Automation Box-PC als Steuerungsplattform

Die Umgebungsbedingungen in der Produktion stellen hohe Anforderungen an die heutige Technologie. Schock, Vibration sowie hohe oder sehr niedrige Temperaturen haben nicht unerhebliche Auswirkungen auf die Langlebigkeit der PC-Systeme.

Fast in allen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus kommen inzwischen Industrie-PCs zum Einsatz, um unterschiedliche Automatisierungsaufgaben auszuführen. Daher gibt es kaum noch Werkzeugmaschinen, in denen solche Systeme nicht die Steuerung, Visualisierung oder Datenerfassung des Prozesses übernehmen. Hier zeichnet sich der Leistungsumfang der Industrie-PCs besonders aus, der von stetig steigender Performance über den effizienten Umgang mit Energie bis zur hohen Zugriffssicherheit reicht.

Neben Eigenschaften, welche die Wirtschaftlichkeit von Werkzeugmaschinen beeinflussen, wie Leistung, Verfahrgeschwindigkeit oder Werkzeugwechselzeit, sind auch Faktoren zu berücksichtigen, welche die Qualität des herzustellenden Produkts betreffen. So ergibt sich beispielsweise die erzielbare geometrische Genauigkeit im Wesentlichen aus der Fertigungsqualität sowie dem Spiel der Maschine und der Bauform.

Entsprechend führt eine Portalbauweise, die häufig bei großen, in der Qualitätssicherung genutzten Messmaschinen oder bei Portalfräsmaschinen zu finden ist, zu einer sehr hohen Genauigkeit bei großen Arbeitsräumen. Die Exaktheit der Maschinenführungen ist heute bei größeren CNC-Maschinen so ausgelegt, dass pro Achse zusätzlich ein Korrekturprofil per Software aufgeschaltet wird.

Für diese Aufgabe eignen sich insbesondere kompakte Industrie-PCs als Plattform für die Software. Mit dem Box-PC »Mini« hat Phoenix Contact seine modulare Industrie-PC-Familie »Valueline« deshalb um ein kompaktes Gerät ergänzt, das 40 Prozent kleiner als die Standard-Industrie-PCs der Baureihe ist. Das neue System arbeitet in der ersten von mehreren Varianten in einem erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +70 °C.

Die Werte für Schock und Vibration erfüllen ebenfalls die hohen Anforderungen der rauen Industrieumgebung. Vor diesem Hintergrund bietet sich der »Mini« für Automatisierungsaufgaben an, die sich aktuell nicht mit Standard-Industrie-PCs umsetzen lassen. Der Automatisierungsgrad und die Komplexität der einzelnen Werkzeugmaschinen sind sehr unterschiedlich und können darum auf verschiedene Arten realisiert werden.

Eine konventionelle Werkzeugmaschine erzeugt die Schnitt- und Vorschubbewegung über einen Motor und Getriebe sowie über Handräder. Meist steuert ein einfaches PC-basiertes Steuerungssystem die Vorschubbewegung beispielsweise über Kurvenscheiben. Diese Vorgehensweise erweist sich jedoch als unflexibel. Bei einer CNC-Werkzeugmaschine wird an einem manuell eingespannten Werkstück ein vollautomatischer Arbeitszyklus durchgeführt. Auch der Werkzeugwechsel erfolgt oft automatisiert. Der wesentliche Unterschied zu einem Bearbeitungszentrum besteht darin, dass der Werkstückwechsel und das Werkzeugkontrollsystem hier im Allgemeinen in den automatisierten Ablauf integriert sind.

Verteilte Steuerungslösung

Handelt es sich um hochkomplexe und flexible Fertigungszellen, werden mehrere Maschinen mit ihren Werkzeugmagazinen, einem größeren Werkstückspeicher und zum Teil eingebauten Messeinrichtungen miteinander kombiniert. Jede einzelne Maschine verfügt über ein eigenes Steuerungssystem. Die verschiedenen SPS-Systeme sind wiederum vernetzt, um beispielsweise Schnittstellen umzusetzen oder Betriebsdaten zur Qualitätskontrolle zu erfassen.

