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Hohe Flexibilität in wissenschaftlichen Anlagen und Geräten − mit PC-based Control

Um flexibel und präzise auf schnell wechselnde Anforderungen bei der Automatisierung von Maschinen und Anlagen im wissenschaftlichen Umfeld reagieren zu können, bedarf es eines breit gefächerten Produkt- und Lösungsspektrums. So besteht in großen wissenschaftlichen Forschungsanlagen die Anforderung, dass ein Messaufbau jederzeit kurzfristig geändert werden kann oder muss. Gleichzeitig soll der nächste Aufbau schnell verfügbar sein und hinsichtlich der Präzision und Auflösung höchsten Anforderungen genügen. Dies ist nur mit einer flexiblen Steuerungsplattform realisierbar, wie Beckhoff sie mit PC-based Control seit nunmehr 40 Jahren bietet. Als technologiegetriebenes Unternehmen überrascht Beckhoff seine Kunden immer wieder mit Innovationen, die einen qualitativen Sprung in der Automatisierung bedeuten, und versetzt sie in die Lage, von diesem Technologievorsprung zu profitieren.

PC-based Control bringt alle Funktionen, von der klassischen SPS über Motion Control bis zur Mess- und Sicherheitstechnik in der Software zum Ablauf. Dies hat zur Folge, dass sich die Steuerung schnell auf wechselnde Anforderungen adaptieren lässt. TwinCAT ist nicht nur die Software- und Engineering-Plattform für alle Automatisierungsvorgänge, sondern unterstützt auch die Programmierung von Hochsprachenanteilen. Hervorragend geeignet für Anwendungen in wissenschaftlichen Anlagen und Geräten ist auch das umfangreiche Programm an EtherCAT-Klemmen, das unterschiedliche I/O-Signale, Schnittstellen, Feldbusmaster/-slaves, Messmöglichkeiten und Motorsteuerungen umfasst. Aufgrund seiner Modularität unterstützt das I/O-System eine schlanke und flexibel erweiterbare Steuerungsarchitektur; die Nachrüstung von Funktionen durch Anreihen weiterer Klemmen ist zu jedem Zeitpunkt möglich. Die Skalierbarkeit sämtlicher Beckhoff-Komponenten in Bezug auf Leistung, Bauform und Preis erlaubt darüber hinaus eine exakt auf die Anwendung zugeschnittene Steuerungsauslegung.

Beckhoff-Technologie-Highlights für Anwendungen in der Wissenschaft

Das breite, skalierbare Produktangebot von Beckhoff in den Bereichen IPC, I/O-Klemmen, Antriebstechnik und Automatisierungssoftware gewährleistet die Entwicklung kosten- und leistungsoptimierter Automatisierungslösungen für alle Anwendungen in den Bereichen Wissenschaft und Forschung.
Das breite, skalierbare Produktangebot von Beckhoff in den Bereichen IPC, I/O-Klemmen, Antriebstechnik und Automatisierungssoftware gewährleistet die Entwicklung kosten- und leistungsoptimierter Automatisierungslösungen für alle Anwendungen in den Bereichen Wissenschaft und Forschung.

Hohe Flexibilität in wissenschaftlichen Anlagen und Geräten mit PC-based Control

Mit PC-based Control bietet Beckhoff für alle Bereiche der Automatisierung umfassende Systemlösungen in verschiedenen Leistungsklassen an. Das Grundsystem basiert auf einem leistungsfähigen Industrie-PC, einer performanten Feldbusanschaltung mit den angeschlossenen Peripheriegeräten für Sensorik und Aktorik sowie der Software für Engineering und Echtzeitsteuerung. Ergänzt wird die Steuerungsplattform durch ein umfangreiches Portfolio an Antriebstechnikkomponenten. Hoch skalierbar und modular lässt sich die Beckhoff-Steuerungs- und Antriebstechnik optimal an vielfältige Anwendungen anpassen. Die Automatisierungssoftware TwinCAT vereint alle notwendigen Maschinenfunktionalitäten wie SPS, Motion, Robotik, Messtechnik, Vision, Kommunikation, IoT-Funktionen und die HMI-Bediensoftware in einem einzigen Softwarepaket. Dies führt zu einem hohen funktionalen Nutzen und erlaubt die Realisierung von Spitzentechnologie bei gleichzeitig günstigen Gesamtkosten.

