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PC-based Control optimiert die Vernetzung von Montagemaschinen, Produktionsumgebung und Robotik – vom Sensor in die Cloud

Die steigenden Anforderungen an Maschinen und Anlagen hinsichtlich der Integration von Vision, Energiemanagement, Erfassung von Maschinendaten u. v. m., gehen einher mit der Erwartung an erhöhte Qualität und Performance und einen entsprechend hohen Produktionsausstoß. Dies bringt viele − in der Vergangenheit bewährte − Lösungen an ihre Grenzen. Um auch in Zukunft international wettbewerbsfähig bleiben zu können, müssen erprobte Konzepte auf den Prüfstand gestellt werden. Hierzu gehören beispielsweise die Erstellungskosten, die mit der Zunahme an Schnittstellen zu diversen Systemen innerhalb einer Anwendung verbunden sind. Hier sind eine zeitgemäße Maschine-to-Maschine-Kommunikation und Cloud-Anbindung gefragt; d. h. der Maschinenbau ist gefordert, Produktionskonzepte auf der Basis von Industrie 4.0 in seine Maschinen zu integrieren.

Mit PC-based Control und der EtherCAT-Technologie bietet Beckhoff leistungsstarke Steuerungslösungen für Montageeinheiten, Handlingsysteme, Prüfeinrichtungen und Roboteranwendungen. Modular im Aufbau und exakt skalierbar in Bezug auf die Leistungsanforderungen eignet sich der PC-basierte Lösungsansatz gleichermaßen zur Steuerung und Überwachung einzelner Maschinen und kompletter Fertigungslinien: So können alle Produktionsschritte, wie z. B. Zuführen, Fügen (Schweißen, Kleben etc.), Montieren, Prüfen und Roboterintegration, durchgängig mit den Beckhoff Industrie-PCs als Hardwareplattform und der Automatisierungssoftware TwinCAT realisiert werden. Da alle Steuerungsfunktionen in Software abgebildet sind, lassen sich Produktionszellen oder Fertigungslinien mit geringem Engineering-Aufwand an wechselnde Anforderungen anpassen und neue Funktionalitäten integrieren. Ob Losgröße 1 oder Massenproduktion: Die Umstellung kann on „the fly“ erfolgen.

Offene Schnittstellen in Hard- und Software bieten dem Maschinenbauer darüber hinaus hohe Freiheitsgrade bei der Anlagenkonstruktion. Sie ermöglichen die Integration einer Vielzahl unterschiedlicher Geräte sowie die optimale Vernetzung von Maschinen und Anlagen für die M2M-Kommunikation. Als Treiber für die Entwicklung offener, kompatibler Automatisierungsschnittstellen unterstützt Beckhoff mit OPC UA und MQTT auch die Kommunikationsstandards für eine sichere Cloud-Anbindung und bietet entsprechende Softwaretools für die cloudbasierte Kommunikation und Datenanalyse. Produktionsoptimierung und -steigerung, Energieeffizienz, Condition Monitoring, Predictive Maintenance und Machine Learning werden damit zum integralen Teil der Maschinenautomatisierung.

Beckhoff-Technologie-Highlights für Montage, Handhabungstechnik und Robotik

Beckhoff Industrie-PCs mit modernster Mehrkerntechnologie als Hardwareplattform, die Software TwinCAT als Echtzeitsteuerung mit aktuell mindestens 50 µs Zykluszeit, EtherCAT, der aktuell performanteste Real-time-Ethernet-Ansatz weltweit sowie die Bündelung aller Maschinenfunktionalitäten in Software sorgen für eine signifikante Kostenreduktion vom Engineering bis in den Betrieb der Maschine oder Anlage.
Beckhoff Industrie-PCs mit modernster Mehrkerntechnologie als Hardwareplattform, die Software TwinCAT als Echtzeitsteuerung mit aktuell mindestens 50 µs Zykluszeit, EtherCAT, der aktuell performanteste Real-time-Ethernet-Ansatz weltweit sowie die Bündelung aller Maschinenfunktionalitäten in Software sorgen für eine signifikante Kostenreduktion vom Engineering bis in den Betrieb der Maschine oder Anlage.

PC-based Control: umfassende Systemlösungen in verschiedenen Leistungsklassen

Mit PC-based Control bietet Beckhoff für alle Automatisierungsaufgaben in den Bereichen Montage, Handhabung und Robotik umfassende Systemlösungen in verschiedenen Leistungsklassen an. Die PC-basierte Steuerung besteht aus einem Industrie-PC mit Multicore-Technologie, dem Real-time-Ethernet-System EtherCAT für die Feldebene sowie der Software TwinCAT für Engineering und Echtzeitsteuerung. Die Antriebstechnik mit Motoren und Verstärkern, inklusive der entsprechenden Softwaremodule, ist integrativer Bestandteil der Steuerungslösung. Modular im Aufbau und skalierbar hinsichtlich Leistung, Bauform und Preis lässt sich die Beckhoff-Steuerungs- und Antriebstechnik optimal an den Bedarf der jeweiligen Anwendung anpassen. Auf Basis der hohen Performance der Multi- und Many-Core-Prozessoren in den Industrie-PCs bringt die Automatisierungssoftware TwinCAT alle Maschinenfunktionen, wie SPS, HMI, Motion Control, Sicherheitstechnik, Robotik und Messtechnik, Vision, Kommunikation und IoT-Funktionen auf einer zentralen Plattform zum Ablauf. Offene Schnittstellen in Hard- und Software, die Unterstützung aller gängigen Feldbussysteme und Softwareprotokolle sowie eine integrierte IoT-Anbindung (z.B. über OPC UA oder MQTT) ermöglichen die durchgängige Kommunikation von der Feldebene bis in die Cloud. Auch das Energiemanagement entsprechend der Norm ISO50001 und Predictive Maintenance zur Qualitätssicherung von Maschinen und Produkten lässt sich einfach über entsprechende EtherCAT-Klemmen und TwinCAT-Softwaremodule realisieren. Ein weiteres Plus stellt die von Beckhoff erfundene und konsequent weiterentwickelte One Cable Technology für Control Panel, Antriebe, Feldbus-Box-Module und USVs dar, die den Planungs- und Verkabelungsaufwand sowie den Platzbedarf signifikant reduzieren. Zukünftiges Cloud Engineering und GBit-EtherCAT erweitern heutige Lösungen für zukünftige Anforderungen schon jetzt!

