Welche SPS-Module sind mit gängigen Servosystemen kompatibel?

Verständnis der Funktionen von SPS-Modulen in Servoregelungssystemen

Die Rolle von SPS-Modulen für die Gesamtfunktionalität des Systems

PLC-Module bilden das Herzstück von Servosteuerungssystemen und wandeln im Grunde Code in tatsächliche Bewegungen auf der Produktionsfläche um. Diese Module empfangen Signale von verschiedenen Sensoren, einschließlich Geber und den überall installierten Endschaltern, und senden anschließend nahezu augenblicklich Anweisungen an die Servotreibwerke. Der Bewegungssteuerungsteil sorgt dafür, dass mehrere Achsen reibungslos zusammenarbeiten, während die analogen Ein-/Ausgangssignale die Überwachung von Parametern wie dem aufgebrachten Drehmoment und der Geschwindigkeit von Bauteilen übernehmen. All dies geschieht so schnell, dass Maschinen Teile mit einer Genauigkeit von etwa 0,01 Millimetern in beide Richtungen positionieren können. Eine solche Präzision ist besonders wichtig beim Betrieb von CNC-Maschinen, bei denen bereits kleinste Fehler ganze Produktionschargen ruinieren können.

Wesentliche Hardwaremerkmale moderner PLC-Module

Moderne PLC-Module zeichnen sich durch drei zentrale Hardwarefortschritte aus:

• Verarbeitungsgeschwindigkeit : 32-Bit-Prozessoren, die Befehle in 10 ns-Zyklen ausführen
• I/O-Dichte : Kompakte Designs mit Unterstützung für 32+ digitale Kanäle oder 16 analoge Eingänge
• Kommunikationsinterfaces : Integrierte Schnittstellen für EtherCAT, PROFINET oder Ethernet/IP

Diese Fähigkeiten ermöglichen das Verarbeiten komplexer interpolierter Bewegungsprofile bei gleichzeitig deterministischer Leistung. Hochgeschwindigkeitszählermodule, die für Servo-Anwendungen unerlässlich sind, können Encoder-Impulse mit Geschwindigkeiten von über 1 MHz verarbeiten.

Integration von Kommunikations- und E/A-Modulen im selben Chassis

Modulare SPS-Systeme integrieren Kommunikations- und I/O-Funktionen über einheitliche Backplanes, die einen deterministischen Datentransfer sicherstellen. Ein einzelnes Gehäuse kann beinhalten:

Diese Konsolidierung reduziert die Verdrahtungskomplexität um 40 % im Vergleich zu verteilten Architekturen und unterstützt Zykluszeiten unter 2 ms, wodurch eine hochpräzise Servokoordination ermöglicht wird.

Bewertung der Kompatibilität zwischen SPS-Modulen und Servo-Ökosystemen

Hardware-Kompatibilität: Abstimmung von Spannung, Strom und Modul-Spezifikationen

Damit alles reibungslos zusammenarbeitet, muss zunächst überprüft werden, ob die elektrischen Verbindungen und die physikalische Konfiguration zwischen den SPS-Modulen und den Servos tatsächlich übereinstimmen. Die meisten industriellen SPS-Systeme arbeiten mit einer Gleichspannung von 24 Volt, können jedoch je nach Art der Belastung Ströme von 2 Ampere bis hin zu 20 Ampere verarbeiten. Laut Daten von PR Newswire aus dem vergangenen Jahr geht etwa jedes vierte Problem in der Bewegungssteuerung auf falsche Spannungseinstellungen oder unzureichende Stromkapazität zurück. Bei der Inbetriebnahme ist es für Ingenieure äußerst wichtig, die Stromgrenzwerte des Rückplattens nochmals zu prüfen, sicherzustellen, dass die Module korrekt in ihren vorgesehenen Steckplätzen sitzen, und zu überprüfen, ob die Montage auf den DIN-Schienen problemlos möglich ist. Andernfalls können ernsthafte Probleme wie Überhitzung der Komponenten oder Verlust der Verbindung während des Betriebs auftreten. Nehmen wir zum Beispiel hochdichte Analog-Ein-/Ausgangs-Module: Diese benötigen im Schaltschrank etwa 10 bis 15 Prozent mehr Platz als herkömmliche digitale Module, da sie mehr Wärme erzeugen und eine bessere Luftzirkulation benötigen.

Kompatible Kommunikationsprotokolle: EtherNet/IP, Modbus TCP und PROFINET

Die richtige Protokollabstimmung ist entscheidend, um einen reibungslosen Datenaustausch zwischen SPS-Steuerungen und Servoverstärkern zu gewährleisten. Heutzutage setzen rund drei Viertel der industriellen Netzwerke entweder auf EtherNet/IP oder PROFINET, die in der Regel Antwortzeiten unter 1 Millisekunde erreichen – das ist ziemlich schnell. Im Gegensatz dazu ist Modbus TCP in älteren Systemen noch verbreitet, bleibt aber oft hinterher, wobei Synchronisationsverzögerungen häufig ±5 Millisekunden überschreiten. Das ist nicht ideal, wenn präzise Bewegungssteuerung erforderlich ist. Bei Anwendungen mit mehreren koordinierten Achsen greifen die meisten Anwender auf Protokolle zurück, die CIP Motion oder PROFIdrive unterstützen, da diese eine Synchronisation der Achsen innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde sicherstellen.

