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Funktionsintegration auf einer Plattform

Bild 1. Die direkte Maschinenmontage von CPX-Systemen vereinfacht die Installation und steigert die Anlageneffizienz

Bild 2. Safety-Funktionen mit CPX/VTSA: Die Sicherheitsfunktionen der Ventilinsel reichen bis zum Performance Level PL d

Bild 3. Mehrwert durch integrierte Automation statt Patchwork-Automation

Eine möglichst hohe Funktionsdichte auf kleinem Raum zu erhalten, das ist der Wunsch vieler OEM an Automatisierungslösungen. Ein Beispiel, bei dem dieser umgesetzt wird, ist das modulare elektrische Terminal von Festo. Dies ermöglicht es, viele Funktionen bis hin zu Motion Control, Safety oder Diagnose zu integrieren. Auch die Steuerungswelt des Unternehmens, die bis in die Robotik hinein reicht, zeichnet sich durch Modularität und Flexibilität aus.

Das elektrische Terminal CPX passt zu allen gängigen Feldbus- und Ethernet-Systemen sowie firmenspezifischen Installationsstandards. Festo hat analysiert, dass die drei wählbaren Installationskonzepte von zentral über dezentral bis hybrid die Taktzeiten um bis zu 30 % verkürzen und den Luftverbrauch um bis zu 50 % reduzieren kann. Darüber hinaus senkt die Funktionsintegration mit Pneumatik, Elektrik und Motion Control die Systemkosten um bis zu 20 % und die Installationszeit um bis zu 60 % (Bild 1). Damit trägt sie ihren Teil zu höherer (Energie-)Effizienz bei.

Steuern elektrischer Achsen
Für die Handhabung und Montage ist applikationsspezifisch die optimale Steuerung wählbar – mit Schnittstellen zu allen Komponenten, wie Antriebsreglern oder Ventilinseln. Sollen die Bewegungen von Punkt zu Punkt verfahren werden, soll eine Position überschliffen werden oder ist eine komplette Bahnsteuerung erforderlich? Hierzu wurde die Steuerungswelt skalierbar und modular aufgebaut. Sie ist integraler Bestandteil des mechatronischen Handhabungsbaukastens.
Den Einstieg in die Steuerungswelt macht das Steuerungsmodul CPX-CM-HPP. Hierüber lassen sich die elektrischen Achsen des Unternehmens über alle im CPX verfügbaren Feldbusknoten ansteuern. Über eine CAN-Bus-Schnittstelle sind bis zu vier elektrische Einzelachsen anschließbar. Damit werden die elektrischen Antriebe kompatibel zu allen industriellen Kommunikationsschnittstellen. Dazu dient das sogenannte FHPP-Profil (Festo Handling and Positioning Profile), das die elektrischen Antriebe ins CPX-System und in die übergeordnete Steuerung integriert. Das Einstiegsmodul kann Achsen einzeln und unabhängig voneinander ansteuern.

Synchronfahren mit Mehrachs-Interface
Sollen sowohl einfache Einzelachsbewegungen als auch koordinierte Bewegungen mehrerer elektrischer Antriebe durchgeführt werden, ist das Mehrachs-Interface CPX-CMXX die richtige Wahl. Über das Festo Configuration Tool (FCT) können Anwender zwei Achsgruppen mit maximal vier Achsen pro Gruppe konfigurieren – ohne programmieren zu müssen. Bei der Konfiguration „Synchronfahren“ kommen die Achsen gleichzeitig in der Zielposition an.
Für koordinierte Mehrachsbewegungen mit Interpolationen und damit einfache Bahnapplikationen gibt es jetzt den SPS-basierenden Motion Controller CECX-X-M1. Mit ihm können Anwender Maschinen und Anlagen individuell mit umfangreicher SPS-Funktionalität programmieren. Der Motion Controller ist in das Gesamtkonzept der modularen Steuerung CECX eingebettet. Bei Letztgenannter handelt es sich um die neue Feldbus-Master-Steuerung für ganze Anlagen und Maschinen. Durch die Soft-Motion-Funktionalität, integriert in das Codesys-Programmier- und Laufzeitsystem, reichen die Einsatzbereiche von einachsigen Verfahrbewegungen bis hin zu CNC-Bahninterpolationen mit 2,5 D.

