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Software bestimmt den Takt

Bild 1. Das NI Embedded Vision System integriert Multicore-Prozessor-Technologie und bietet höchste Leistungsfähigkeit für industrielle Bildverarbeitung

Bild 2. Die AKD-Servoantriebe und -motoren werden mittels Ethercat an das Automatisierungssystem angebunden

Bild 3. Labview NI Softmotion ermöglicht die grafische Programmierung kundenspezifischer Motorsteuerungs-anwendungen

Innovative Unternehmen aus den Bereichen Maschinen- und Gerätebau, die nicht nur hoch qualifizierten Mitarbeitern vertrauen, sondern ihre Produktpalette in den letzten Jahren so angepasst haben, dass sie im weltweiten Konkurrenzkampf bestehen können, waren nach der Finanzkrise in der Lage, ihre Auftragsbücher schnell wieder zu füllen. Ihre Produkte punkten dabei mit Leistungsmerkmalen, die ihren Käufern helfen, ihrerseits erfolgreich im Markt zu agieren und auf die aktuellen Verbraucherbedürfnisse einzugehen. Doch was sind die Erfolgsfaktoren und wodurch unterscheiden sich die Systeme innovativer Unternehmen?

In einem Markt, in dem Konsum- und Luxusgüter maximal zwölf Monate erfolgreich sind, bevor sie durch ein Nachfolgeprodukt abgelöst werden, und in dem nicht mehr nur der Preis und die Qualität des einzelnen Produkts, sondern zusätzlich die Vielfalt und das Image der kompletten Produktpalette für eine Kaufentscheidung wichtig sind, benötigen Konsumgüterhersteller Geräte und Maschinen, die höchstmögliche Flexibilität gewährleisten.
Zur selben Zeit erfordern gesetzliche Anordnungen an Energieeffizienz und gestiegene Energiekosten Systeme, die hinsichtlich des Energieverbrauchs und somit ihrer Betriebskosten optimiert sind. Nicht selten übersteigen die Energiekosten für den Einsatz einer Maschine deren Beschaffungskosten um ein Vielfaches und somit ist es nur verständlich, dass die Nachfrage nach neuen, hinsichtlich Energieeffizienz optimierten Systemen einen Wettbewerbsvorteil darstellt. Diese wirtschaftlichen Randparameter haben die Bauweise moderner Maschinen und Geräte nachhaltig verändert und innovative Unternehmen haben Lösungen erarbeitet, um den dadurch gestiegenen Anforderungen an die eingesetzten Steuer- und Regelsysteme zu begegnen.

Flexibilität und autonome Funktionen
Um ein hohes Maß an Flexibilität zu gewährleisten, wird ein immer größerer Anteil an Funktionalität in die Software und die Automatisierungssysteme verlagert, die die Softwareanwendungen ausführen. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass statt mechanischer Komponenten, wie Übersetzungsgetrieben, zunehmend High-End-Elektronik und eine Vielzahl kompakter und effizienter Motoren zum Einsatz kommen. Die Steuerungssoftware übernimmt in diesem Fall die Funktion, die individuellen Achsen zu synchronisieren und ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis zu gewährleisten. Dies ermöglicht zum einen ein hohes Maß an Flexibilität, da sich Software leicht anpassen lässt, und reduziert zum anderen den Anteil an wartungsintensiven, verschleißanfälligen und schweren mechanischen Komponenten, die der Effizienz von Maschinen im Wege stehen.

Während dieser Trend vorrangig darauf abzielt, mechanische Systeme flexibler und effizienter zu machen, gestattet eine Vielzahl integrierter Sensoren den Systemen, auf sich verändernde Umgebungseinflüsse zu reagieren. Dies ermöglicht einerseits die Integration von Funktionalität für die Zustandsüberwachung und reduziert andererseits Wartungskosten und Stillstandzeiten. Zur gleichen Zeit erlauben Sensoren aber auch die Implementierung von mehr autonomer Funktionalität sowie die Implementierung dynamischer Prozesse. Intelligente Systeme, die die notwendigen Umgebungsparameter überwachen, sind nicht nur leichter und flexibler in bestehende Systeme integrierbar, sie ermöglichen darüber hinaus ein höheres Qualitätsniveau.
Ein Beispiel für Industriesysteme, die Sensorik verwenden, um sich ein Bild von ihrer Umgebung zu verschaffen, sind Robotiksysteme, die mithilfe von Kamerabildern die Position von Fertigungsgütern auf einem Förderband erkennen und daraufhin die Pick-and-Place-Position dynamisch anpassen.

Gestiegene Anforderungen an die Automatisierungssysteme
Um die zunehmend komplexer werdenden Systeme zuverlässig zu steuern, kommen leistungsfähige Automatisierungssysteme zum Einsatz, die viele unterschiedliche Funktionen vereinen. Neben der Motorsteuerung übernehmen sie Aufgaben, wie Bildverarbeitung, Signalverarbeitung, Kommunikation, und bieten die Möglichkeit, mithilfe von Human Machine Interfaces (HMI) Informationen mit einem Benutzer auszutauschen. Häufig sind solche Systeme nicht monolithisch aufgebaut, sondern verteilen einzelne Aufgaben auf intelligente Subsysteme, die spezifische Aufgaben übernehmen und mit geeigneten Kommunikationsbussen an den zentralen Controller angekoppelt sind. Während einige dieser Aufgaben zuverlässig von traditionellen SPS-Systemen ausgeführt werden können, müssen innovative Unternehmen immer häufiger auf leistungsfähigere Komponenten zurückgreifen, die moderne Multicore-Prozessor-Technologien, Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) oder Application-Specific Integrated Circuits (ASIC) integrieren. Diese Technologien finden zwar im Bereich des Embedded Designs schon seit Jahren Verwendung, doch Ingenieuren, die sich mit industrieller Automatisierungstechnik beschäftigen, fehlt häufig die Erfahrung im Umgang mit diesen Technologien.

