Sie machen den Weg frei ...

Interview

Dr. Josef Papenfort, Klaus Bernzen - Der Werbeslogan einer Bank passt – leicht abgewandelt – sehr gut zu dem ostwestfälischen Unternehmen Beckhoff: Vor exakt 30 Jahren ebnete es mit der Einführung der SPS auf Software-Basis der PC-Steuerungstechnik den Weg. Seitdem erweisen sich die Ostwestfalen stets aufs Neue als eine der treibenden Kräfte der Automatisierungsbranche. Im Exklusivinterview berichten die zwei TwinCAT-Experten Dr. Josef Papenfort und Klaus Bernzen, was in Sachen TwinCAT-Innovationen und dabei vor allem bei der »PC-based Control für die Robotik« ansteht.

01. Juni 2016

Herr Dr. Papenfort, die PC-basierte Steuerungstechnik hat sich als Weltstandard etabliert: Bitte geben Sie einen Rückblick, wie hat sich der Umbruch im CNC-Wesen auf Ihr Unternehmen ausgewirkt?

Dr. Papenfort: An der positiven Unternehmensentwicklung zeigt sich, dass wir sehr erfolgreich sind. Wir können auf bereits 30 Jahre PC-basierte Steuerungstechnik und 20 Jahre TwinCAT hinweisen. Von Anfang an war Motion Control integriert. Die Verheiratung von SPS und Motion Control war von Anfang an eine gute Entscheidung. Beides gehört eng verbunden. Im Laufe der Jahre sind verschiedenste Ausprägungen von Motion entstanden. Neben der klassischen Punkt-zu-Punkt-Bewegung wurden auch interpolierende Bewegungen bis hin zu CNC-Applikationen ermöglicht. Robotik in den verschiedenen Ausbaustufen rundet das System seit einigen Jahren ab.

Wie schaffen Sie es an der Spitze der Technologien zu stehen?

Dr. Papenfort: Als großer Mittelständler, der stets vorne mit dabei ist, entwickeln wir kontinuierlich Innovationen in verschiedenen Bereichen. Unser Ziel ist es daher, auch im CNC- und Robotik-Bereich immer an der Spitze der Technologie zu stehen.

In Werkzeugmaschinen haben Sie mit TwinCAT CNC im wahrsten Sinn sehr viel Bewegung ins Spiel gebracht – etwa als Sie 2004 zeigten, dass sich mit einer reinen Softwarelösung auf PC-Basis 32 Bahnachsen in Echtzeit steuern lassen. Was haben Sie aus dieser Zeit für den Einsatz im Roboter übernommen, wo gibt es Unterschiede? - Bernzen: Im CNC-Bereich und in der Robotik müssen Achsen bewegt werden. Dementsprechend unterschiedlich fallen die Anforderungen an die Flexibilität aus. Bei CNC-Maschinen gibt es in der Regel ein festes Teileprogramm, bei dem Konturen abgefahren werden. Bei der Robotik ist dagegen mehr Flexibilität bei Bahn- und Kurvenverläufen gefragt. Ein weiterer Punkt ist die Genauigkeit, die bei der CNC-Maschine eine wichtige Rolle spielt. Bei Robotern müssen zwar Anfangs- und Zielposition genau sein, ansonsten sollte die Bewegung »smooth« und vibrationsarm ablaufen.

Bei der Werkzeugmaschine gibt es den Tool-center-point als Orientierung für die Bewegung im Raum: Nehmen Sie beim Roboter etwas Adäquates?

Bernzen: Der TCP wird in der Robotik oft Aktor oder auch Endeffektor genannt. Aber ansonsten ist es das Gleiche: Der Anwender programmiert den Roboter im kartesischen Koordinatensystem.

Sie werben auf Ihrer Homepage damit, dass es sich bei PC-based Control für die Robotik um eine offene Steuerungsplattform für alle Robotertypen handelt: Was unterscheidet Ihr Konzept von anderen? - Dr. Papenfort: Beckhoff bietet selbst viele klassische und auch spezielle Kinematiken für verschiedene Roboter an. Offene Steuerungsplattform heißt außerdem, dass wir unseren Kunden ermöglichen, auch eigene Transformationen zu implementieren.

Bernzen: Außerdem ist es beim klassischen Roboterhersteller so, dass es eine eigene Roboterprogrammiersprache gibt. Wenn Sie dann einen anderen Robotertypen einsetzen, müssen Sie eine neue Sprache erlernen. Bei der Version 3 von TwinCAT gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Roboter zu programmieren. Sie können den Roboter mit dem CNC-Code bewegen, denn ihm ist es im Prinzip egal, ob es sich etwa um einen Delta- oder einen Sechs-Achs-Roboter handelt. Der Anwender kann aber auch über SPS-Bausteine programmieren. Damit bieten wir maximale Flexibilität.