Die nahtlose Integration der Roboterkinematiken in die Steuerung macht nicht nur eine zusätzliche Roboter-CPU überflüssig, sondern sorgt auch für eine optimale Interaktion und Synchronisation mit der SPS und den bestehenden Motion-Control-Funktionen: Direkte Schnittstellen ersetzen die aufwendige Kommunikation zwischen unterschiedlichen Steuerungen und Systemen. Daraus resultieren eine hohe Performance und eine verbesserte Genauigkeit.
Die nahtlose Integration der Roboterkinematiken in die Steuerung macht nicht nur eine zusätzliche Roboter-CPU überflüssig, sondern sorgt auch für eine optimale Interaktion und Synchronisation mit der SPS und den bestehenden Motion-Control-Funktionen: Direkte Schnittstellen ersetzen die aufwendige Kommunikation zwischen unterschiedlichen Steuerungen und Systemen. Daraus resultieren eine hohe Performance und eine verbesserte Genauigkeit.

EtherCAT erhöht die Genauigkeit und den Durchsatz

EtherCAT ist die mit Abstand schnellste Industrial-Ethernet-Technologie und hat außerdem eine überragende Synchronisationsgenauigkeit in der Größenordnung von Nanosekunden. Natürlich profitieren davon alle Anwendungen, bei welchen über den Feldus geregelt oder auch gemessen wird. Aufgrund der deutlich verkürzten Reaktionszeit werden auch alle Applikationen, bei denen Weiterschaltbedingungen vorkommen, effizienter. Zudem entlastet die EtherCAT-Systemarchitektur die Steuerung: Bei gleicher Zykluszeit sind 25 bis 30% weniger CPU-Belastung im Vergleich zu anderen Bussystemen zu verzeichnen. Richtig eingesetzt führt die EtherCAT-Performance zu höherer Genauigkeit, mehr Durchsatz und damit zu niedrigeren Kosten.

  • Ansteuerung der Roboter-Kinematiken
    Mit TwinCAT Kinematic Transformation (TF511x) lassen sich verschiedene Roboterkinematiken aus TwinCAT heraus ansteuern. Bahnplanung und kinematische Transformationen werden direkt in TwinCAT durchgeführt. Eine Vielzahl an Kinematiken ist bereits vorhanden; auch die Integration von kundenspezifischen Konstruktionen ist möglich. Pick-and-place-Bewegungen können direkt aus der TwinCAT SPS heraus programmiert werden, wofür verschiedene Bibliotheken zur Auswahl stehen. Bahnbewegungen werden beispielsweise mit TwinCAT NC I nach DIN 66025 umgesetzt; d. h. es werden Konturen beschrieben, die mit dem Roboter abgefahren werden.
  • Direkte Ansteuerung von Pick-and-place-Robotern und XTS
    Eine CPU für alles: TwinCAT steuert das XTS und gleichzeitig den Delta-Roboter. Damit benötigt der Anwender nur eine Programmierumgebung, um die gesamte Anlage zu steuern. Durch den Verzicht auf die aufwendige Kommunikation zwischen verschiedenen Steuerungen werden die Taktzeiten optimiert.
  • Integration einer externen Robotersteuerung in TwinCAT
    Die TwinCAT Functions TF5120 und TF5130 als Erweiterung der Standard-TwinCAT-PLC (TC1200) bilden die Basis zur Ansteuerung von Knickarm- oder SCARA-Robotern. Dabei werden die Verfahrkommandos für den Roboter aus der SPS an die Robotersteuerung gesendet. Die definierten Schnittstellen für KUKA-Roboter mit mxAutomation (TF5120) und Stäubli-Roboter mit uniVAL PLC (TF5130) ermöglichen es, die Bewegungen des Roboters direkt aus TwinCAT heraus zu kommandieren. Der Vorteil für den Anwender: Bewegungsprofile der Roboteranwendung werden mit TwinCAT-PLC-Bausteinen programmiert und eine aufwändige, spezielle Roboterprogrammierung entfällt.
  • Steuerungskommunikation über das EtherCAT Automation Protocol (EAP)
    Die horizontale Kommunikation zwischen Robotern und Maschinen oder die Anbindung an einen zentralen Leitrechner kann sehr effizient über das EtherCAT Automation Protocol (EAP) erfolgen. EAP ermöglicht eine Echtzeitkommunikation im Millisekundentakt. Das Protokoll basiert auf einer klassischen Ethernet-Infrastruktur und kann über beliebige Ethernet-Medien – auch über Funk – übertragen werden.

EtherCAT P: Die One Cable Technology für die Feldebene minimiert Kabel- und Montagekosten.
EtherCAT P: Die One Cable Technology für die Feldebene minimiert Kabel- und Montagekosten.
Mit der One Cable Technology wird die Encoderleitung eingespart. Die Feedbacksignale werden digital über das vorhandene Standard-Motorkabel übertragen. Eine Reduzierung der Verdrahtungskosten um bis zu 50% ist möglich.
Mit der One Cable Technology wird die Encoderleitung eingespart. Die Feedbacksignale werden digital über das vorhandene Standard-Motorkabel übertragen. Eine Reduzierung der Verdrahtungskosten um bis zu 50% ist möglich.

OCT: One Cable Technologie(n) von Beckhoff optimieren die Maschinenkonstruktion

Jeder Maschinen- und Anlagenbauer kennt es: Weniger Verkabelung bedeutet weniger Aufwand, weniger Kosten, weniger Fehlerquellen – und in Summe zufriedenere Kunden! Mit der One Cable Technology hat Beckhoff hier eine Lösung geschaffen: So müssen weniger Kabel z. B. durch einen Kabelschlepp gezogen werden, was Zeit und Kosten spart. Durch den Wegfall der Feedbackleitung bei Motoren verringert sich der Einbauraum an der Maschine und im Schaltschrank und leistet so einen wichtigen Beitrag zu einem Maschinendesign mit geringerem Footprint.

