Ethernet macht Druck

In einem Pilotprojekt setzt Schuler bei seiner neuen Profiline-Pressengeneration mit Ethercat erstmals ein Ethernet-basiertes Feldbus-System zur Kommunikation zwischen der Anlagenperipherie und dem PC-basierten Steuerungs- und Regelungssystem ein.

In einem Pilotprojekt setzt Schuler bei seiner neuen Profiline-Pressengeneration mit Ethercat erstmals ein Ethernet-basiertes Feldbus-System zur Kommunikation zwischen der Anlagenperipherie und dem PC-basierten Steuerungs- und Regelungssystem ein.

Schuler Hydrap mit Sitz in Plüderhausen gehört zum Schuler-Konzern und ist spezialisiert auf hydraulische Pressen der Produktlinie Profiline, die insbesondere auf die Anforderungen der mittelständischen Elektro-, Haushaltsgeräte- und der Automobilzulieferer-Industrie ausgerichtet ist. Als vor rund eineinhalb Jahren die Entwicklung einer neuen Pressengeneration mit Presskräften zwischen 160 und 1600 Tonnen anstand, fiel die Entscheidung, die Steuerungstechnik auf neue Beine zu stellen.

Bis zu diesem Zeitpunkt setzte Schuler Hydrap einerseits konventionelle Speicherprogrammierbare Steuerungen ein, zum Beispiel vom Typ Simatic S7, daneben aber zusätzlich spezielle Hardwarebaugruppen für die Hydraulikregelung. Beide kommunizierten über Profibus mit der Peripherie. Da es sich bei der Hydraulikregelung aber um die eigentliche Kernkompetenz im Pressenbau handelt, die ein Hersteller nicht gern aus den Händen gibt, wollte Schuler laut Clement Peters, Konzernbeauftragter für die Entwicklung der Steuerungs- und Antriebstechnik, weg von dieser Speziallösung: „Uns nützt es nichts, wenn ein Hersteller einer hydraulischen Regelungsbaugruppe uns sein Know-how in einer „Black Box“ zur Verfügung stellt, auf die wir keinen Zugriff haben“.

Mit dem Umstieg auf eine hochperformante PC-basierte Steuerungstechnik wollte man daher die Voraussetzung dafür schaffen, die Hydraulikregelung direkt in die Soft-SPS integrieren zu können. Mit anderen Worten: Ziel war es, das Regelungs-Know-how als SPS-Software zu hinterlegen, um somit künftig direkten Einfluss hierauf nehmen zu können. Ein weiteres Entscheidungskriterium waren die Bestrebungen, künftig auf ein einheitliches IEC-basiertes Steuerungskonzept zu setzen, welches alle Steuerungsanforderungen des Schuler-Konzerns abdeckt und zudem die Möglich-keit eröffnet, Plattform-unabhängiger zu werden. „Und hierzu gehört nun mal kein System mit absolutbasierter Adressierung und ohne lokale Datenhaltung“ – so Peters.

Nach gründlicher Marktuntersuchung entschied sich Schuler schließlich für die Automatisierungssoftware Twincat von Beckhoff als Vorzugssystem für den Profiline-Sektor. SPS-, Hydraulik- und Antriebsregelungsaufgaben ließen sich damit auf einer einheitlichen Plattform realisieren. Zusätzlich war es mit dieser Lösung machbar, parallel auf dem Steuerungs-PC auch die Visualisierung aller Maschinen- und Werkzeugparameter über das Schuler-eigene System Basic-View – basierend auf Protool von Siemens – zu betreiben. „Allein die Integration der hydraulischen Regelungstechnik in die SPS-Software versetzte uns bereits in die Lage, einen verbesserten Prozess zu fahren und damit die Qualität der produzierten Teile zu steigern“, blickt Ralf Sohr, Konstruktionsleiter Elektrik bei Schuler Hydrap, auf die Anfänge der neuen Steuerungslösung zurück.

