HOMAG Holzbearbeitungs-Maschinen

Homag Holzbearbeitungssysteme AG / Schopfloch / Deutschland

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Nach wie vor ist es mühsam, eine Maschine oder Anlage mit Komponenten unterschiedlicher Hersteller zu automatisieren. Sind die programmierbaren Geräte oft immer noch mit unterschiedlichen Programmierphilosophien ausgestattet, ganz zu schweigen von den Programmierwerkzeugen. Mit der Einführung der IEC 61131-3 als hersteller-übergreifender Norm zur Programmierung von industriellen Steuerungen ist das „Alles-aus-einer-Hand“ – Argument von Komplettanbietern in der Automatisierungstechnik in den Hintergrund gerückt. Auch wenn sich die auf dem Markt verfügbaren Tools zur Programmierung der Komponenten ganz erheblich unterscheiden, so ist eine durchgängige Programmierung von Kompakt-Steuerungen bis hin zu Hochleistungs-SoftSPSen mittlerweile dennoch möglich.

Standardisierung erfüllte Erwartungen zunächst nicht.

Als im Jahr 1993 die IEC 61131-3 eingeführt wurde, haben sich die Anwender von programmierbaren Automatisierungskomponenten, System-Integratoren und Maschinenbauer, eine Menge erwartet. Schließlich sollte die Implementation dieser Norm eine Durchgängigkeit bei der Programmierung ermöglichen.

Die Realität war für manchen jedoch ernüchternd: „Die Erlebnisse mit der IEC 61131 unsererseits haben mich [...] zu einem anderen Schluss kommen lassen“ stellt Willi Rindfleisch von der LSW Maschinenfabrik GmbH noch im Jahr 2000 in einem Leserbrief fest (Computer & Automation, Ausgabe 07-08/2000, Seite 12). Nach der Schilderung seiner Erfahrungen mit dem Einsatz von Tools, die „alle irgendwie anders sind und somit die erhoffte Durchgängigkeit vermissen lassen“, wurde der Traum von einer einheitlichen Programmierung nach IEC 61131-3 nicht erfüllt.

Erfolgreiche Maschinenautomatisierung gerade durch Standardisierung

Dass die gestellten Forderungen jedoch schon lange Realität sind, wird am Beispiel HOMAG deutlich. Dieses Unternehmen nutzt seit langem die Vorteile, die sich aus der Standardisierung ergeben, nämlich eine Durchgängigkeit von der Mechanik über die Automatisierungshardware bis hin zur Software. So kommen von der Bedienebene bis hinunter in die Sensor/Aktor-Ebene durchgängig Standard-Netzwerk- und Feldbus-Technologien zum Einsatz, wie etwa Ethernet (TCP/IP), Lightbus, Sercos oder CAN (CANopen). In punkto Software-Standardisierung setzt HOMAG auf die Programmierung aller Komponenten nach IEC 61131-3, respektive auf CODESYS von 3S als Implementierung dieser internationalen Norm.

Abb. 1. Einsatz von Standards von der Visualisierung bis zur Sensor/Aktor-Ebene:

Um den Ansatz der Standardisierung konsequent verwirklichen zu können, unterteilt HOMAG die Maschinen in Module. Diese können beliebig komplex sein und ihrerseits aus weiteren Modulen bestehen. Andererseits gelten auch ganze Maschinen wiederum als Module, die letztendlich zu kompletten Fertigungslinien zusammengesetzt werden. Analog zum Thema Standardisierung zieht sich auch der Modularisierungsgedanke von der Mechanik und Elektronik der Holzbearbeitungsmaschinen über die Software bis hinein in die Applikation. Konkret: Steuerungs-Applikationen werden in „Kontroll-Layer“, „Funktionslayer“ und „E/A-Layer“ aufgeteilt. Jede Ebene hat feste Schnittstellen, so dass es beim Austausch von Modulen mit unterschiedlicher Funktionstiefe oder Komplexitätsgrad an den Schnittstellen keiner neuerlichen Definition bedarf. Auch die Objekte und Variablen der Steuerungsapplikationen unterliegen dieser Einteilung, was eine automatisierte Zuordnung von Maschinen-Modulen und der entsprechenden Software im Rahmen der Projektierung ermöglicht.

Gemäß dieser Modularisierungs-Philosophie ist die Steuerungstechnik der Holzbearbeitungsmaschinen in verschiedene Ebenen unterteilt, beginnend mit der Visualisierungsebene: bei Bedarf lässt sich der Visualisierungs-PC der Maschine, ein herkömmlicher Industrie-PC, mit einer Slot-SPS ausrüsten, welche die HMI- und Echtzeit-Ebene miteinander verbindet.