EtherCAT P: die Einkabellösung für die Feldebene

Die One Cable Technology (OCT), beispielsweise zur Anbindung von Motoren, ist bereits seit Jahren ein von Beckhoff geprägter Standard, der die Material- und Inbetriebnahmekosten halbiert. Als konsequente Weiterentwicklung hat Beckhoff mit EtherCAT P die Einkabeltechnologie für die Feldebene auf den Markt gebracht. EtherCAT P kombiniert auf einem 4-adrigen Standard-Ethernet-Kabel die EtherCAT-Kommunikation mit der Leistungsversorgung für die angeschlossenen Verbraucher. Darüber hinaus ermöglicht EtherCAT P eine Stromversorgungsweiterleitung direkt über die Teilnehmer. Alle Vorteile von EtherCAT, insbesondere die freie Topologiewahl, bleiben erhalten. Die One Cable Automation vereinfacht die Systemverkabelung im Maschinenbau, da Komponenten, Klemmenkästen und Maschinenmodule mittels Hybridkabeln nur noch über ein Kabel verbunden werden müssen.

Beckhoff Servomotoren und Antriebe mit One Cable Technology sparen Platz im Schaltschrank

Die Beckhoff Servomotoren mit One Cable Technology haben den Servomarkt nachhaltig revolutioniert, da nur noch eine Anschlussleitung für Motorstrom und Encoder-Feedback benötigt wird. Das Multiachs-Servosystem AX8000 unterstützt OCT; in Verbindung mit den Servomotoren der Serien AM8000 (Standard), AM8500 (erhöhte Trägheit), AM8700 (eloxierte Oberfläche) und AM8800 (Edelstahl) reduziert sich die Verkabelung auf die obligatorische Motorleitung, über die dann auch die Feedbacksignale übertragen werden. Wie bei der sensorlosen Regelung entfällt der Einsatz einer zusätzlich erforderlichen Feedbackleitung. Alle nötigen Informationen zur Regelung werden störsicher und zuverlässig über eine digitale Schnittstelle übertragen.

CP-Link 4 – Der One Cable Display Link von Beckhoff ermöglicht die einfache Panel-Anbindung im Feld.
CP-Link 4 – Der One Cable Display Link von Beckhoff ermöglicht die einfache Panel-Anbindung im Feld.

OCT ermöglicht Maschinenbedienung über abgesetzte Control Panels

Mit CP-Link 4 kann der Abstand zwischen Bedienpanel und Industrie-PC bis zu 100 m betragen. Mit der Einkabellösung werden Videosignal, USB 2.0 und die Stromversorgung in einem Standard-CAT.6A-Kabel übertragen. Kabel- und Montagekosten werden damit reduziert. Ein weiterer Vorteil besteht im Einsatz von rein passiven Displays. Die CP-Link-4-Technologie wird von den Beckhoff Multitouch-Panel-Serien CP29xx-0010 (Einbau-Variante) und CP39xx-0010 (Tragarm-Variante) unterstützt.

Mit der XFC-Technologie (eXtreme Fast Control Technology) liefert Beckhoff eine extrem schnelle Steuerungslösung.
Mit der XFC-Technologie (eXtreme Fast Control Technology) liefert Beckhoff eine extrem schnelle Steuerungslösung.

Maximale Produktionseffizienz mit XFC

Mit der XFC-Technologie (eXtreme Fast Control Technology) präsentiert Beckhoff eine extrem schnelle Steuerungslösung: XFC basiert auf einer optimierten Steuerungs- und Kommunikationsarchitektur, die aus einem modernen Industrie-PC, ultraschnellen I/O-Klemmen mit erweiterten Echtzeiteigenschaften, dem Highspeed-Ethernet-System EtherCAT und der Automatisierungssoftware TwinCAT besteht. Mit XFC ist es möglich, I/O-Response-Zeiten < 100 μs zu realisieren. Diese Technologie eröffnet dem Anwender neue Möglichkeiten der Prozessoptimierung, die technisch bedingt, bisher nicht möglich waren.

TwinCAT Vision ist direkt in die Engineering-Umgebung von TwinCAT integriert: Alle aus der Bildverarbeitung abgeleiteten Steuerungsfunktionen, wie die exakte Positionsbestimmung des Werkstücks sowie das Auslösen der Kamera und der Lichtquelle, werden mit TwinCAT Vision in Echtzeit synchronisiert.
TwinCAT Vision ist direkt in die Engineering-Umgebung von TwinCAT integriert: Alle aus der Bildverarbeitung abgeleiteten Steuerungsfunktionen, wie die exakte Positionsbestimmung des Werkstücks sowie das Auslösen der Kamera und der Lichtquelle, werden mit TwinCAT Vision in Echtzeit synchronisiert.

TwinCAT Vision integriert die Bildverarbeitung in die Steuerung

Beckhoff als Spezialist für PC-based Control ergänzt mit TwinCAT Vision die seit vielen Jahren erfolgreiche TwinCAT-Welt um die integrierte Bildverarbeitung. Die Bildverarbeitung nimmt einen immer größeren Stellenwert ein und wird für Maschinenbauer und deren Kunden zunehmend zum entscheidenden Qualitätskriterium: bei Industrie-4.0-Anwendungen, für die Qualitätsoptimierung oder für Track-and-Trace-Funktionalitäten.

Der Ansatz der PC-basierten Steuerungstechnik bietet hier die ideale Lösung: Neben SPS, Motion Control, Robotik, Highend-Messtechnik, IoT und HMI wird mit TwinCAT Vision nun auch die Bildverarbeitung auf einer einheitlichen Steuerungsplattform integriert. Das vereinfacht das Engineering deutlich, weil die Konfiguration bzw. die Programmierung in der gewohnten Umgebung erfolgt. Zugleich lassen sich alle aus der Bildverarbeitung abgeleiteten Steuerungsfunktionen in einer Runtime exakt in Echtzeit synchronisieren. Latenzzeiten entfallen; alle Bildalgorithmen werden in Echtzeit ausgeführt. Hier zeigt sich der enorme Qualitätsvorsprung gegenüber herkömmlichen Vision-Lösungen: Maschinenbauer können mit TwinCAT Vision alle Bildverarbeitungsaufgaben direkt in die Gesamtsteuerung integrieren. Das Ergebnis sind zeitgemäße Maschinenkonzepte, die künftigen Marktanforderungen entsprechen und die Wettbewerbsfähigkeit und Investitionssicherheit der eigenen Produkte erhöhen.

