Unternehmenszentrale Deutschland
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Roche-Gruppe, Schweiz
Itron, Waseca, Minnesota, USA
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.
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!
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.
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.
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.
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.
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) 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.
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. 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.
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.
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.
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.
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.
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, 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.
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.
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.
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.
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.
