchsvoll sind die horizontale Vernetzung mehrerer Einzelmaschinen und die IO-Kommunikation mit Handlingsystemen oder Robotern. Dazu gehören ebenso die vertikale Integration zum Beispiel in ein Produktions-Planungs- und Steuerungssystem (PPS) oder die Anbindung an ein Rohmaterial- bzw. Fertigteillager, die üblicherweise via Ethernet (TCP/IP) erfolgt. Homag realisiert diese vielschichtigen Kommunikationsaufgaben seit Jahren durchgängig und integriert mit dem Feldbussystem Profinet mit Realtime (RT) bzw. Isochronous Realtime (IRT), letzteres in Verbindung mit dem Profidrive-Profil für Antriebsaufgaben. Der Maschinenbauer bindet damit Komponenten verschiedener Hersteller an sein offenes PC-basiertes Steuerungssystem „powerControl“ an. Seit 2007 wurden rund 2 000 Maschinen zuerst mit dem Profinet- Kommunikationsprozessor CP1616 und anschließend mit dem Sinamics-PN-Gate von Siemens in Embedded-Controllern ausgeliefert. Der hohe Bedarf an Vernetzung belegt, dass der Maschinenbauer seine Steuerungsarchitektur in unterschiedlichsten Konstellationen auf bis zu drei Simatic-Industrie- PCs verteilt und diese mittlerweile mit jeweils drei Ethernet-Schnittstellen ausrüstet. Quasi-Standards auf der Antriebsseite im CNC-Bereich sind Umrichter der modularen Familie Sinamics S120 und Servomotoren der Baureihe Simotics S 1FK7 in allen Leistungsklassen. Die Konzentration bei den Kernkomponenten auf einen Hersteller, in diesem Falle Siemens, vereinfacht die hoch automatisierte Projektierung der Anlagen per Scripting.

 

Profinet IRT via Standard-Ethernet


„In Anbetracht der hohen Stückzahlen hatten wir schon länger den Wunsch, die vorhandenen Ethernet-Schnittstellen von (Industrie-) PCs für die Profinet-Kommunikation mit RT und IRT ohne zusätzliche Steckkarten zu nutzen, um so die Kosten weiter reduzieren zu können“, sagt Georg Schroth, Leiter des Fachbereichs Steuerung/Software Stationärtechnik bei Homag. In einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt mit Siemens wurde dieser Wunsch schließlich umgesetzt und mit dem Sinamics-PN-Gate eine Software- Lösung, basierend auf Standard-Hardware des Antriebssystems Sinamics S120, realisiert. Diese ist mittlerweile frei verfügbar und im Prinzip mit jedem Standard-PC mit Ethernet-Schnittstelle nutzbar.


Das Sinamics-PN-Gate läuft auf einem Communication-Board-Ethernet in einer Regelungsbaugruppe CU320-2 PN des Antriebssystems. Das CBE ist über Standard- Ethernet mit der überlagerten Steuerung verbunden, die die zyklischen Nutzdaten in einem oder mehreren Ethernet-Frame(s) im spezifizierten IRT-Takt liefert. Das PN-Gate fungiert als Profinet-Controller, es ist Takt-Master und versorgt die nachfolgenden Profinet-Devices zyklisch mit den individuellen IRT- bzw. RT-Telegrammen. Die minimale Zykluszeit beträgt 1 ms. Über die Ethernet-Schnittstelle ist parallel die IP-basierte Kommunikation möglich, die Homag unter anderem für die detaillierte Diagnose mit dem Tool Starter nutzt.


„Wir können damit die bis zu 80 Achsen unserer Maschinen im erforderlichen Takt von 2 ms zuverlässig und präzise koordinieren und haben noch hinreichend Leistungsreserven für die Zukunft“, sagt Manfred Wolber, Entwicklung Steuerungs- Plattform und Fachbereichsverantwortlicher Antriebe und Feldbusse. Zur Anbindung an gängige Echtzeit-Betriebssysteme gibt es ein Development-Kit mit einem einfach implementierbaren Beispieltreiber im Quell-Code, auf dem die Steuerungsapplikation aufsetzt. Das Steuerungssystem selbst benötigt kein spezielles Profinet-Interface, so dass über jede Standard-Ethernet-Schnittstelle PLC-, CNC- und auch taktsynchrone Motion- Control-Anwendungen per Profinet mit IRT realisiert werden können. Das lässt dem Maschinenbauer generell die Wahlfreiheit bei PC-Hardware und Betriebssystem (Linux/ Windows).