EtherCAT G ist die Fortführung des EtherCAT Erfolgsprinzips in nun technologisch verfügbaren Geschwindigkeiten mit 1 GBit/s und 10 GBit/s. Das EtherCAT-Protokoll selbst bleibt dabei unverändert.
EtherCAT G ist die Fortführung des EtherCAT Erfolgsprinzips in nun technologisch verfügbaren Geschwindigkeiten mit 1 GBit/s und 10 GBit/s. Das EtherCAT-Protokoll selbst bleibt dabei unverändert.

Neue Performance-Level: mit EtherCAT G und G10

EtherCAT G ist die Fortführung des EtherCAT-Erfolgsprinzips in nun technologisch verfügbaren Geschwindigkeiten mit 1 GBit/s und 10 GBit/s. Das EtherCAT-Protokoll selbst bleibt dabei unverändert. Das vom EtherCAT-Master ausgesandte Telegramm durchläuft alle Teilnehmer. Jeder EtherCAT-Slave liest die an ihn adressierten Ausgangsdaten „on the fly“ und legt seine Eingangsdaten in den weitergeleiteten Frame – jetzt mit 1 bzw. 10 GBit/s. Das Telegramm wird nur durch Hardware-Durchlaufzeiten verzögert. Der letzte Teilnehmer eines Segments (oder Abzweigs) erkennt einen unbenutzten Port und sendet das Telegramm zum Master zurück – hierbei wird die Full-Duplex-Eigenschaft der Ethernet-Physik ausgenutzt.

Auch alle anderen Eigenschaften von EtherCAT bleiben bei EtherCAT G/G10 vollständig erhalten. Geräte mit drei oder vier Ports (Junctions) ermöglichen flexible Topologien, so, wie sie von der Maschinenarchitektur gefordert werden. Optionale Maschinenmodule können weiterhin per Hot Connect je nach Bedarf an oder abgesteckt werden. Eine netzwerkweite Diagnose hilft, Stillstandszeiten der Maschine zu miniminieren und erhöht somit die Verfügbarkeit. Selbstverständlich sorgt das integrierte Konzept der verteilten Uhren (Distributed Clocks) auch weiterhin für Synchronisierungsgenauigkeiten besser als 100 ns zwischen den Teilnehmern.

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.

TwinSAFE ermöglicht die Integration der Sicherheitstechnik in alle Applikationen

Für die sicherheitstechnischen Anforderungen in der gesamten Maschinenautomation stellt Beckhoff mit TwinSAFE eine in Soft- und Hardware skalierbare, zertifizierte Sicherheitslösung zur Verfügung. Aufgrund ihrer Modularität und Vielseitigkeit fügen sich die TwinSAFE-Komponenten nahtlos in das Beckhoff-Steuerungssystem ein. Die I/O-Komponenten sind in den Formaten Busklemme, EtherCAT-Klemme, EtherCAT-Steckmodul und EtherCAT-Box-Modul verfügbar und können für Applikationen bis SIL 3 nach EN 61508:2010 und Kat 4, PL e nach DIN EN ISO 13849-1:2016-06 eingesetzt werden.

Auch auf dem Gebiet der Antriebstechnik sind Lösungen ohne sicherheitstechnische Funktionalität kaum mehr denkbar. So hat Beckhoff schon früh damit begonnen, TwinSAFE-Motion-Funktionen in seine Antriebssysteme zu integrieren – sowohl in die Standard- als auch in die kompakte Antriebstechnik. Durch die Möglichkeit, die sicherheitsrelevanten Signale mit einem Standard-Bussystem zu übertragen, ergeben sich erhebliche Vorteile in den Bereichen Planung, Installation, Betrieb, Wartung, Diagnose und bei den Kosten. Die sicherheitstechnische Applikation wird in der TwinCAT-Software konfiguriert bzw. programmiert und anschließend über den Feldbus auf eine TwinSAFE-Logic-Komponente übertragen. Sie bildet das Herzstück des TwinSAFE-Systems. Alle in der Anlage befindlichen Sicherheitsgeräte kommunizieren mit der Logic-Komponente.

Mithilfe der TwinSAFE-SC-Technologie (TwinSAFE Single Channel) ist es möglich, in beliebigen Netzwerken bzw. Feldbussen Standardsignale für sicherheitstechnische Aufgaben nutzbar zu machen. Dazu werden EtherCAT-I/Os aus den Bereichen Analog-Eingang, Winkel-/Wegmessung oder Kommunikation (4…20 mA, Inkremental-Encoder, IO-Link usw.) um die TwinSAFE-SC-Funktion erweitert. Die signaltypischen Eigenschaften und Standard-Funktionalitäten der I/O-Komponenten bleiben dabei erhalten. TwinSAFE-SC-I/Os unterscheiden sich optisch von Standard-I/Os durch einen gelben Streifen auf der Gehäusefront.

Beckhoff-Produkt-Highlights für die Montage, Handhabungstechnik und Robotik

Mit den Embedded-PCs der Serie CX kombiniert Beckhoff die PC-Technik mit der modularen I/O-Ebene auf der Hutschiene im Schaltschrank. Aufgrund der feinen Skalierbarkeit der unterschiedlichen Geräteklassen kann der Anwender genau die zu seiner Applikation passende Leistungskategorie auswählen. Die kompakte Bauform der Embedded-PC-Geräte wird von der Serie der Ultrakompakt-Industrie-PCs noch unterboten und eignet sich daher als Alternative, insbesondere wenn es um die Minimierung von Einbauraum geht.
Mit den Embedded-PCs der Serie CX kombiniert Beckhoff die PC-Technik mit der modularen I/O-Ebene auf der Hutschiene im Schaltschrank. Aufgrund der feinen Skalierbarkeit der unterschiedlichen Geräteklassen kann der Anwender genau die zu seiner Applikation passende Leistungskategorie auswählen. Die kompakte Bauform der Embedded-PC-Geräte wird von der Serie der Ultrakompakt-Industrie-PCs noch unterboten und eignet sich daher als Alternative, insbesondere wenn es um die Minimierung von Einbauraum geht.

