Hochpräzise Steuerung von Highspeed-Laserschneidmaschinen mit PC-based Control

PC-based Control erhöht die Produktivität in der Blechbearbeitung

Eine zunehmende Produktvielfalt, schwankende Losgrößen und ein ausgeprägtes Kostenbewusstsein erfordern von Blechbearbeitern ein Höchstmaß an Flexibilität. Hier bietet unsere PC-basierte Steuerungstechnik einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil: skalierbare Lösungen mit hoher Performance und Präzision. Mit dem Beckhoff Automatisierungsbaukasten lassen sich Steuerungslösungen für die unterschiedlichsten Anwendungen und Anforderungen in der Blechbearbeitung konfigurieren: Industrie-PCs, Multitouch-Panels, schnelle I/O-Baugruppen, EtherCAT als offener und schneller Feldbus, dynamische Servoantriebstechnik und die Automatisierungssoftware TwinCAT bilden die Grundlage für SPS, Visualisierung, Motion Control, Sicherheits- und Messtechnik. Die Automatisierungsfunktionen werden von der Hardware abstrahiert und konsequent in Softwaremodule transformiert. Daraus resultiert ein deutlich reduzierter Kommunikationsaufwand, kürzere Reaktionszeiten und geringere Kosten, sowohl bei der Hardware als auch beim Engineering.

Darüber hinaus bietet die auf Standards basierende, offene Steuerungsarchitektur mit ihren vielfältigen Schnittstellen in Hard- und Software ein hohes Maß an Flexibilität. Die Unterstützung gängiger Feldbussysteme und Softwareprotokolle garantiert eine durchgängige horizontale und vertikale Kommunikation: von der Vernetzung der einzelnen Maschinen untereinander bis zur IT-Ebene und in die Cloud. Über das Datenanalyse-Softwaretool TwinCAT Analytics lässt sich außerdem die Produktivität der Anlage erhöhen: Umfassendes Condition Monitoring erlaubt eine vorausschauende Wartung und reduziert die Ausfallzeiten von Maschinen und Anlagen.

EtherCAT, der schnelle Feldbus: Weltstandard für die Blechbearbeitung

Die EtherCAT-Technologie wurde 2003 von uns auf den Markt gebracht und als offener Standard der Automatisierungstechnik zur Verfügung gestellt. Mit herausragender Leistung, flexibler Topologiewahl, umfangreicher Diagnose und einfacher Konfiguration eignet sich EtherCAT optimal für den Einsatz in Blechbearbeitungsmaschinen. Wir liefern die größte Anzahl von EtherCAT-kompatiblen Automatisierungsmodulen sowohl für I/Os als auch für die Antriebstechnik. Darüber hinaus steht aber auch eine Vielzahl an EtherCAT-kompatiblen Sensoren und Aktuatoren von Drittherstellern im Markt zur Verfügung, wodurch eine hohe Investitionssicherheit gewährleistet ist. Die schnelle und hochpräzise Beckhoff Steuerungslösung eXtreme Fast Control (XFC) erhöht mit I/O-Response-Zeiten unter 100 μs die Produktivität von Blechbearbeitungsmaschinen, während Ausschuss und Ressourcenverbrauch reduziert werden.

Für den Einsatz in Hochleistungsmaschinen und hochkomplexen Anwendungen haben wir EtherCAT G auf den Markt gebracht. Als Fortführung des EtherCAT-Erfolgsprinzips stehen mit EtherCAT G Geschwindigkeiten von 1 GBit/s bzw. 10 GBit/s zur Verfügung. Die derzeit von EtherCAT benutzte Übertragungsrate von 100 MBit/s kann so um den Faktor 10 bzw. 100 erhöht werden. Beide Leistungsstufen verstehen sich als systemkonforme Ergänzungen der EtherCAT-Technologie; das bekannte „on the fly“-Funktionsprinzip bleibt erhalten.

One Cable Technology minimiert Kabel- und Montagekosten

Für Linienanlagen und modulare Maschinenkonzepte bieten wir mit EtherCAT P eine überlegene Einkabellösung für die Feldebene. EtherCAT P integriert in einem Kabel die EtherCAT-Kommunikation, sowie die System- und Peripheriespannung. Darüber hinaus ermöglicht EtherCAT P eine Stromversorgungsweiterleitung direkt über die Teilnehmer. Alle Vorteile von EtherCAT, wie freie Topologiewahl, hohe Geschwindigkeit, hochgenaue Synchronisation und umfangreiche Diagnose, bleiben erhalten. Damit ist EtherCAT P in der Blechbearbeitung das optimale Bussystem für die Sensorik, Aktorik und die Messtechnik. Mit der One Cable Automation werden dezentrale Klemmenkästen und auch einzelne Maschinenmodule nur über ein Kabel mit Steuerungsdaten und Leistungen versorgt. Auf die bislang gewohnten, großen Schaltschränke kann damit teilweise oder ganz verzichtet werden, sodass sich der Footprint der Anlage deutlich reduziert.