Eigene Lösungen vs. offene PLC-Servo-Integration

Eigene Systeme wie CC-Link IE neigen dazu, besser zu performen, da Hersteller diese speziell auf ihre eigene Hardware abstimmen können. Offene Standards wie OPC UA und MQTT bieten den Herstellern jedoch weitaus mehr Freiheit bei der Zusammenarbeit über verschiedene Plattformen hinweg. Aktuelle Branchenberichte zeigen, dass etwa zwei Drittel der Automatisierungsfachleute auf modulare SPS-Aufbauten setzen, die mit beiden Architekturen funktionieren. Diese Kombination treibt das stetige Wachstum von hybriden Kommunikationsmodulen um etwa 14 Prozent pro Jahr voran. Der eigentliche Vorteil liegt darin, alte Servo-Netzwerksysteme schrittweise auf moderne IIoT-Infrastrukturen aufzuwerten, ohne alles entsorgen und von Grund auf neu beginnen zu müssen.

Dimensionierung von Ein-/Ausgängen und Kommunikationsschnittstellen für Servo-Anwendungen

Die korrekte Dimensionierung von Ein-/Ausgängen und Kommunikationsschnittstellen gewährleistet eine zuverlässige Interaktion zwischen SPS-Modulen und Servosystemen und bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen aktuellen Anforderungen und zukünftiger Skalierbarkeit.

Bewertung der digitalen, analogen und speziellen E/A-Anforderungen für Automatisierungsaufgaben

Für Servoanwendungen ist eine sorgfältige Klassifizierung der Ein- und Ausgänge erforderlich:

• Digitale E/A verarbeitet diskrete Signale wie Endschalter und Relaiszustände.
• Analoge E/A verarbeitet kontinuierliche Datenströme einschließlich Drehmomentrückmeldungen und Temperatur, wobei für präzise Aufgaben eine Auflösung von mindestens 12 Bit empfohlen wird.
• Spezialisierte Module , wie Hochgeschwindigkeitszähler für Encoder-Eingänge oder PWM-Ausgänge für Schrittmotoren, decken besondere Anwendungsanforderungen ab. Laut einer Studie des Automation Research aus dem Jahr 2023 gehen 27 % der Integrationsfehler auf nicht übereinstimmende E/A-Spezifikationen zurück, was die Bedeutung einer sorgfältigen Planung unterstreicht.

Zuordnung von I/O-Ports zu Feldeinheiten: Sensoren, Aktuatoren und Antriebe

Die korrekte Konfiguration der Ein-/Ausgabefunktionen bei der Verbindung mit Feldeinheiten ist entscheidend, um Verzögerungen in dynamischen Produktionsumgebungen zu vermeiden. Nehmen wir beispielsweise eine typische Verpackungsstraße: Optoelektronische Sensoren funktionieren oft am besten mit 24-V-DC-Eingängen (sinking), während proportionale Ventile in der Regel ein analoges Ausgangssignal von 4 bis 20 mA erfordern. Viele führende Gerätehersteller haben dieses Problem erkannt und fangen an, konfigurierbare I/O-Kanäle anzubieten, die mehrere verschiedene Signalarten verarbeiten können. Diese Flexibilität reduziert die Kompatibilitätsprobleme zwischen Modulen und Geräten, die Installationsmannschaften früher so häufig plagten.

Sicherstellung von Skalierbarkeit und zukünftiger Erweiterungsfähigkeit

Bei der Gestaltung für Skalierbarkeit schlagen die meisten Experten vor, etwa 10 bis 20 Prozent mehr Ein-/Ausgabekapazität einzuplanen, als aktuell gemäß den neuesten Automatisierungsstandards von 2024 erforderlich ist. Modulare SPS-Systeme mit erweiterbaren Rückwandtafeln zeichnen sich hier besonders aus, da sie es Herstellern ermöglichen, schrittweise im Laufe der Zeit nachzurüsten. Benötigen Sie mehr Anschlussmöglichkeiten für Antriebe? Einfach eine zusätzliche PROFINET-Karte einstecken, anstatt alles auseinandernehmen zu müssen. Was dieses Verfahren so vorteilhaft macht, ist, dass das System schnell genug bleibt, um Echtzeitoperationen mit extrem kurzen Zykluszeiten unter einer Millisekunde aufrechtzuerhalten, auch wenn sich die Produktionsanforderungen verändern und wachsen.