Alle Werkzeuge und Kommunikationsmöglichkeiten des PCs, wie Internetzugang, das Versenden von Emails aus der SPS usw. sind auch in der Industrie-Umgebung nutzbar; eine Kommunikation in die Steuerung wird über definierte Schnittstellen realisiert. Auch Kundensoftware ist über diese Schnittstelle ansprechbar. Die Unterstützung der gängigen Feldbussysteme und Softwareprotokolle garantiert darüber hinaus eine durchgängige horizontale und vertikale Kommunikation: von der Vernetzung der einzelnen Maschinen untereinander bis zur IT-Ebene und in die Cloud.

Beckhoff bietet verschiedene Methoden, um verteilte Steuerungen zu synchronisieren.
Beckhoff bietet verschiedene Methoden, um verteilte Steuerungen zu synchronisieren.

Synchronisation von verteilten Systemen mit PC-based Control und EtherCAT

In räumlich ausgedehnten Anlagen, wie zum Beispiel Teilchenbeschleunigern, Observatorien usw., besteht die Herausforderung, Aktoren zeitlich synchron zu steuern. Für eine systemweite Datensammlung ist es wichtig, den Zeitpunkt der Datengenerierung exakt zu kennen; nur so sind erweiterte Analysemethoden wie Condition Monitoring oder das Anlernen von neuralen Netzen realisierbar. Ziel ist es, eine bessere Regelung und bessere Datenweiterverarbeitung zu erreichen. Beckhoff bietet, je nach Applikationsanforderung, verschiedene Methoden, um verteilte Steuerungen mit unterschiedlichen Genauigkeiten zu synchronisieren:

  • Synchronisation im µ-Sekundenbereich über EtherCAT
    Mit dem von Beckhoff entwickelten Feldbussystem EtherCAT ist über die Funktion der „Distributed Clocks“ eine zeitliche Synchronisation im µ-Sekundenbereich möglich. Die verteilten Systeme sind mit einem EtherCAT-Master verbunden, der den Datenaustausch und die Synchronisierung verwaltet.

  • PTPv2 (Precision Time Protocol) zur Anbindung an eine PTP-Uhr
    Mit der Beckhoff EtherCAT-Klemme EL6688 ist eine Anbindung einer PTP-Uhr an eine Steuerung möglich. Steuerungen, die nicht mit einer echtzeitfähigen EtherCAT-Verbindung untereinander verbunden sind, können über das Netzwerkprotokoll miteinander synchronisiert werden. Die Synchronisierung erfolgt auf Basis von hochgenauen Uhren. Die Zeit wird mit dem PTPv2-Protokoll übertragen. Die Topologie kann für ein „Transparent Clock“ vorbereitetes Netzwerk oder eine-Punkt-zu-Punkt-Verbindung übertragen werden.

  • NTP (Network Time Protocol)
    In verteilten Systemen, in denen eine Zeitsynchronisierung im Millisekundenbereich benötigt wird, kann eine reine SNTP-Lösung eingesetzt werden. Über die TwinCAT-3.1-Funktion „Corrected Timestamps“ können die Uhren der Steuerungen über einen SNTP-Server synchronisiert werden. Um eine verbesserte Genauigkeit und Lastverteilung zu erreichen, kann eine Steuerung die Zeit per SNTP abfragen und mittels ADS weiteren Beckhoff-Steuerungen zur Verfügung stellen.

Beckhoff-Produkt-Highlights für Anwendungen in der Wissenschaft

Das breite Portfolio leistungsmäßig skalierbarer Antriebstechnik-Komponenten bietet, in Kombination mit den Motion-Control-Lösungen der Automatisierungssoftware TwinCAT, ein vollständiges Antriebssystem.
Das breite Portfolio leistungsmäßig skalierbarer Antriebstechnik-Komponenten bietet, in Kombination mit den Motion-Control-Lösungen der Automatisierungssoftware TwinCAT, ein vollständiges Antriebssystem.