Durch EtherCAT P sind modulare Maschinen- und Anlagenkonzepte mit spürbar reduziertem Montage- und Inbetriebnahmeaufwand und sehr hoher Flexibilität umsetzbar. Materialkosten, Montage- und Zeitaufwand werden eingespart; die Fehlerhäufigkeit bei der Installation wird reduziert. Durch Wegfall der Versorgungseinspeisung lassen sich aber auch Sensoren und Aktoren kleiner dimensionieren; der benötigte Bauraum in Schleppketten, Schaltschränken und in der Maschine selbst wird reduziert. Mit EtherCAT P lässt sich somit eine überdurchschnittliche Performance zu geringen Anschaltkosten umsetzen.

TwinSAFE: die offene und skalierbare Sicherheitstechnologie

Mit TwinSAFE haben wir ein durchgängiges Sicherheitskonzept umgesetzt, das sichere Funktionalitäten in die Standard-Steuerungsplattform integriert. Alle Safety-Funktionen, wie Not-Halt, Schutztürüberwachung, Zweihandbedienung, Trittmattenauswertung und Muting, sichere Position und sicher begrenzte Geschwindigkeit, 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 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. 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 Verfügung.

Ausgedehnte, vernetzte Anlagen stellen im Hinblick auf die Sicherheitstechnik große Herausforderungen an alle Beteiligten. TwinSAFE bietet die Möglichkeit, die Sicherheitsapplikation nach Bedarf vollständig oder teilweise zu dezentralisieren. Jede Maschine, im Bedarfsfall jedes Aggregat, kann einfach mit einer eigenen Sicherheitslogik ausgestattet werden.

Schaltschranklose Automatisierung mit dem MX-System

Das MX-System ermöglicht erstmals vollständig schaltschranklose Automatisierungslösungen im Maschinen- und Anlagenbau. Der aus einem Baukasten entstehende Verbund aus Baseplate und Funktionsmodulen vereint alle Aufgaben und Eigenschaften eines Schaltschrankes: Energieeinspeisung, -absicherung und -verteilung, Erzeugung und Überwachung von Hilfsspannungen, Ablaufsteuerung mit den Ein- und Ausgängen, Ansteuerung von Motoren und Aktuatoren sowie die Anschlussebene für die Feldgeräte. Die vollumfängliche Systemintegration aller Maschinenfunktionalitäten erfolgt über frei wählbare IPC-, Koppler-, I/O-, Drive-, Relais- und Systemmodule, die applikationsspezifisch konfiguriert und kombiniert werden können.

Der durchgehend systemische Ansatz ganzheitlich aufeinander abgestimmter und nach internationalen Standards zertifizierter Baugruppen verringert die Aufwände für Planung, Zusammenbau, Maschineninstallation sowie Instandhaltung enorm. Da erheblich weniger Komponenten als im klassischen Schaltschrankbau zur Realisierung der gleichen Anforderungen benötigt werden, wird das gesamte MX-System im Vergleich zu bisherigen Lösungen deutlich kompakter. Der Anlagen-Footprint wird reduziert, zudem erhöhen sich Anlagenverfügbarkeit und -flexibilität. In jeder Phase des Lebenszyklus einer Steuerungsanlage bietet das MX-System deutliche Vorteile gegenüber dem klassischen Schaltschrank.

Die Vorteile des MX-Systems für die Blechbearbeitung auf einen Blick:

• optimierte Aufstellfläche in Maschinenhalle
• reduzierte Komplexität und somit hohe Zuverlässigkeit
• einfache Diagnose und Wartung via Diagnose-App
• IP67-Schutzart ermöglicht Einsatz neben einer Wasserstrahlbearbeitung.
• integrierbar in das Maschinendesign einer Blechverarbeitung
• Module können durch fachfremdes Personal getauscht werden.