Flexible Fertigungssysteme zeichnen sich durch einen maschinenübergreifenden automatischen Werkstückfluss mit Anbindung einer Fertigungssteuerung oder eines Produktionsplanungssystems aus. Die hier verwendeten Steuerungslösungen sind teilweise sehr komplex. Sie lassen sich allerdings auf unterschiedliche Arten aufbauen.

Auf der einen Seite können ein oder mehrere zentrale Systeme sowie mehrere an der Maschine verteilte Industrie-PCs die Steuerungsfunktion übernehmen. Auf diese Weise erhöht sich die Flexibilität, doch der Konstrukteur muss die jeweils passende Komponente für die einzelnen Aufgaben suchen. In modernen Werkzeugmaschinen kommt oft ein Industrie-PC zum Bedienen, Beobachten und Visualisieren sowie zur Datenerfassung zum Einsatz. Umso wichtiger ist es, dass die Geräte optimal an die jeweiligen Applikationsanforderungen angepasst sind, um eine Überdimensionierung und damit überflüssigen Energieverbrauch zu vermeiden.

Die Industrie-PCs der Produktfamilie Valueline lassen sich beispielsweise für jede Anwendung individuell konfigurieren (Bild 1). Aufgrund der Modularität der einzelnen Bestandteile erhält der Anwender auch bei unterschiedlichen Applikationen stets identische Basiskomponenten und kann so auf dem Grundprinzip von Phoenix Contact für alle Systemlösungen aufbauen.

Ist zum Beispiel lediglich ein Industrie-PC ohne Display erforderlich, bietet Valueline mit dem Basisgerät eine schmale Lösung, die sich mit den Einbauvarianten »Buchformat« und »Wandmontage« bestens für die Installation im Schaltschrank eignet. Benötigt der Anwender für das Bedienen, Beobachten und Darstellen komplexer Prozessabläufe einen klassischen Panel-PC, kann er die Basiseinheit um ein Display erweitern.

Das TFT-Display, das mit Diagonalen von 12 Zoll bis 24 Zoll erhältlich ist, ermöglicht eine einfache Bedienung über den Touchscreen. In einigen Anwendungen muss die Bedieneinheit vom Box-PC getrennt werden. Zu diesem Zweck stehen externe Monitore in den Displaygrößen von 12 Zoll bis 19 Zoll zur Verfügung, die über den DVI- oder VGA-Anschluss mit dem Rechner verbunden werden (Bild 2). Das Touch-Signal wird via USB übertragen. Die Monitore lassen sich wahlweise mit oder ohne Front-USB-Anschluss bestellen.

Komponententausch einfach gemacht

Im Bedarfsfall lassen sich die wichtigsten Komponenten des Box-PC Mini der Produktfamilie Valueline schnell austauschen. Wegen des generell lüfterlosen Aufbaus gestaltet sich die Wartung des Gerätes nicht nur für geschultes Servicepersonal einfach. Neben den technischen Ausstattungsmöglichkeiten des Industrie-PC-Systems ist dies für viele Nutzer ein wesentliches Kriterium, das für den Einsatz in ihren Maschinen und Anlagen spricht.

Je schneller sich ein defektes Teil auswechseln lässt, desto geringer sind schließlich die Stillstandszeiten. Industrie-PCs der Produktlinie Valueline finden sich in zahlreichen Maschinen und Anlagen, um Prozesse zu bedienen und zu visualisieren. Die PC-Plattformen sind in der Regel jedoch nicht ausgelastet und verfügen über ungenutzte Ressourcen.

Durch die Kombination der Rechner mit der Software-SPS »PC Worx RT Basic« von Phoenix Contact lassen sich alle Steuerungsaufgaben in Echtzeit erledigen. Dabei muss der Anwender nicht auf die gewohnte Zuverlässigkeit und Stabilität der klassischen SPS verzichten. Die in den Industrie-PC integrierten Ethernet-Schnittstellen dienen der Kommunikation über Profinet. Der Anwender kann die Rechenleistung seines Valueline-PCs also optimal an die Leistungsanforderungen der jeweiligen Maschine anpassen. Die Kombination aus Industrie-PC und Software-SPS bildet somit eine abgestimmte Steuerungslösung für seine Applikation.

Über den Autor:

Dietmar Knecht ist im Produktmarketing IPX/HMI bei Phoenix Contact Electronics.