Modulare Hutschienen-Industrie-PCs für alle Leistungsklassen

Mit den Embedded-PCs der Serie CX kombiniert Beckhoff PC-Technik mit der modularen I/O-Ebene zu einer platzsparenden Industriesteuerung auf der Hutschiene. Skalierbar hinsichtlich ihrer Leistung sind die Embedded-Controller für Steuerungsaufgaben in allen Leistungsbereichen geeignet. Serienmäßig können an jeden Embedded-PC rechtseitig Klemmen aus dem umfangreichen Beckhoff I/O-Sortiment angereiht und je nach Aufgabenstellung zusammengestellt werden. Die Klemmen werden einfach an den Embedded-PC angesteckt; die Kontaktierung erfolgt beim Einrasten, ohne einen weiteren Handgriff. Durch den direkten Anschluss der I/O-Ebene entfallen Kosten für zusätzliche Koppler und der Verdrahtungsaufwand wird verringert. Durch ihre kompakte Bauform tragen die Embedded-Controller dazu bei, Schaltschränke und Klemmenkästen kleiner und wirtschaftlicher zu gestalten.

Als Anbieter skalierbarer Antriebstechnik liefert Beckhoff ein umfangreiches Hard- und Softwareportfolio für alle Antriebskonzepte, Preisklassen und Anwendungsbereiche: Die Motion-Control-Lösungen der Automatisierungssoftware TwinCAT werden ergänzt durch ein breites Spektrum an Servomotoren sowie Antriebsreglern, die vom kompakten Servoantrieb im Klemmenformat bis zum Servoverstärker AX8000 für hochdynamische Positionieraufgaben reichen.
Als Anbieter skalierbarer Antriebstechnik liefert Beckhoff ein umfangreiches Hard- und Softwareportfolio für alle Antriebskonzepte, Preisklassen und Anwendungsbereiche: Die Motion-Control-Lösungen der Automatisierungssoftware TwinCAT werden ergänzt durch ein breites Spektrum an Servomotoren sowie Antriebsreglern, die vom kompakten Servoantrieb im Klemmenformat bis zum Servoverstärker AX8000 für hochdynamische Positionieraufgaben reichen.
Intelligenter Produkttransport mit XTS und XPlanar
Intelligenter Produkttransport mit XTS und XPlanar

Skalierbare Antriebstechnik für Roboter und Montagezellen

Die Antriebsanforderungen in Produktionsmaschinen und im Umfeld von Roboterzellen entwickelten sich in den letzten Jahren rasant. Wo früher noch ein Handrad für eine Formatverstellung ausreichte oder Pneumatikantriebe viel Aufwand für einfache Bewegungen zur Folge hatten, kommen heute Schritt- oder Servoantriebe zum Einsatz. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Anforderungen an die Antriebstechnik der Maschine gestellt − konstant ist nur der Bedarf nach einem hohen Maß an Präzision und Geschwindigkeit.

Die skalierbaren Antriebslösungen von Beckhoff decken einen breiten Anwendungsbereich ab: von den DC- oder Schrittmotoren über die kompakten Servomotorklemmen bis zu den leistungsstarken Servoverstärkern der AX5000- und AX8000-Baureihe. Hinsichtlich Bauform und Leistung exakt skalierbar, ermöglichen sie die Realisierung optimierter Antriebskonzepte für rotatorische Anwendungen. Das lineare Transportsystem XTS und das eXtended Planarmotorsystem XPlanar setzen neue Maßstäbe in der Antriebstechnik und eröffnen völlig neue Anwendungsszenarien. Die herausragende Performance von EtherCAT ermöglicht die ideale Anbindung an die PC-basierte Steuerungstechnik und unterstützt die Koppelung zu anderen Kommunikationssystemen. Über die TwinCAT-Motion-Funktionsbausteine lassen sich Kinematiken und Positionieraufgaben komfortabel realisieren. Bei Roboteranwendungen und Handlingsmaschinen müssen eine Vielzahl von Achsen einzeln bewegt oder korrespondierend zueinander positioniert und hochdynamisch verfahren werden. Hierfür ist die integrierte, schnelle Regelungstechnik der Servoverstärker-Baureihe AX5000 und des Multiachs-Servosystems AX8000 prädestiniert. Das flexible Konzept mit 1- oder 2-Kanal-Achsmodulen sowie die variable Motorleistungsaufteilung bieten eine kostenoptimierte Lösung insbesondere bei Handlingsystemen. Mit der One Cable Technology der Servomotorserie AM8000, bei der Power- und Sensorleitung in einem Standard-Motorkabel zusammengefasst sind, werden Verkabelungsaufwand und Inbetriebnahmekosten verringert. Durch die integrierte Sicherheitstechnik erfüllt das Antriebsportfolio von Beckhoff die hohen Anforderungen an die Maschinensicherheit und erleichtert die Steuerungskonfiguration in den unterschiedlichsten Anwendungen.

Das lineare Transportsystem XTS ermöglicht einen individuellen Produkttransport.
Das lineare Transportsystem XTS ermöglicht einen individuellen Produkttransport.
XPlanar vereinfacht einzelne Produktionsschritte signifikant, weil die in der Robotik gewohnten Freiheitsgrade und Genauigkeiten hier auch für den Produkttransport verwendet werden können. Die Produktpositionierung während der Bearbeitung wird in das Transportsystem übernommen.
XPlanar vereinfacht einzelne Produktionsschritte signifikant, weil die in der Robotik gewohnten Freiheitsgrade und Genauigkeiten hier auch für den Produkttransport verwendet werden können. Die Produktpositionierung während der Bearbeitung wird in das Transportsystem übernommen.

Intelligenter Produkttransport mit XTS und XPlanar

Mit dem linearen Transportsystem XTS bietet Beckhoff eine bewährte Antriebslösung, bei der sich magnetisch angetriebene Mover entlang einer Fahrstrecke aus vollintegrierten Motormodulen bewegen. Ein Industrie-PC mit der Automatisierungssoftware TwinCAT ermöglicht die unabhängige Ansteuerung der Mover mit individuellen Bewegungsprofilen. Daraus ergeben sich viele systembedingte Vorteile: Das Transportsystem ist sofort nach der Montage betriebsbereit, da Leistungselektronik und Wegerfassung in den XTS-Motormodulen enthalten und die Mover vollkommen passiv sind. Durch verschiedene Geometrien der Motormodule kann sowohl eine offene als auch eine in sich geschlossene Fahrstrecke erstellt und der Maschinenfootprint durch individuelle Bahnverläufe verkleinert werden. Das XTS ersetzt dabei nicht nur herkömmliche Förderbänder, es ermöglicht vielmehr ein neuartiges Design der gesamten Maschine. Mit den flexiblen Bewegungsprofilen lassen sich einfache bis hoch komplexe Abläufe realisieren und somit der gesamte Fertigungsprozess optimieren.