Hochdynamisch, modular, skalierbar: die Beckhoff-Antriebstechnik

Die Beckhoff Antriebstechnik stellt, in Kombination mit den Motion-Control-Lösungen der Automatisierungssoftware TwinCAT, ein vollständiges Antriebssystem dar. Modular und hoch skalierbar bietet es für jeden Anwendungsbereich und jede Leistungsanforderung die richtige Lösung: von der ultrakompakten Servoklemme für die „kleine Antriebstechnik“ bis zu den EtherCAT-Servoverstärkern AX8000 und AX5000 für die mittlere bis obere Leistungsklasse. Die integrierte Regelungstechnik der AX-Baureihen unterstützt schnelle und hochdynamische Positionieraufgaben. Das umfangreiche Programm an linearen und rotatorischen Servomotoren ist dabei optimal auf die Servoverstärker zugeschnitten und eignet sich für mehrachsige Positionieraufgaben mit hoher Dynamik und Genauigkeit. Die Motorserie AM8000 zeichnet sich durch die One Cable Technology aus: Sie kombiniert Power- und Feedbacksignale in einem Standardmotorkabel, sodass sich Material- und Inbetriebnahmekosten reduzieren und Maschinen und Anlagen kompakter und leichter gebaut werden können. Durch eine optionale Multi-Feedbackkarte können weitere Gebersignale (BISS-C, EnDAT 2.2 u.a.) angeschlossen werden. Für Anwendungen, bei denen nur geringe Kräfte im Spiel sind, stellen die EtherCAT-Servoklemmen eine preiswerte und kompakte Alternative dar. Es stehen Lösungen bis 8 A im I/O-System sowie Anschlussmöglichkeiten für Schritt-, Servo-, DC- oder AC-Motoren in IP 20 oder IP 67 zur Verfügung. Die Schrittmotorsteuerungen über TwinCAT Motion Control und die EtherCAT-Servoverstärker im Klemmenformat sind optimal geeignet für den Einsatz im Forschungsanlagenbetrieb.

Wie bei EtherCAT profitiert der Anwender von der freien Topologiewahl und kann Linien-, Stern- und Baumstrukturen miteinander kombinieren, um seine Anlage möglichst kostengünstig und optimal auszulegen. Anders als beim klassischen Power-over-Ethernet (PoE) können bei EtherCAT P Teilnehmer kaskadiert angeschlossen und von einem Einspeisegerät versorgt werden.
Wie bei EtherCAT profitiert der Anwender von der freien Topologiewahl und kann Linien-, Stern- und Baumstrukturen miteinander kombinieren, um seine Anlage möglichst kostengünstig und optimal auszulegen. Anders als beim klassischen Power-over-Ethernet (PoE) können bei EtherCAT P Teilnehmer kaskadiert angeschlossen und von einem Einspeisegerät versorgt werden.

One Cable Technology minimiert Kabel- und Montagekosten

Jedes Kabel ist eines zu viel, sofern es technologisch eine bessere Alternative dazu gibt. Leitungen sind ein nicht unerheblicher Kostenfaktor im Maschinen- und Anlagenbau, sie müssen beschafft, projektiert, angeschlossen und im schlimmsten Fall konfektioniert werden. Im späteren Betrieb stellen Kabel insbesondere dann eine Fehlerquelle dar, wenn sie bewegt werden. Biege- und Torsionsbewegungen in Schleppketten und Robotern führen zu Verschleiß. Mit EtherCAT P werden diese Aufwendungen deutlich reduziert. Der One-Cable-Feldbus integriert die EtherCAT-Kommunikation sowie die System- und Peripheriespannung in einem Kabel und ermöglicht eine Stromversorgungsweiterleitung über die Teilnehmer. EtherCAT P ist das optimale Bussystem für die Sensorik, Aktorik und Messtechnik in der Wissenschaft und ihren großen und verteilten Forschungsanlagen. Komponenten, Klemmenkästen und Maschinenmodule müssen nur noch über ein Kabel verbunden werden. Modulare Maschinen- und Anlagenkonzepte lassen sich mit spürbar reduziertem Montage- und Inbetriebnahmeaufwand und sehr hoher Flexibilität umsetzen.

Dabei bleiben alle Vorteile von EtherCAT, wie freie Topologiewahl, hohe Geschwindigkeit, optimale Bandbreitennutzung, Verarbeitung der Telegramme im Durchlauf, hochgenaue Synchronisation, umfangreiche Diagnose etc., erhalten. Für verteilte Sensoren in großen, ausgedehnten Anlagen kann mit den EtherCAT-Box-Modulen in IP 67 im Bedarfsfall ganz auf Klemmkästen verzichtet werden.