TwinCAT: die durchgängige Engineering- und Runtime-Plattform

Die Automatisierungssoftware TwinCAT besteht aus Laufzeitsystemen zur Echtzeitausführung von SPS, HMI, NC-, CNC- und Robotikanwendungen und ist gleichzeitig die Entwicklungsumgebung für Programmierung, Diagnose und Konfiguration. Es stehen alle wichtigen Programmiersprachen der IEC 61131-3 für Echtzeitanwendungen zur Verfügung. Die objektorientierten Erweiterungen der IEC 61131-3 ermöglichen die Modularisierung des Programmiercodes, die softwareseitige Kapselung von Maschinenfunktionen und die bessere Strukturierung, Wiederverwend- und Erweiterbarkeit der Software. Über vorhandene Schnittstellen können C/C++- und MATLAB^®/Simulink^®-Module in den IEC-Kontext eingebunden oder autark in der TwinCAT-Echtzeitumgebung betrieben werden. Offene Interfaces sowie die Nutzung neuester technologischer Standards auf der Basis von Windows-Betriebssystemen eröffnen vielfältige Optionen, wie die Integration in bestehende Visualisierungs-, Leit- und Datenbanksysteme. Multi- und Manycore-Technologie werden von TwinCAT in vollem Umfang unterstützt.

Umfangreiche Softwarefunktionsmodule und -bibliotheken für branchentypische Anforderungen erleichtern das Engineering und die Umsetzung der Maschinenfunktionen:

• TwinCAT Automation Interface: unterstützt Anwender bei der automatischen Generierung von Maschinenkonfigurationen
• TwinCAT HMI: komfortable Entwicklung und Pflege von Visualisierungsobjekten und Benutzeroberflächen
• TwinCAT Vision ermöglicht Bildverarbeitung direkt in der Steuerungsplattform
• TwinCAT-Schnittstellen zu Machine-Learning-Algorithmen: Nutzung von KI-Methoden im traditionellen Steuerungsumfeld
• TwinCAT Scope: beschleunigt und verbessert Inbetriebnahme- und Serviceprozesse
• TwinCAT-Bibliotheken für Motion Control und Supplements für verschiedene Roboterkinematiken: Einsparung von Entwicklungszeit dank geprüfter und optimierter Algorithmen
• TwinCAT Hydraulic Positioning: enthält alle notwendigen Softwarefunktionen für ventil- oder pumpengesteuerte Achsen bzw. Servopumpen

Hochskalierbar, hocheffizient: die Beckhoff CNC-Lösung

TwinCAT NC Interpolation (NC I) ist das NC-System für interpolierende Bahnbewegungen und Robotik, das herkömmliche Achsbaugruppen substituiert. Durch die direkte Anbindung an die TwinCAT PLC und die TwinCAT-Motion-Funktionen können NC-Aufgaben in unterschiedlichen Bearbeitungsmaschinen gelöst werden. Leistungsfähige Softwarelibraries für verschiedene Roboterkinematiken ergänzen die TwinCAT NC I für diverse Motion-Aufgaben. TwinCAT NC I nutzt die PC-Leistung und ermöglicht die Achsregelung unter Windows.

Parallel dazu bietet TwinCAT CNC umfangreiche CNC-Funktionalität als reine Softwarelösung auf PC-Basis. Der gesamte Bereich klassischer CNC-Bahnsteuerungen bis hin zum Highend-System für komplexe Bewegungs- und Kinematikanforderungen wird mit TwinCAT CNC abgedeckt. Es können bis zu 128 interpolierende Achsen mit bis zu 20 Kanälen sowie umfangreiche Koordinaten- und Kinematiktransformationen kontrolliert werden. Durch Multicore- und 64-Bit-Betriebssystem-Unterstützung erschließt TwinCAT 3 Leistungsreserven, die beispielsweise zur hochpräzisen Steuerung von Highspeed-Laserschneidmaschinen genutzt werden können. Die .Net-basierte CNC-Bedienoberfläche umfasst standardmäßig die Grundfunktionalitäten, wie Online-Sprachumschaltung, Einrichtfunktionen, globales Meldesystem und Benutzerverwaltung. Über die applikationsspezifische Parametrierung und Erweiterbarkeit lassen sich kundenseitige Anforderungen flexibel und schnell umsetzen. Die skalierbare Beckhoff CNC-Lösung ist in allen Leistungsklassen verfügbar: vom kompakten Embedded-PC mit integrierter I/O-Schnittstelle bis zum Industrie-PC mit Multicore-Prozessor. Der Anwender kann zwischen optionalen Funktionen und skalierbaren Hardwareplattformen wählen und erhält so eine leistungsgerechte, effiziente und wirtschaftliche CNC-Steuerung.