Das eXtended Planarmotorsystems XPlanar kombiniert viele Vorteile herkömmlicher Transporttechnologien in einem System und ergänzt den Produkttransport um einen Schwebeeffekt. Daraus resultieren vollständig neue Möglichkeiten zum Handling von Produkten innerhalb einer Maschine und auch zwischen mehreren Maschinen. Analog zu fahrerlosen Transportsystemen profitiert der Anwender von der Bewegungsfreiheit der Objektträger: Einzelne Güter können über beliebige Wege an beliebige Orte transportiert werden. Diese Flexibilität vereint XPlanar mit der Dynamik klassischer Linearmotoren und bietet Mehrwert durch die taktzeitoptimierte Verknüpfung einzelner Produktionsschritte. XPlanar vereinfacht einzelne Produktionsschritte signifikant, weil die in der Robotik gewohnten Freiheitsgrade und Genauigkeiten hier auch für den Produkttransport verwendet werden können. Die Produktpositionierung während der Bearbeitung wird in das Transportsystem übernommen. Der Schwebeeffekt ersetzt sämtliche mechanischen Führungskomponenten und reduziert Reinigungs- und Wartungsaufwand drastisch.

Der Servomotor AMP8000 mit direkt integriertem Servoverstärker ebnet den Weg zur Minimierung des Schaltschranks. Bei nahezu identischer Baugröße bleiben die Leistungswerte des Motors unverändert. Die Reduktion auf ein einziges Koppelmodul, welches über ein Kabel mehrere Servomotoren bedient, spart Material, Platz, Kosten und Montageaufwand.
Der Servomotor AMP8000 mit direkt integriertem Servoverstärker ebnet den Weg zur Minimierung des Schaltschranks. Bei nahezu identischer Baugröße bleiben die Leistungswerte des Motors unverändert. Die Reduktion auf ein einziges Koppelmodul, welches über ein Kabel mehrere Servomotoren bedient, spart Material, Platz, Kosten und Montageaufwand.
Mit der EtherCAT-Box EP7402 lassen sich die Steuerungsarchitektur und Verkabelung von Rollenbahnsystemen deutlich effizienter gestalten. Dieser kompakte Motor-Controller für BLDC-Motoren eignet sich mit der hohen Schutzart IP 67 ideal für Förderaufgaben in der Montagetechnik.
Mit der EtherCAT-Box EP7402 lassen sich die Steuerungsarchitektur und Verkabelung von Rollenbahnsystemen deutlich effizienter gestalten. Dieser kompakte Motor-Controller für BLDC-Motoren eignet sich mit der hohen Schutzart IP 67 ideal für Förderaufgaben in der Montagetechnik.

Modulares Designkonzept für größtmögliche Flexibilität und Platzersparnis

Das dezentrale Servoantriebssystem AMP8000 integrieret den Servoantrieb in kompakter Bauform in den Servomotor. Durch die Verlagerung der Leistungselektronik direkt an die Maschine reduziert sich der Platzbedarf im Schaltschrank auf ein einziges Koppelmodul (AX8830), das mit nur einem Kabel über ein Verteilermodul (AMP8800) mehrere Servoantriebe versorgt. Damit wird der Footprint der Anlage reduziert, und es eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Realisierung modularer Maschinenkonzepte. Materialkosten, Montage- und Zeitaufwand werden eingespart sowie die Fehlerhäufigkeit bei der Installation minimiert. Durch Wegfall der Versorgungseinspeisung lassen sich aber auch Sensoren und Aktoren kleiner dimensionieren; der benötigte Einbauraum in Schleppketten, Schaltschränken und in der Maschine selbst wird reduziert. Eine weitere Ausbaustufe auf dem Weg zur schaltschranklosen Maschine wird durch den Einsatz des Versorgungsmoduls AMP8620 erreicht. Hier entfällt der Anschluss an den Schaltschrank komplett.

Die EtherCAT-Box EP7402 bietet zwei Ausgänge mit integriertem Controller zum direkten Anschluss von 24-V-DC-Rollenmotoren oder anderen BLDC-Motoren und übernimmt die komplette Steuerung unabhängig vom Hersteller des Förderers oder des Motors.

TwinCAT ist die durchgängige Plattform für Engineering, Steuerung, Messtechnik, Diagnose und Analysefunktionen.
TwinCAT ist die durchgängige Plattform für Engineering, Steuerung, Messtechnik, Diagnose und Analysefunktionen.

TwinCAT integriert sämtliche Engineering- und Runtime-Prozesse auf einer zentralen Softwareplattform und reduziert Engineeringzeit und Kosten

TwinCAT ist die durchgängige Plattform für Engineering, Steuerung, Messtechnik, Vision, Diagnose und analytische Funktionen wie Machine Learning. Die Unterstützung aller gängigen Feldbussysteme und Softwareprotokolle garantiert eine durchgängige Kommunikation von der IT- bis in die Feldebene. Mit der IEC 61131-3, C/C++ sowie einer offenen Schnittstelle zu MATLAB®/Simulink® stehen für jede Aufgabenstellung geeignete Programmiersprachen zur Verfügung. Zahlreiche SPS-Bibliotheken mit Bausteinen nach dem PLCopen-Motion-Control-Standard erleichtern die Programmierung. Die Multi- und Many-Core-Fähigkeit von TwinCAT 3 führt zu einer erheblichen Performancesteigerung: So lassen sich beispielsweise umfangreiche Datenanalysen, Bildverarbeitung und Robotikanwendungen ohne Leistungseinbußen in der Steuerung ausführen.