EtherCAT P: der Highspeed-Feldbus mit „One-Cable-Vorsprung“:

  • optimiert für die direkte Anbindung von EtherCAT-P-Devices im Feld
  • weniger Verdrahtungsaufwand, kombiniert mit Zeitersparnis
  • weniger Fehlerquellen
  • kleinere Sensoren und Aktoren durch Wegfall der separaten Versorgungseinspeisung
  • einfache Verbindung von Komponenten

Mit einem breiten Spektrum an TwinSAFE-Logic-fähigen Komponenten bietet Beckhoff alle Freiheiten bei der Auslegung der Sicherheitsarchitektur.
Mit einem breiten Spektrum an TwinSAFE-Logic-fähigen Komponenten bietet Beckhoff alle Freiheiten bei der Auslegung der Sicherheitsarchitektur.
Mit TwinSAFE haben Maschinenbauer die Möglichkeit, unterschiedlichste Architekturen in verschiedenen Bauformen zu realisieren: von der Stand-alone-Steuerung über die verteilte Steuerung mit Vorverarbeitung von Daten direkt durch I/O-Klemmen bis hin zur systemintegrierten Softwaresteuerung für hochkomplexe Sicherheitsapplikationen.
Mit TwinSAFE haben Maschinenbauer die Möglichkeit, unterschiedlichste Architekturen in verschiedenen Bauformen zu realisieren: von der Stand-alone-Steuerung über die verteilte Steuerung mit Vorverarbeitung von Daten direkt durch I/O-Klemmen bis hin zur systemintegrierten Softwaresteuerung für hochkomplexe Sicherheitsapplikationen.

TwinSAFE integriert die Sicherheitstechnik in die Steuerung

Mit TwinSAFE hat Beckhoff ein durchgängiges Sicherheitskonzept umgesetzt, das sichere Funktionalitäten in die Standard-Steuerungsplattform integriert: von der SPS über die I/Os bis zur Antriebstechnik. Alle Safety-Funktionen, wie z. B. Not-Halt, Schutztürüberwachung, Zweihandbedienung, Trittmattenauswertung und Muting, sichere Position, sicher begrenzte Geschwindigkeit usw., sind mit der einheitlichen Engineering-Plattform TwinCAT programmier- bzw. konfigurierbar. Über die TwinSAFE-I/O-Module wird die Sicherheitstechnik nahtlos in den Klemmenstrang integriert, wobei sich die sicheren Signale beliebig mit den Standardsignalen mischen lassen.

Die typischen Sicherheitsfunktionen sind in einer TwinSAFE-Logic-Klemme, z. B. EL6910 oder der kompakten Safety-Steuerung EK1960, auf Basis von Standard-Safety-Funktionsbausteinen entsprechend den Sicherheitsanforderungen programmier- bzw. konfigurierbar. Alle Beckhoff-Sicherheitssteuerungen eignen sich für Anwendungen bis SIL 3 nach IEC 61508 bzw. Performance-Level e der ISO 13849-1. Die Sicherheitssteuerungen unterstützen komplexe, sichere analoge Auswertungen, z. B. zur sicheren Limitierung prozesstechnischer Größen, wie Drücke, Temperaturen oder Drehzahlen frequenzgeregelter Antriebe.

Mit Hilfe der TwinSAFE-SC-Technologie ist es möglich, in beliebigen Netzwerken bzw. Feldbussen Standardsignale für sicherheitstechnische Aufgaben zu qualifizieren. Hierzu stehen entsprechende EtherCAT-Klemmen zur Erfassung und zum sicheren Transport dieser Signale über EtherCAT zur Verfügung.

Große vernetzte Anlagen stellen besonders in Hinblick auf die Sicherheitstechnik große Herausforderungen an alle Beteiligten. Viele vernetzte Maschinen und Anlagenteile mit ihren eigenen Sicherheitsbereichen, verteilt auf große Flächen, erschweren den Überblick und machen spätere Erweiterungen und Anpassungen zu einer Herkulesaufgabe. TwinSAFE bietet die Möglichkeit, die Sicherheitsapplikation nach Bedarf vollständig oder teilweise zu dezentralisieren. Jede Maschine, jeder Anlagenteil − im Bedarfsfall jedes Aggregat − kann einfach mit einer eigenen Sicherheitslogik ausgestattet werden. Die TwinSAFE-Logik ist Bestandteil jeder sicheren Ein- oder Ausgangsklemme und auch vieler Antriebskomponenten. Mit ihr lassen sich problemlos autarke Sicherheitsbereiche schaffen, die untereinander kommunizieren können. Sofern prozesstechnisch notwendig, können Sektionen im laufenden Betrieb − obwohl Bestandteil der Sicherheitskette − einfach rückwirkungsfrei abgeschaltet werden. Während der Verwendung der Anlagen und der Inbetriebnahme können einzelne Aggregate und Maschinen von der jeweiligen Fachabteilung sicherheitstechnisch verifiziert und validiert werden.

Mess- und Prüftechnik

Präzise, schnell und zuverlässig: systemintegrierte Highend-Messtechnik für Prüfstand- und Maschinenbau