Software ist der Schlüssel zum Erfolg
Firmen wie National Instruments haben es sich zur Aufgabe gemacht, moderne Technologien mithilfe von Software-Engineering-Tools zugänglich zu machen. Werkzeuge, die zur Konfiguration und zur Programmierung unterschiedlicher Komponenten verwendet werden, abstrahieren die Komplexität moderner Technologien und modularer Hardwareplattformen, die Embedded-Technologien in einem industriellen Formfaktor vereinen. Zudem ermöglichen sie es Anwendern, ein auf die Aufgabe zugeschnittenes Automatisierungssystem zu erstellen, ohne eigene Hardware entwickeln zu müssen. Mithilfe von standardisierten Kommunikationsprotokollen, wie Ethercat oder Profibus, lassen sich solche Systeme nahtlos mit bestehenden Komponenten integrieren.
Um genau solch eine Software-Engineering-Plattform handelt es sich bei NI Labview. Es bietet Unterstützung für nahezu alle Automatisierungsdisziplinen und deckt von der Motorensteuerung über schnelle Signal- und Bildverarbeitung bis hin zur Implementierung anspruchsvoller Regelalgorithmen ein breites Funktionsspektrum ab. Ein Projekt-Fenster ermöglicht den Zugang zur Konfiguration von Hardwaresystemen und eine offene Programmierumgebung ermöglicht die Erstellung individueller Anwendungen, die für die Ausführung auf industriellen Embedded-Systemen, wie das Compactrio-System oder den Industrial Controller von NI, übertragen werden.

Bildverarbeitung steuert Robotikarm
Die Firma Sisu Devices, ein Systemintegrator von National Instruments, nutzte diese Technologien für eine Produktdemonstration der besonderen Art. Auf der Graphical System Design Conference „NIWeek“ stellte sie ein System vor, welches mithilfe von Motorsteuerung, Bildverarbeitung sowie schneller Signalverarbeitung einen Robotikarm so steuerte, dass er in der Lage war, Projektile einer Druckluftpistole zu erkennen und in einem definierten Radius sicher zu blocken.
Mithilfe zweier Kameras und der 3-D-Bildverarbeitungsfunktionen von Labview waren die Ingenieure in der Lage, die Projektile zu erfassen und eine Vorhersage über die weitere Flugbahn und die Zielposition zu treffen. Aufgrund der Geschwindigkeit der Projektile von mehr als 180 km/h nutzte Sisu Devices ein leistungsstarkes Embedded Vision System (Bild 1) mit einem Dual-Core-Prozessor, um aus einer schnellen Serie von Bildern die Lage und die Flugbahn zu berechnen. Da das Embedded Vision System über ein Echtzeitbetriebssystem verfügt und mittels Ethercat mit zusätzlichen Systemen kommunizieren kann, implementierten die Ingenieure die Motorsteuerung auf demselben System und nutzen neue NI-AKD-Ethercat-Drives und -Servomotoren (Bild 2), um den mechanischen Arm mit der Abfangvorrichtung zu bewegen.

Die Flexibilität von Labview und die Zusatzbibliotheken des Labview Softmotion Module (Bild 3) ermöglichten die Berechnung der Kinematik-Algorithmen und sorgten dafür, dass Sisu für die Implementierung der Anwendung eine durchgängige Softwareumgebung nutzen konnte. Messmodule der C-Serie von National Instruments, die ebenfalls über Ethercat angeschlossen waren, komplettierten das System. Sie ermöglichten die Berechnung der Geschwindigkeit sowie der Einschlagstelle des Projektils mithilfe der Informationen von Beschleunigungssensoren.
„Die neuen Ethercat-Drives und -Motoren von National Instruments ermöglichten uns zusammen mit den leistungsstarken Embedded-Systemen im industriellen Formfaktor und der Software Labview, dieses hochdynamische System in nur sieben Wochen fertigzustellen“, erläutert Marc Christenson, Systemingenieur von Sisu Devices. „Die Software ist dabei der Schlüssel zum Erfolg. Die Kenntnis der Labview-Programmierumgebung ermöglicht uns Zugang zu neuen Technologien und erschließt uns weitere Entwicklungsmöglichkeiten.“

Fazit
Mit Innovation alleine lassen sich schwierige wirtschaftliche Situationen sicherlich nicht bewältigen. Doch Innovation ist das, was erfolgreiche Unternehmen von weniger erfolgreichen unterscheidet, und die Wahl der richtigen Werkzeuge bestimmt die Geschwindigkeit, mit der Ingenieure ihre Innovationen realisieren können.

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Autor: Christian Fritz ist Produkt Marketing Manager Motion Control bei National Instruments Corporate in Austin (Texas).