  • Robotik- und Motion-Control-Funktionen sind mit TwinCAT NC PTP (Achspositionierung Punkt-zu-Punkt) oder TwinCAT NC I (Achsinterpolation in drei Dimensionen) auf einer Plattform synchronisierbar. Alle NC-Eigenschaften, wie z. B. „Kurvenscheiben“ oder „Fliegende Säge“, sind auf der durchgängigen Hard- und Softwareplattform miteinander kombinierbar. Mit TwinCAT lässt sich nahezu jede Roboterkinematik in normaler SPS-Programmiersprache programmieren. Dadurch ist ein effizientes Engineering garantiert und die Kosten werden gesenkt. Die Einbindung von C- und C++-Code macht es außerdem möglich, einfach eigene Roboterkinematiken zu entwickeln und in das Gesamtsystem zu integrieren; MATLAB®/Simulink® ermöglicht die einfache Verwendung bestehender Modelle z. B. für Regler.
  • Mit Hilfe der etablierten Sicherheitstechnik TwinSAFE wird die sicherheitstechnische Realisierung komplexer Anlagen vereinfacht; Varianten können einfach in Software abgebildet werden. Damit lassen sich zum Beispiel Produktionszellen modular entwickeln und in Betrieb setzen.
  • Die integrierte, webbasierte Visualisierungslösung TwinCAT HMI ermöglicht die komfortable Entwicklung und Pflege von Benutzeroberflächen. Die Präsentation der Informationen erfolgt entweder an den Maschinen und Anlagen oder via Internet über Webbrowser.
  • TwinCAT Vision integriert die Bildverarbeitung direkt in die Steuerungsplattform. Dies vereinfacht das Engineering deutlich, weil die Konfiguration bzw. die Programmierung in der gewohnten TwinCAT-Umgebung erfolgt. Zugleich lassen sich alle aus der Bildverarbeitung abgeleiteten Steuerungsfunktionen in einer Runtime exakt in Echtzeit synchronisieren. Latenzzeiten entfallen; alle Algorithmen der Bildverarbeitung werden in Echtzeit ausgeführt.
  • TwinCAT IoT unterstützt standardisierte Kommunikationsprotokolle für Cloud-Anwendungen und liefert damit die Voraussetzung für die Datenaggregation in der Cloud oder lokal in der Fertigungsstätte.
  • Mithilfe von TwinCAT Analytics können die gesammelten Daten spezifisch ausgewertet werden.
  • TwinCAT Cloud Engineering erlaubt die Verwendung der bekannten TwinCAT-Engineering- und Runtime-Produkte direkt in der Cloud.
  • Die TwinCAT-Schnittstellen zu Machine-Learning-Algorithmen erlauben die Nutzung von KI-Methoden im traditionellen Steuerungsumfeld.

TwinCAT unterstützt alle gängigen Roboterkinematiken in Software.
TwinCAT unterstützt alle gängigen Roboterkinematiken in Software.

TwinCAT unterstützt alle gängigen Roboterkinematiken in Software

TwinCAT Kinematic Transformation integriert die gesamte Robotersteuerung in die Automatisierungssoftware, sodass SPS, Motion Control und Robotik auf einem Industrie-PC ausgeführt werden. Neben dem kartesischen Portal, serieller sowie paralleler 2-D-Kinematiken und 3-D-Delta-Kinematiken stehen auch 6-Achs-Kinematiken und weitere zur Verfügung. Die Auswahl und Parametrierung der jeweiligen Kinematik erfolgt komfortabel im TwinCAT System Manager. Dort werden im Kinematikkanal der Typ (z. B. Delta oder SCARA) angegeben und die jeweiligen Eigenschaften (Stablängen, Versätze) parametriert. Für eine Dynamikvorsteuerung können Massen und Massenträgheiten angegeben werden. Zusätzlich können Nutzer Tracking-Funktionalitäten implementieren, für die vorgefertigte Bausteine zur Verfügung stehen. Dabei wird der Roboter auf ein bewegtes Objekt aufsynchronisiert, um z. B. Werkstücke von Förderbändern oder von schräg liegenden Drehtellern zu greifen.

Mit TwinCAT Kinematic Transformation sind verschiedene parallele und serielle Kinematiken, wie sie beispielsweise für Pick-and-place-Aufgaben genutzt werden, einfach realisierbar. Der Roboter fungiert als EtherCAT-Slave, d. h. die Kommunikation zur Beckhoff-Steuerung erfolgt über EtherCAT. Die nahtlose Integration der Roboterkinematiken in die Steuerung macht nicht nur eine zusätzliche Roboter-CPU überflüssig, sondern sorgt auch für eine optimale Interaktion und Synchronisation mit der SPS und den bestehenden Motion-Control-Funktionen: Direkte Schnittstellen ersetzen die aufwendige Kommunikation zwischen unterschiedlichen Steuerungen und Systemen. Daraus resultieren eine hohe Performance sowie eine verbesserte Genauigkeit.

Einfach und schnell konfigurierbar, stellt TwinCAT IoT, zusammen mit einem Industrie- oder Embedded-PC als IoT-Controller, eine nahtlose Verbindung zwischen dem Internet of Things und dem Internet of Services her. Eingebaute Sicherheitsmechanismen verhindern den Missbrauch von Daten durch unbefugten Zugriff und schützen das geistige Eigentum des Unternehmens.
Einfach und schnell konfigurierbar, stellt TwinCAT IoT, zusammen mit einem Industrie- oder Embedded-PC als IoT-Controller, eine nahtlose Verbindung zwischen dem Internet of Things und dem Internet of Services her. Eingebaute Sicherheitsmechanismen verhindern den Missbrauch von Daten durch unbefugten Zugriff und schützen das geistige Eigentum des Unternehmens.

Vom Sensor in die Cloud: IoT und Industrie 4.0 mit PC-basierter Steuerungstechnik