 

Sicherheit inklusive – geberlos im Antrieb


Mit dem Antriebssystem von Siemens erschließen sich Homag auch Vorteile im Bereich der Sicherheit, die an Fräsmaschinen in der Holzbearbeitung nach DIN EN 848-3 umzusetzen ist. Vorgeschrieben ist darin unter anderem die sichere Überwachung der Spindeldrehzahl. So müssen zum Beispiel die Vorschubgeschwindigkeiten beim Durchfahren bestimmter Bereiche reduziert werden und die bis zu 24 000 1/min schnellen Spindeln vor einem Werkzeugwechsel sicher stillstehen, um Gefahren für Mensch und Maschine zu vermeiden. Zuverlässig und einfach umsetzen ließen sich diese Anforderungen mit Hilfe der antriebsintegrierten Sicherheitsfunktionen SLS (Safely Limited Speed) und SSM (Safe Speed Monitor). „Das Antriebssystem Sinamics S120 erfüllt diese spezifischen Sicherheitsfunktionen geberlos, also nur basierend auf der ständigen internen Überwachung des Antriebsstromverlaufs, und damit mit weiter reduziertem Hardware-Aufwand“, betont Manfred Wolber.

 

In der Praxis bewährt


Eine der jüngsten Anwendungen des Sinamics-PN-Gate und der antriebsintegrierten Sicherheitsfunktionen ist die aus vier der größten Homag- Bearbeitungszentren mit Robotern bestehende Fertigung bei einem renommierten Hersteller von Möbelteilen. Die Bearbeitungszentren mit je zwei 4-Achs-Fräsaggregaten, einer Verleimeinheit und zwei Tischen (in Summe 24 Achsen) sind über Profinet mit RT an einen Zellenrechner mit Homag-powerControl angebunden. Die dynamische und präzise Bearbeitung wird über die Standard-Ethernet-Schnittstellen der PC-basierten powerControl-Systeme via Sinamics-PN-Gate und Profinet mit IRT gesteuert, wobei die Sinamics-Control-Units auch unterlagerte Profinet-RT-Devices koordinieren. Die Bearbeitungszentren der Baureihe BAZ 700 sind für die Fertigung von Freiformteilen mit hoher Produktivität, auch bei ständigen Produktwechseln und Losgröße 1, konzipiert. Die Zufriedenheit des Betreibers unterstreicht ein Folgeauftrag.


Die kaufmännische Abteilung des Maschinenbauers ist ebenfalls sehr angetan von den Siemens-Antrieben, die Zitat: „einfach nicht ausfallen“ und somit keinen Folgeaufwand für Ersatzbeschaffung oder Gewährleistung verursachen. Rundum zufrieden sind die Schopflocher zudem mit der Unterstützung seitens Siemens, ohne die ein derart komplexes Entwicklungsprojekt wie Sinamics-PN-Gate nicht in der geforderten Zeit und Qualität zu realisieren gewesen wäre. Auch aktuelle Herausforderungen gehen beide Unternehmen wieder gemeinsam an. Darunter die kosteneffiziente Umsetzung der schärferen Sicherheitsanforderungen mit Hilfe weiterer antriebsinterner Sicherheitsfunktionen, wie zum Beispiel sicher begrenzten Positionen, sicherem Bremsenmanagement für hängende Lasten oder sichere Überwachung der maximal zulässigen Spindeldrehzahl.

www.siemens.com  
www.homag.com

14_10_KOMP_siemens_SEI.jpg 

 

Diesen Beitrag und weitere interessante Beiträge finden Sie in HOB 10.2014:

14_10_TITEL_188.jpg

Gerne können Sie HOB 10.2014 bestellen:

E-Mail:  cedra@agt-verlag.de      
oder:      Kontaktformular

AGT Verlag Thum GmbH
Teinacher Straße 34
71634 Ludwigsburg

Vertrieb, Frau Beate Cedra
Tel.: 07141/22 31-56

spacer
Online Werbung @ HOB