Praktische Integration: Kommunikationsleistung in SPS-Servo-Netzwerken

Synchronisation des Echtzeit-Datenflusses zwischen SPS und Servoantrieben

Wenn es um industrielle Automatisierung geht, ist eine zuverlässige Datenübertragung zwischen SPS-Modulen und Servoantrieben entscheidend. Auch die Taktsynchronisation muss präzise sein – wir sprechen davon, die Synchronisationsfehler unter plus oder minus 50 Mikrosekunden zu halten, und zwar für alle Anlagen, die laut dem Automatisierungsleistungsbericht des vergangenen Jahres mit hoher Geschwindigkeit laufen. Heutzutage verlassen sich Unternehmen auf fortschrittliche Kommunikationsprotokolle wie EtherNet/IP und PROFINET, um Befehle in Echtzeit zu übertragen. Was bedeutet das praktisch? Die Motoren stoppen nahezu exakt an der gewünschten Position, meist nur etwa ein Zehntel Grad vom Ziel entfernt. Nehmen wir zum Beispiel Metallstanzpressen. Wenn Hersteller ihre SPS direkt an Servonetzwerke anschließen, statt alte Impulssignale zu verwenden, passiert etwas Erstaunliches: Die Werkzeugausrichtung dauert nicht mehr ewig, sondern erfolgt viermal schneller. Das ist nachvollziehbar, wenn man bedenkt, wie kritisch die zeitliche Abstimmung bei solchen Produktionsgeschwindigkeiten wird.

Fallstudie: Implementierung der PROFINET-basierten SPS-Servosteuerung in einer Verpackungsanlage

Ein Süßwarenverpackungsbetrieb im mittleren Westen führte umfangreiche Modernisierungen an seiner Bewegungssteuerung durch, als er die veraltete CANopen-Technologie durch PROFINET IRT ersetzte. Was bedeutete das in der Praxis? Die Reaktionszeit sank drastisch von 8 Millisekunden auf lediglich 1,2 ms, während gleichzeitig alle 12 Achsen präzise synchronisiert blieben. Die Ergebnisse sprechen für sich: Produktstaus gingen um fast zwei Drittel (67 %) zurück, und die Gesamtproduktionsgeschwindigkeit stieg um 25 %. Beeindruckende Werte. Im Hintergrund steuerte die spezielle Motion-Control-CPU der SPS insgesamt 1.200 Ein- und Ausgangspunkte, verteilt auf drei separate Servoschränke. Diese Leistungsfähigkeit zeigt deutlich, wie weit die SPS-Modultechnologie heutzutage hinsichtlich ihrer Belastbarkeit fortgeschritten ist.

Leistungsbenchmarks für SPS-Module in der Hochgeschwindigkeits-Servosteuerung

Die besten SPS-Module auf dem heutigen Markt können Zykluszeiten von weniger als 2 Millisekunden für Systeme mit bis zu 32 Achsen verarbeiten. Sie bewältigen auch Jitter-Werte unterhalb von 5 Mikrosekunden, selbst bei Notstop-Situationen gemäß Tests des Motion Control Lab aus dem Jahr 2023. Diese fortschrittlichen Systeme verwenden eine Dual-Prozessor-Architektur, bei der einer die gesamte Kommunikation übernimmt, während der andere die eigentliche Logik ausführt. Diese Trennung ermöglicht Servo-Aktualisierungen mit einer Rate von 1 Kilohertz, ohne die Analogeingangsmessungen zu stören. Die Kombination mit verteilten E/A-Modulen sorgt ebenfalls für einen reibungslosen Betrieb. Über Distanzen von 100 Metern hinweg bleiben bei EtherCAT-Verbindungen Paketverluste unter 0,01 %. Diese Zuverlässigkeit macht solche Anlagen in anspruchsvollen industriellen Umgebungen geeignet, in denen Ausfallzeiten keine Option sind.

FAQ

Welche Rolle spielen SPS-Module in Servosteuerungssystemen?

PLC-Module sind entscheidend dafür, Code in Bewegung umzuwandeln und die Präzision in Servosteuerungssystemen sicherzustellen. Sie verarbeiten Sensorsignale und senden Anweisungen an Servoantriebe, wodurch eine gleichmäßige Bewegungssteuerung gewährleistet wird und Parameter wie Drehmoment und Geschwindigkeit überwacht werden.

Warum ist die Protokollabstimmung in PLC-Servo-Systemen wichtig?

Die Abstimmung von Protokollen wie EtherNet/IP oder PROFINET stellt einen schnellen und reibungslosen Datenaustausch zwischen SPS-Steuerungen und Servoverstärkern sicher, was für präzise Bewegungen und Synchronisation entscheidend ist.

Wie können PLC-Systeme zukünftige Skalierbarkeit sicherstellen?

Die Planung mit zusätzlicher Ein-/Ausgabekapazität und die Verwendung modularer Aufbauten mit erweiterbaren Backplanes ermöglichen zukünftige Skalierbarkeit und erleichtern System-Upgrades.

Warum könnte man sich für eine Open-Architecture-PLC-Integration statt für proprietäre Systeme entscheiden?

Open-Architecture-Systeme bieten eine größere Flexibilität über verschiedene Plattformen hinweg und werden zunehmend aufgrund ihrer Fähigkeit gewählt, sich ohne vollständige Umstrukturierungen in unterschiedliche Systeme zu integrieren.