Neue Steuerungsgeneration
Während des Compact-MLC-Projekts hat ZUB die neue modular aufgebaute Steuerungsgeneration MACS5 entwickelt. Sie ermöglicht eine Auslagerung von direkt am Kollimator unerwünschter Elektronik. Die MACS5-AMP1 besteht aus der Recheneinheit zur Positionsregelung und Verarbeitung der Sensorwerte sowie dem intelligenten Leistungsteil, das von der CPU aus per Serial Peripheral Interface (SPI) gesteuert wird. Die Kommunikation zum Leistungsteil wurde in der Masterarbeit durch einen Ethercat-zu-SPI-Protokollumsetzer erweitert, so dass ein dezentraler Aktuatorknoten entstand.
Echte dezentrale Steuerung
Durch die Erweiterung der MACS5-Kommunikation mit Ethercat wäre im Prinzip schon eine dezentrale Steuerung möglich gewesen, müssten nicht die Sensoren immer noch direkt an der Recheneinheit der Steuerung angeschlossen werden. Die Lösung hierfür – ein Sensorknoten mit Busanschluss – war Thema der Masterarbeit ‚Entwicklung eines Ethercat-Sensorknotens zur dezentralen Steuerung von Mulitleaf-Kollimatoren‘ von Klaus Schewiola. Der Sensorknoten bereitet 20 bis 40 Encodersignale in einem FPGA auf. Ein darin enthaltener IP-Core stellt die Sensordaten mit identischem Verhalten zum Leistungsteil der MACS5-AMP über SPI zur Verfügung. Das Bild links unten veranschaulicht die dezentrale Steuerungsarchitektur für einen Quadranten mit 20 Lamellen. Zur Busanbindung der Aktuator- und Sensorknoten wird der Ethercat Slave Controller auf Basis des Sitara-Chips von Texas Instruments eingesetzt. Die Recheneinheiten der MACS5 für die Achsregelung sind mit der übergeordneten SPS in den externen Bereich ausgelagert. Da die Rechenleistung der MACS5 für zehn oder mehr Achsen reicht, genügen zwei MACS5-Geräte für einen Quadranten. Die Kommunikation entspricht der Arbeitsweise der MACS5-AMP und berücksichtigt unter anderem folgende Vorgaben: Die Zykluszeit für die gesamte Ethercat-Kommunikation und der Zykluszeit der SPS (Ethercat-Master) beträgt 125µs. Hierfür wird ein jitterfreies SYNC-Signal mit einem stabilen 8kHz-Takt benötigt. Die Daten zwischen Recheneinheit und Leistungsteil werden in Blöcken von 26x16Bit übertragen.
Ergebnis des Projektes
Das dezentrale Steuerungskonzept konnte nach der in der Masterarbeit definierten Architektur realisiert werden. Es eröffnen sich für den Aufbau einer neuen MLC-Generation neue Möglichkeiten. Die Vorteile der Architektur können wie folgt eingeordnet werden:
- • geringes Bauvolumen durch Modularisierung
- • Verlagerung der sicherheitskritischen Recheneinheiten aus dem direkten Strahlenumfeld
- • frei skalierbares System (theoretisch nur durch Ethercat-Framegröße limitiert)
- • Zykluszeit 125µs
- • service- und kostenfreundlich durch reduzierte Elektronik im MLC Nachgefragt
Dieter Bieler: MACS5 ist durch die Modularität flexibel anpassbar auf kundenspezifische Bedürfnisse. Mit einer eigenen Programmiersprache lassen sich sehr leistungsfähige Module realisieren. Zudem gibt es eine lizenzfreie Motion Library. Im Zuge einer Smart-Factory-Potenzialanalyse für ihren Kunden KSB identifizierte die Managementberatung NEONEX Opti mierungschancen bei der Beschaffung der Lieferantendokumentation sowie der Erstellung von Unterlagen zur Qualitätsprüfung entlang der Supply-Chain. ‣ weiterlesen
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SPS-MAGAZIN: Warum haben Sie sich kommunikationsseitig für Ethercat entschieden?
Bieler: Die hohe Performance war ausschlaggebend. 16 Controller zu sechs Achsen müssen dynamisch mit neuen Daten versorgt werden. Bei diesen Anforderungen ist Ethercat die beste Lösung.
SPS-MAGAZIN: Wie sieht das Anwendungs- und Branchenspektrum der MACS5-Antriebssteuerung aus?
Bieler: Wir sind für diverse Branchen bereits tätig wie Papierverarbeitung, Medizintechnik, Etikettierung oder Lagersysteme. MACS5 ist praktisch für alle Anwendungen und Handling-Aufgaben denkbar, die eine Synchronisation und Positionierung mehrerer Achsen erfordert.
SPS-MAGAZIN: Wie sieht die weitere
MACS5-Roadmap aus?
Bieler: Weiterentwicklungen der MACS5 sind MACS5-AMP1, MACS5-AMP2 und MACS5-AMP3, die Steuergeräte mit höherer Leistungsklasse umfassen. Unsere neueste Entwicklung, die MasterMACS öffnet die Tore zu Industrie 4.0. Damit kommunizieren wir über sechs verschiedene Schnittstellen und steuern bis zu 20 Achsen an.
Dieter Bieler ist CEO bei ZUB Machine Control