Die Schnittstelle zum Prozess – also das Bussystem – war jedoch zunächst nach wie vor der Knackpunkt beziehungsweise der Flaschenhals des Konzeptes. Clement Peters erläutert warum: „Über entsprechende NC-Tasks in der Twincat-Software sind wir in der Lage, zum Beispiel Transfer-Anwendungen mit einer hohen Bewegungsgüte steuerungsseitig abzubilden. Wir fahren dort mit Zykluszeiten von 1 bis 2 ms. Die Grundvoraussetzung dafür, eine durchgängige Plattform nehmen zu können – also Twincat auch für den Hydraulik-Bereich – war ein Bussystem beziehungsweise eine Peripherie, welche die Anforderungen der hydraulischen Regelungstechnik erfüllt. Das bedeutet: Es musste eine schnelle Erfassung, Verarbeitung und Wiederausgabe von Analogsignalen und auch die Wegerfassung durch das System von deutlich unter 1 ms gewährleistet sein.“

Mit den bisherigen Möglichkeiten, sprich konventionelle SPS plus spezieller Hydraulikregler-Baugruppe und Profibus als Bussystem, kam Schuler bei seinen Pressen nicht unter 5 ms Zykluszeit. Verantwortlich hierfür war laut Ralf Sohr der relativ hohe Overhead des Kommunikationssystems. Dies änderte sich zwar mit dem Umstieg auf die PC-Technik, da die CPU-Leistung der PC-Prozessoren ausreichte, um die geforderten Zykluszeiten zu erreichen. Allerdings, so Sohr: „Solange Profibus als Kommunikations-medium diente, verbrauchte das Twincat-System nur etwa 10 % der gesamten Zykluszeit. Die restlichen 90 % musste die Steuerung auf die Bedienung der Prozessperipherie warten – sprich auf die Profibus-Kommunikation. Die Reserven des Systems waren damit insbesondere mit Blick auf künftige Weiterentwicklungen sehr beschränkt. Mit Ethercat steht nun ein Kommunikationssystem zur Verfügung, das die Leistungsreserven von Twincat erschließt und damit neue Perspektiven eröffnet.“

Den Overhead drastisch reduziert

Grundlegend geändert hat sich die Situation, nachdem Beckhoff zur Hannover Messe 2003 sein Ethernet-basiertes Ethercat-Konzept vorgestellt hatte und sich Schuler auf Grund der Möglichkeiten dieses neuen Bussystems dazu entschloss, Ethercat in einem Pilotprojekt in das Profiline-Steuerungskonzept zu integrieren. Sohr hierzu: „Auf Grund der Schnellig-keit von Ethercat und seines geringen Overheads haben wir nun deutliche Geschwindigkeitsvorteile. Das bedeutet: Wir sind mit diesem System in der Lage, schnelle Antriebs- und Hydraulikregelung für sämtliche Anwendungen zu realisieren, die wir im Moment im Schuler-Konzern kennen. Und, was ganz entscheidend ist: Auf Grund der extrem hohen Performance von Ethercat haben wir noch genug Potential für die Zukunft, auch aufwendigere Regelungsaufgaben ohne Geschwindigkeitsprobleme bewältigen zu können.“

Die Leistungsdaten von Ethercat allein hätten aber nicht genügt, um Schuler zum Umstieg zu bewegen. Wesentliches Kriterium pro Ethercat war in den Augen von Ralf Sohr, „dass wir eine ebenso hohe Granularität der Bauelemente an der Maschine abbilden können, wie wir dies von den bisherigen Bussystemen gekannt haben.“ Der Konstruktionsleiter Elektrik argumentiert weiter: „Im Zuge der Im-plementierung haben wir gesehen, dass auch hinsichtlich der Kosten ein Unterschied zwischen der Ethernet- und der Profibus-Lösung besteht. Eine Profibus-Master-Karte kostet laut Liste zwischen 400 und 500 Euro. Eine Ethernet-Karte hingegen ist beim PC entweder bereits vorhanden oder kostet zwischen 50 und 60 Euro. Und was die Slave-Anschaltungen betrifft, liegt das Verhältnis bei etwa 1:3 zugunsten der Ethernet-Lösung.“

Ungeachtet der Technologie- und Kostenvorteile von Ethercat sieht Ralf Sohr eindeutig Verbesserungspotential bei der Anschlusstechnik von Ethernet. Die Industrietauglichkeit beispielsweise von einem RJ-45-Stecker sei bei weitem noch nicht mit der eines Bussystems vergleichbar, das vollkommen ohne Schirm auskommt und möglichst nur mit einem einfachen Werkzeug wie etwa einem Schraubendreher angeschlossen werden kann. Hier müsse auf der Seite der Hersteller noch etwas getan werden.