Abb. 2. Komplette Maschinen werden in der Standardstruktur automatisiert:

Als Zentralsteuerung kommt ein VME bus-basierendes System mit Motorola - Prozessoren (M68040 bzw. PowerPC MPC740) zum Einsatz, wiederum mit Netzwerk- und Feldbusanschluss. Über TCP/IP beziehungsweise CANopen kann diese Steuerung Daten mit anderen, untergeordneten Systemen oder Sub-Systemen oder aber direkt mit den Ein- und Ausgängen austauschen. Um die Intelligenz noch weiter in die Maschinen-Module hineinzubringen, hat HOMAG selbst dezentrale Steuerungs-Module entwickelt. Durch die Datenvorverarbeitung und -aufbereitung in diesen Einheiten unter dem Betriebssystem OS9 sind hochfeine Auflösungen bei der Holzbearbeitung realisierbar: So können die Maschinen Endgenauigkeiten im Raum von 0,01mm bei einer Auflösung von 0,001 mm und einer maximalen Geschwindigkeit von 150m/min erreichen.
Last but not least befinden sich programmierbare mechatronische Subsysteme in der Maschine, die Steuerung, Sensorik, Aktorik und Mechanik in einer modularen Einheit integrieren. Auch diese Geräte sind Eigenentwicklungen des schwäbischen Maschinenbauers.

Die Anforderungen an die Software:

Alle Steuerungen in diesem Maschinenverbund - Slot-SPS, VME-Bus-Zentralsteuerung, proprietäre Steuerungs-Module sowie die mechatronischen Subsysteme - werden nach IEC 61131-3 mit CODESYS programmiert. Diese Durchgängigkeit der Programmierung und Kommunikation war die Grundlage für ein Konzept der verteilten Intelligenz, wie es in den Holzbearbeitungsmaschinen schließlich umgesetzt wurde. Doch welche spezifischen Anforderungen an die Software haben letztendlich den Ausschlag für den Einsatz einer einheitlichen Programmier- und Steuerungsplattform gegeben?
Eine Forderung lautete, dass die Applikationsentwickler den geschriebenen Code in jeder der beschriebenen Steuerungsebenen verwenden können. Das ist nur möglich, wenn die oben beschriebene Abstrahierung der Applikation in verschiedene Layer durchgehend und geräteunabhängig erfolgt ist. Damit der Code portierbar ist, muss andererseits das Entwicklungssystem unterschiedliche Steuerungsarchitekturen unterstützen. Das heißt: Für jede in den Steuerungen verwendete Prozessorfamilie muss eine Maschinencode-Generierung (Compiler) im Programmiersystem vorhanden sein, um die Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen Prozessoren ausnutzen zu können. Unabhängig von ihrer Leistungsklasse hat der Funktionsumfang des Entwicklungstools unbedingt einheitlich zu sein. Ein letzter wichtiger Aspekt: Alle Steuerungen im Verbund müssen über durchgängige Datenaustausch-Mechanismen verfügen, die dem Applikationsentwickler eine Datenverteilung im Feldbusnetzwerk ermöglichen.

Abb. 3. PowerLine-Holzverarbeitungsmaschine von HOMAG bestehend aus einer Reihe von Maschinen-Modulen.

Zusammenfassung:

Mit der Entscheidung für die Programmierung nach IEC 61131-3 und als Programmierwerkzeug kann HOMAG auf einen Pool von Geräten zurückgreifen, der aus einem Firmen-Verbund gebildet wird: der CODESYS Automation Alliance. Dadurch dass die Automatisierungsanbieter dieser Allianz mit demselben Programmiersystem arbeiten, existiert tatsächlich nur ein einziges ausführbares Windows-Programm (d.h. nur eine EXE Datei) für alle Geräte. Damit ist auch die Problematik der Konvertierbarkeit von Applikations-Quell-Code gelöst – eine Konvertierung ist schlichtweg nicht erforderlich, sondern lediglich eine Umschaltung des Zielsystems, sprich der zu programmierenden Steuerung. Kurzum: Über die einheitlichen Schnittstellen der Geräte in der CODESYS Automation Alliance ist es möglich, Komponenten unterschiedlicher Hersteller einzusetzen, ohne das Konzept ändern zu müssen - das entscheidende Argument angesichts der bis zu 40 Hauptsteuerungen und den etwa 100 mechatronischen Subsystemen in einer Holzbearbeitungsmaschine.
So werden bislang bei HOMAG Geräte von Beckhoff, Lenze, Sütron und Automata eingesetzt, die allesamt mit CODESYS bzw. Derivaten davon programmierbar sind. Durch den Geräte-Pool, den die derzeit ca. 50 Mitglieder der CODESYS Automation Alliance bilden, besteht für erweiterte Aufgabenstellungen genügend Auswahl. Oder anders formuliert: Anbieter von programmierbaren Komponenten kommen bei HOMAG nur in die engere Auswahl, wenn deren Geräte mit CODESYS programmierbar sind und somit die Anforderungen für den modularen Geräteaufbau unterstützen.

Weitere Infos über Homag unter:
www.homag.de