Steuerungsintegrierte Bildverarbeitung sichert die Teilequalität bei der Blechbearbeitung

In der Blechbearbeitung gibt es ein breites Anwendungsspektrum für eine steuerungsintegrierte Bildverarbeitung: Bei der Teilezufuhr kann die Lage und Form der Rohmaterialien erkannt und der Zuführroboter darauf vorbereitet werden, wie ein Teil zu greifen ist. Des Weiteren kann durch die Lage und Form des Rohmaterials aber auch bestimmt werden, wie zum Beispiel ein Schachtelplan bei einer Schneidmaschine angepasst werden kann, um den Verschnitt zu minimieren. Auch die optische Qualitätsüberwachung ist in der Blechbearbeitung seit Langem bekannt. Aufgrund der Integrationsaufwendungen und des Fehlens vollständiger Lösungen hat sie sich bisher jedoch noch nicht als Standard durchgesetzt. Der Ansatz der PC-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff bietet hier die ideale Lösung: Mit TwinCAT Vision werden die Bildverarbeitungsfunktionalitäten komplett in die bekannte Engineering-Umgebung des Maschinenprogrammierers integriert. Dadurch vereinfacht sich die Programmierung und der Testlauf deutlich vereinfachen. Alle aus der Bildverarbeitung abgeleiteten Steuerungsfunktionen, wie z. B. die exakte Positionsbestimmung des Werkstücks oder das Auslösen der Kamera und der Lichtquelle, werden in Echtzeit synchronisiert. Damit hat die integrierte Bildverarbeitungslösung gegenüber separaten Systemen einen entscheidenden Vorteil.

Control Panels und Panel-PCs als Alleinstellungsmerkmal Ihrer Maschine

Die ergonomische Bedienung und das unverwechselbare Erscheinungsbild einer Maschine spielen für den Maschinenbauer eine nicht unwesentliche Rolle, um am Markt erfolgreich zu sein. Neben Design und Farbgebung kommt hierbei dem Control Panel als Frontend einer Maschine ein hoher Stellenwert zu. Immer mehr Maschinenbaukunden wünschen sich daher eine branchen- oder kundenspezifische Bedienerschnittstelle als Alleinstellungsmerkmal. Aufbauend auf einem umfangreichen Portfolio an Standard-Control-Panels und -Panel-PCs bietet Beckhoff hier ein breites Lösungsspektrum hinsichtlich der technischen Ausgestaltung und des Designs.

Ein in Farbgestaltung und Abmessungen zum Erscheinungsbild der Maschine passendes Panel-Design unterstreicht deren innovativen Charakter. Hierbei sind der Ausgestaltung der Kundenwünsche keine Grenzen gesetzt: vom werksseitig eingefügten kundenspezifischen Firmenlogo über die zum Maschinendesign passende Farbgebung bis zum komplett individuell gestalteten Panel auf Basis einer individuellen Gerätekonstruktion.

Um den Bedürfnissen der Branche nach ergonomischer Bedienung entgegen zu kommen, bietet Beckhoff Control Panels und Panel-PCs an, die für die verschiedenen Verfahren optimal geeignet sind. Die bedarfsgerechte Ausgestaltung der Standardpanels durch die Integration von Handbedientastern und Schaltern gestaltet die Maschinenbedienung komfortabler. Aufbauend auf der profunden Kenntnis der einzelnen Prozessschritte in der Blechbearbeitung, entsteht − ohne großen Entwicklungs- und Kostenaufwand − aus einem Standard- ein branchenspezifisches Panel.

Modulares Designkonzept für größtmögliche Flexibilität und Platzersparnis

Mit dem dezentralen Servoantriebssystem AMP8000 eröffnen sich neue Wege für modulare Maschinenkonzepte. Der AMP8000 integriert den Servoantrieb in sehr kompakter Bauform in den Servomotor. Durch die Verlagerung der Leistungselektronik direkt an die Maschine reduziert sich der Platzbedarf im Schaltschrank auf ein einziges Koppelmodul, das mit nur einem Kabel über ein Verteilermodul mehrere Servoantriebe versorgt. Dies führt zu einer signifikanten Einsparung von Material, Platzbedarf, Kosten und Montageaufwand. Ein in hoher Schutzart ausgeführtes Versorgungsmodul verlagert sogar das gesamte System in die Maschine. Mit nur wenigen Komponenten ist das AMP8000-System sehr einfach zu konfigurieren; es wird nur ein einziger Kabeltyp benötigt, um Versorgungs-, Verteilermodule und Antriebe miteinander zu verbinden. Weitere Komponenten, wie Motordrosseln, Sicherungen oder Filter, sind für den Betrieb des Systems nicht erforderlich. Alle Verbindungs- und Versorgungsmodule haben zusätzlich einen EtherCAT P-Anschluss für das Beckhoff I/O-Portfolio. Dies vereinfacht die Verbindung zu weiteren Eingängen, Encodern oder Latch-Units signifikant.

