Industrial Ethernet und Motion Control

Im Kontext industrieller Anwendungen bezeichnet Motion Control (Bewegungssteuerung) die präzise Steuerung und Synchronisierung von Maschinenachsen, die durch Elektromotoren angetrieben werden. Während im klassischen Maschinenbau für den Antrieb und die Koordination mehrerer Achsen überwiegend mechanische Kopplungen verwendet werden, geht der Trend heute zu elektronisch gesteuerten Antriebseinheiten. Die Befürworter des Industrial Ethernet sehen in Motion Control-Anwendungen die neue "Killer-Applikation" für diese Technologie. Deterministische Industrial Ethernet-Lösungen mit hohen Datenraten bieten die Chance, technologische Beschränkungen aufzuheben, weil mit elektronischer anstelle mechanischer Synchronisation Hunderte von Maschinenachsen gleichzeitig angesprochen werden können. Die zunehmende Nutzung von Ethernet für die Vernetzung von Motion Control-Anwendungen in der Industrie hat inzwischen sogar konstruktive Veränderungen bei den Maschinen der nächsten Generation ausgelöst.

Bei Maschinen mit vielen Achsen, wie zum Beispiel Verpackungs- oder Druckmaschinen, werden mehrachsige Bewegungen auf herkömmliche Weise durch mechanische Kopplungselemente koordiniert oder "gesteuert". Im Lauf der letzten zehn Jahre haben in vielen Fällen Servoantriebe mechanische Verbindungselemente abgelöst, wodurch axiale Bewegungen schneller neu konfiguriert und die Maschinen flexibler umgerüstet werden können. Für kleine Maschinen mit einer begrenzten Anzahl von Achsen ist diese Lösung vollständig ausreichend. Bei großen Applikationen mit sehr vielen oder verteilten Achsen ist für eine taktgenaue, echtzeitfähige Koordination jedoch eine Vernetzung erforderlich. Industrial Ethernet-Anwendungen mit hoher Bandbreite und deterministischem Übertragungsverhalten haben sich in den letzten Jahren nicht nur als die einzige industriegerechte Vernetzungslösung erwiesen; sie bieten auch die Chance, technologische Beschränkungen aufzuheben, weil die elektronische gegenüber der mechanischen Synchronisation den Vorteil hat, dass viele Hundert Servoachsen gleichzeitig angesprochen werden können. Viele Maschinen der nächsten Generation sind bereits konstruktiv auf die neuen Möglichkeiten des Industrial Ethernet vorbereitet.

Vor dem Hintergrund einer wachsenden Akzeptanz des Industrial Ethernet in der Industrieautomatisierung beschäftigen sich Netzwerkorganisationen wie ODVA, PROFIBUS International, SERCOS Interest Group, Ethernet Powerlink Standardization Group und SynqNet verstärkt mit dem Gebiet Motion Control, um am Beispiel dieser bisher schwierigsten Anwendung für industrielle Vernetzungstechnologien aufzuzeigen, welche besonderen Vorteile die von ihnen unterstützten Standards haben. Diese Organisationen haben optimierte Industrial Ethernet-Lösungen bereitgestellt, die durch eine Aufteilung der verfügbaren Bandbreite in Kanäle mit unterschiedlicher Priorität echtzeitfähig sind und dabei die Standard-TCP/IP-Kommunikation weiterhin unterstützen. Höchste Priorität erhält die schnelle und deterministische Übertragung aller Bewegungsdaten. Die verbleibende Bandbreite wird für die Übertragung von Daten niedrigerer Priorität wie Programmier- oder Konfigurationsdaten über TCP/IP an andere Geräte genutzt. Außerdem wurde bei einigen Varianten des Industrial Ethernet der Synchronisierungsstandard IEEE 1588 implementiert, um Geräteereignisse über einen offenen internationalen Standard zu synchronisieren.

Als "Generation 3"-Systeme werden neue Verpackungsmaschinen bezeichnet, die eine Kombination moderner Servomotor- und industrieller Vernetzungstechnologien nutzen. Gen3 steht für Verpackungsmaschinen, die durch konstruktive Veränderungen auf die maximale Nutzung des Potenzials dieser neuen Technologien vorbereitet sind. Der mechanische Antrieb von Maschinen der ersten Generation beruhte auf mehreren Nocken, die auf einer von einem Elektromotor angetriebenen Antriebswelle rotierten. Der Nachteil dieser Maschinen war der starre Aufbau, der ausschließlich die Verpackung von Produkten eines bestimmten Formats zuließ. Der mechanische Verschleiß der Verbindungselemente, Wellen und Fördersysteme bedingte eine kürzere Lebensdauer der Anlagen und erforderte häufige Pflege- und Wartungseinsätze.

In der Gen 3-Technologie ist die starre Hierarchie der Steuerkette aufgebrochen. Das heißt, Motion Control spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung der gesamten Maschine, während Logikfunktionen wie die Überwachung von Interlocks und Sicherheitssignalen an verteilte und vernetzte Steuerungen delegiert werden, sodass Industrial Ethernet bis zur Maschinenebene durchgängig zum Einsatz kommt.