Robotersteuerung bietet Freiheit
Das funktionale Highlight der neuen Steuerungswelt von Festo ist der Motion Controller mit Robotikfunktionen CMXR-C1. Diese Robotersteuerung ermöglicht dreidimensionale Lösungen für die anspruchsvolle Handhabungstechnik. Mit der dreidimensionalen Interpolation im kartesischen Raum gelingen Bahnapplikationen im Raum. Die Robotiksteuerung CMXR lässt Mehrachsanwendungen mit bis zu sechs Freiheitsgraden im Raum zu. Der Controller ist die Basis für den Aufbau kartesischer Systeme, wie Raumportale bis hin zur komplexen Tripod-Kinematik.
Die Steuerung interpoliert und positioniert alle Achsen, die Konturen auf einer Mittelline abfahren können, wie sie beim Kleben, Laserschweißen oder Wasserstrahlschneiden notwendig sind. Sie kann aber auch das Werkzeug des Portalroboters im Raum positionieren. Dabei wird die Werkzeugspitze stets auf der programmierten Bahn geführt, auch wenn sich dabei die Orientierung des Werkzeugs ändert.

Kurze Takte – schnelles Engineering
Soll der Greifer in eine Form einfahren, um ein Teil zu entnehmen, so kann eben diese Bahn mit den Positionen x, y und z sowie mit der Orientierung des Werkzeugs bestimmt werden. Der Bahnverlauf wird dadurch harmonisch. Durch zusätzliche Funktionen, wie dem Überschleifen der programmierten Positionen, wird die Bahn weich, was sich schonend auf die Mechanik auswirkt. Das Überschleifen optimiert auch die Taktzeit, genauso wie Rampenformen für Beschleunigungen und konstante Bahngeschwindigkeiten.
Das einfache Engineering über das FCT in Kombination mit der Programmiersprache Festo-Teach-Language (FTL) reduziert die Engineeringzeiten. Damit können sich Anwender auf die Applikationsentwicklung konzentrieren.

Endlagenregelung und Servopneumatik
Die elektrische Endlagenregelung Soft Stop sorgt für 30 % schnellere Taktzeiten und 30 % weniger Luftverbrauch bei pneumatischen Antrieben durch schnelles erschütterungsfreies Verfahren zwischen zwei Festanschlägen. Ein weiteres auf CPX integrierbares Modul ist der servopneumatische Positionier-Controller für pneumatische Antriebe. Aufgrund der hierbei realisierten Integrationsdichte wird die Anlagenautomatisierung übersichtlicher.

Weitere integrierte Funktionen
Neben der Steuerung pneumatischer und elektrischer Bewegungen geht die Funktionsintegration der CPX/MPA und CPX/VTSA jetzt auch in Richtung Messen und Regeln von Drücken und Temperatur. Messmodule machen Pneumatikzylinder zu Sensoren, die Platz und Zeit sparen: In einem Arbeitsschritt fahren sie ein und aus und messen dabei. Integrierte Druckmessmodule mit vier Drucksensoren ersetzen einzelne Sensoren im Feld. Module zur Temperaturerfassung für vier Thermoelemente oder Widerstandsmessgeber ermöglichen Lösungen in IP65 vor Ort. Das ist Platz sparend und senkt die Installationszeit.
Mit dem elektrischen Terminal CPX ist auch die flexible Ventilinsel VTSA kombinierbar. Sie macht einen Größenmix von fünf unterschiedlichen Ventilgrößen möglich. Noch wichtiger sind die Sicherheitsfunktionen der Insel. Diese reichen bis zum Performance Level PL d (Bild 2) und bieten Lösungen für den Schutz gegen unerwarteten Anlauf per schaltbare Pilotluft, Reversieren, Entlüften sowie Abschaltbare Druck- und Spannungszonen.

Kundenspezifische Lösungen
Auch in kundenspezifischen Lösungen, wie Schaltschränken oder einbaufertigen Systemen, hat sich die Automatisierungsplattform CPX mit Remote IO und Ventilinseln etabliert (Bild 3). Sie wird Teil eines komplett vormontierten Subsystems, mit dem Anwender in Konstruktion und Montage Zeit und Kosten sparen. Die Modularität macht bis zu 512 E/A pro Feldbusknoten möglich. Dadurch sind 128 Ventilspulen und bis zu acht zusätzliche Einspeisemodule für Druck- und Spannungszonen montierbar.

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Autor: Eberhard Klotz ist Leiter Promotion Concepts Products and Technology bei der Festo AG & Co. KG in Esslingen.