Extrem platzsparend, flexibel erweiterbar und robust

Mit der Industrie-PC Baureihe C60xx begegnen wir den Anforderungen der Blechbearbeitungsindustrie hinsichtlich Robustheit, Skalierbarkeit der Leistung und geringem Platzbedarf. Das im eigenen Hause entwickelte Gerät, inklusive Motherboard, Netzteil und komplettem Gehäusekonzept, verfügt über eine Robustheit by Design. Die C60xx-Baureihe eignet sich ideal zum Steuern, Visualisieren und Kommunizieren, zum Beispiel in die Cloud. Hierbei bieten die neuesten Intel^®-Prozessoren − in drei unterschiedlichen Leistungsklassen vom Intel Atom^® mit einem bis zum Intel^® Core™ i7 mit acht Kernen – eine maximale Skalierbarkeit und die höchste Leistungsdichte bei einem optimalen Preis-Leistungs-Verhältnis.

Um Schwankungen der IPC-Versorgungsspannung vorzubeugen können die Industrie-PCs der Baureihe C60xx optional um eine USV vom Typ CU81xx erweitert werden. Die USV sorgt dafür, dass bei größeren Spannungseinbrüchen wichtige Steuerungs- und Betriebsdaten sicher gespeichert und der Industrie-PC geführt heruntergefahren wird. Ein schnelles Wiedereinschalten der Anlage und damit eine hohe Verfügbarkeit ist somit gewährleistet.

Einen zusätzlichen Vorteil für den Einsatz in Pressenanlagen bieten die Industrie-PCs der C60xx- Baureihe durch die Tatsache, dass nahezu keine mechanisch beweglichen Teile verbaut sind. Die einzige Ausnahme bildet die Geräteserie C603x, welche mit einem drehzahlgeregelten Lüfter ausgestattet ist.

TwinCAT IoT unterstützt die Kommunikation mit Cloud-Systemen

Für die Kommunikation zwischen der Maschinensteuerung und cloudbasierten Diensten hat Beckhoff die Softwarebibliothek TwinCAT IoT entwickelt. Sie unterstützt die standardisierten Protokolle OPC UA, AMQP und MQTT zur Kommunikation mit den gängigen Cloud-Systemen, wie Microsoft Azure™ und Amazon Web Services, sowie Private-Cloud-Systeme im unternehmenseigenen Netzwerk. Eingebaute Sicherheitsmechanismen verhindern den Missbrauch von Daten durch unbefugten Zugriff und schützen das geistige Eigentum des Unternehmens.

Über TwinCAT Analytics werden die Prozessdaten synchron zum Maschinenzyklus aufgezeichnet und ausgewertet. Aus den gespeicherten Daten lassen sich mit den entsprechenden Analysewerkzeugen alle notwendigen Informationen für Predective Maintenance oder zur energetischen und prozesstechnischen Optimierung der Maschine ableiten. Post-Mortem-Analysen, Diagnose sporadischer Fehler, frühzeitige Detektierung von Qualitätseinbußen und Erkennung von Produktionsengpässen erhöhen die Anlagenzuverlässigkeit und -verfügbarkeit.

Mit TwinCAT Cloud Engineering wird eine Instanziierung und Verwendung der existierenden TwinCAT-Engineering- und -Runtime-Produkte direkt in der Cloud ermöglicht. Der Zugriff erfolgt einfach über die Beckhoff Webseite.

Beckhoff Antriebstechnik für das komplette Anwendungsspektrum

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 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 Werkzeugmaschinen kompakter und leichter gebaut werden können. Durch eine optionale Multi-Feedbackkarte können weitere Gebersignale (EnDAT 2.2) 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 die Anschlussmöglichkeit von Schritt-, Servo-, DC- oder AC-Motoren in IP20 oder IP67 zur Verfügung.