Für die Kommunikation zwischen der Maschinensteuerung und cloudbasierten Diensten hat Beckhoff die Connectivity-Produktfamilie TwinCAT IoT entwickelt. Sie unterstützt die standardisierten Protokolle OPC UA, AMQP, MQTT und HTTPS zur Kommunikation mit den gängigen Cloud-Systemen, wie Microsoft Azure™, Amazon Web Services sowie Private-Cloud-Systeme im unternehmenseigenen Netzwerk. Einfach und schnell konfigurierbar, stellt TwinCAT IoT, zusammen mit einem Industrie- oder Embedded-PC als IoT-Controller, eine nahtlose Verbindung zwischen dem Internet of Things und dem Internet of Services her. Eingebaute Sicherheitsmechanismen verhindern den Missbrauch von Daten durch unbefugten Zugriff und schützen das geistige Eigentum des Unternehmens. Über die TwinCAT Analytics Library werden die Prozessdaten synchron zum Maschinenzyklus aufgezeichnet und ausgewertet und können u. a. für Predictive-Maintenance und Maschinenoptimierungszwecke genutzt werden. Aus den gespeicherten Daten lassen sich mit den entsprechenden Analysewerkzeugen alle notwendigen Informationen ableiten, um die Maschine energetisch oder hinsichtlich des Prozessablaufs zu optimieren. Post-Mortem-Analysen, Diagnose sporadischer Fehler, frühzeitige Detektierung von Qualitätseinbußen und Erkennung von Produktionsengpässen erhöhen die Anlagenzuverlässigkeit und -verfügbarkeit. Die Datenanalyse liefert dem Hersteller ggf. auch umfangreiche Kenntnisse über das Betriebsverhalten seiner Maschine, die er – mit dem Ziel der Kostensenkung und einer idealen Maschinenauslegung – bei zukünftigen Konstruktions- und Fertigungsprozessen nutzen kann.

Beckhoff-Technologie unterstützt aber auch die Nachrüstung existierender Maschinen und Anlagen. Hierfür stehen unterschiedliche Hardware- und Softwareprodukte zur Verfügung, wie der ultra-kompakte Industrie-PC C6015 mit OPC-UA-Schnittstelle, der nachträglich in einen existierenden Schaltschrank eingebaut werden kann und so die Anbindung an die Cloud ermöglicht. Je nach Anwendungsfall kann diese Lösung auch als Edge Device zur Vorverarbeitung, Datenkonzentration sowie zur Datenübertragung genutzt werden. Für die direkte Erfassung von digitalen oder analogen Prozesswerten steht der IoT-Koppler EK9160 zur Verfügung. Er eignet sich insbesondere zur Nachrüstung von Maschinen und ermöglicht mithilfe eines vorkonfigurierten Netzwerkzugangs eine unkomplizierte Datenübertragung via MQTT oder OPC UA in übergeordnete Systeme.

Um ältere Maschinengenerationen für die Anforderungen der digitalen Fabrik fit zu machen, eignet sich der Ultra-kompakt-Industrie-PC C6015. Im Einsatz als IoT-Edge Device übernimmt er das Verdichten und Sammeln der Daten. Der ultra-kompakte IP-65/67-Rechner C7015 (links) lässt sich auch unter beengten Platzverhältnissen vor Ort an der Maschine montieren.
Um ältere Maschinengenerationen für die Anforderungen der digitalen Fabrik fit zu machen, eignet sich der Ultra-kompakt-Industrie-PC C6015. Im Einsatz als IoT-Edge Device übernimmt er das Verdichten und Sammeln der Daten. Der ultra-kompakte IP-65/67-Rechner C7015 (links) lässt sich auch unter beengten Platzverhältnissen vor Ort an der Maschine montieren.

C6015 als leistungsfähiges IoT-Edge-Device zur Nachrüstung älterer Maschinen

Moderne, auf Industrie 4.0 bzw. das Internet of Things (IoT) ausgerichtete Anlagenkonzepte bieten zahlreiche Vorteile hinsichtlich Prozesseffizienz, -kosten und -qualität. Für die standardisierte Kommunikation zwischen Maschinen und Leitrechnern und zur sicheren Datenübertragung in Cloud-Systeme hat Beckhoff OPC-UA-Schnittstellen in seine Automatisierungsplattform integriert. Ältere Maschinengenerationen lassen sich mit dem Ultra-kompakt-Industrie-PC C6015 für die Erfordernisse der digitalen Fabrik fit machen. Als kompaktes und leistungsfähiges IoT Edge Device übernimmt er das Verdichten und Sammeln der Daten.

Da bei Maschinen im Feld häufig der Einbauraum für zusätzliche Steuerungskomponenten fehlt, bietet Beckhoff für diesen Fall die Ultra-kompakt-Industrie-PCs aus der Serie C70xx in der Schutzklasse IP 65/67 an. Der C7015 wird außen an die Maschine montiert. Über die EtherCAT-P-Schnittstelle werden Sensoren, zum Beispiel für Condition Monitoring, mit Hilfe der EtherCAT-P-Box-Module eingelesen. So ist eine schnelle, unkomplizierte Nachrüstung vorhandener Anlagen mit standardisiertem Zugang in die Cloud möglich.

Workflow von der Datenaufnahme über das Training bis hin zur Integration des trainierten ML-Modells in die TwinCAT 3 Runtime (XAR).
Workflow von der Datenaufnahme über das Training bis hin zur Integration des trainierten ML-Modells in die TwinCAT 3 Runtime (XAR).

Machine Learning für alle Bereiche der Automatisierung

Beckhoff bietet eine in TwinCAT 3 nahtlos integrierte Lösung für Maschinelles Lernen (ML). Dabei sind die von PC-based Control gewohnten Vorteile der Systemoffenheit durch die Nutzung etablierter Standards auch für ML-Anwendungen gegeben. Zudem wird das Machine Learning in Echtzeit realisiert, sodass sich die TwinCAT-Lösung z. B. auch für den anspruchsvollen Motion-Bereich eignet. Auf diese Weise erhält der Maschinenbauer die optimale Grundlage zur Steigerung der Maschinenperformance.

Grundidee des Maschinellen Lernens ist es, Lösungen für bestimmte Aufgaben nicht mehr durch klassisches Engineering zu erarbeiten und in einen Algorithmus zu überführen. Vielmehr soll der gewünschte Algorithmus anhand von Prozessdaten erlernt werden. Zur Datenaufnahme stehen eine Vielzahl etablierter TwinCAT-Produkte wie der TC3 Database Server TF6420 oder der TC3 Scope Server TF3300 zur Verfügung. Das Training erfolgt in etablierten Frameworks wie MATLAB®, TensorFlow, PyTorch, SciKit-learn, oder weiteren. Das gelernte Modell kann einfach in einem standardisierten Format (ONNX) exportiert und in der TwinCAT-Laufzeit ausgeführt werden.

Für die Automatisierungstechnik erschließt dies neue Möglichkeiten und Optimierungspotenziale, beispielsweise in den Bereichen prädiktive Wartung und Prozesssteuerung, Anomalie-Detektion, kollaborative Roboter, automatisierte Qualitätskontrolle und Maschinenoptimierung.