Ein Blick in die Praxis: Wie programmieren Kunden unterschiedliche Roboter-Applikationen, wie unterstützen Sie ihn dabei?

Bernzen: Klebeaufträge werden oft im G-Code programmiert, während typische Pick-and-place-Bewegungen meist über die SPS ablaufen. Wir bieten dazu entsprechende Libraries an, die diese Programmierung unterstützen.

Bei Ihnen laufen Robotik, Motion Control und SPS auf einer Plattform: Was bedeutet das in der Praxis? Können Sie das anhand einer Lösung für einen Anwender erklären? - Bernzen: Als Szenario fällt mir sofort eine typische Anlage ein. Der Anwender hat unterschiedlichen Anlagenkomponenten, die mit TwinCAT automatisiert sind und »Motion ausüben«. Er weiß daher, wie er mit Motion umgehen muss. Dem Anwender ist daher egal, ob dahinter ein Roboter steht oder nicht. Daher möchte er eine Palettiereinheit genauso wie den Rest der Anlage programmieren. Das kann er effizient mit TwinCAT realisieren.

Käme – Stichwort Roboter – auch klassisches Teach-in in Frage?

Bernzen: Ja, wir können das System mit dem klassischen Teach-in ausstatten, um etwa einen kartesischen Roboter zu programmieren. Es ist ein Zusammenspiel der Bedienoberfläche, also der HMI, mit der SPS. Mit der Teach-in-Funktion lässt sich genauso ein Roboter wie ein kartesisches Portal programmieren.

Dr. Papenfort: Wir bieten außerdem Software-Module an, mit denen sich in der SPS klassische Roboter, etwa von Stäubli oder Kuka, direkt programmieren lassen. Da setzen wir auf den PLCopen-Standard, der Bausteine beschreibt, mit denen sich mit der SPS mehrdimensionale oder interpolierende Bewegungen programmieren lassen.

Bernzen: Der Anwender muss nicht mehr eine spezielle Robotersprache erlernen, weil er den Roboter mit TwinCAT in der SPS auf gleiche Art und Weise programmieren kann wie den Ablauf der Maschine.

Welche neuen Features lassen sich mit PC-based Control für die Robotik realisieren?

Bernzen: Wir erreichen mit der Integration, dass der Roboter nicht mehr eine Blackbox ist, sondern dass er nun fester Bestandteil des TwinCAT-Systems wird. Wir können plötzlich Roboter von unterschiedlichen Herstellern so miteinander synchronisieren, dass beide einer Bahn folgen. Dass funktioniert, weil wir PC-basierte Steuerungstechnik einsetzen und weil alles auf einem System läuft.

Dr. Papenfort: Es kommt zu einem grundlegenden Paradigmenwechsel. Der Roboter ist plötzlich nicht mehr die »Sonne im System«, um die sich alles dreht. Die Produktionsmaschine sieht ihn vielmehr als ein sechsachsig »interpolierendes« Gerät an, also als Teil der gesamten Anlage.

Echtzeitanwendungen stehen und fallen mit dem Feldbus: Mit welchen technologischen Kniffen schaffen Sie es, dass digitale und analoge Welt – also die Bits und Bytes der Software-CNC sowie die Elektronik mit ihren I/O-Signalen – schnell miteinander im Nanosekunden-Takt kommunizieren? - Dr. Papenfort: Als Basis dient EtherCAT, unser auf Ethernet basierender Feldbus. Er bietet nicht nur eine Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Megabit pro Sekunde, sondern auch die Präzision der »Distributed Clocks«, der verteilten Uhren, die bis in den Nanosekundenbereich heruntergeht. Und diese Kombination ist das Erfolgsgeheimnis von EtherCAT.

Sie setzen mit Blick auf die Automatisierung und Industrie 4.0 verstärkt auf OPC UA, den weltweiten Standard zur herstellerunabhängigen Kommunikation in der Automatisierungstechnik. Inwiefern erleichtert OPC UA als leistungsfähige, unabhängige Kommunikationsplattform, die von der kleinsten Embedded-Steuerung, über die Bediener-Ebene bis hinauf in die MES/ERP-Welt reicht, die herstellerunabhängigen Kommunikation in der Automatisierungstechnik? - Dr. Papenfort: OPC UA ist ein weltweit akzeptierter Standard, den wir natürlich auch unterstützen. Zumal manche MES/ERP-Hersteller nicht auf unseren proprietären Standard ADS, also unsere Automation Device Specification, sondern auf OPC UA setzen.

Wie beurteilen Sie die Zukunftschancen von OPC UA?

Dr. Papenfort: Es wird sich durchsetzen, weil es international standardisiert ist und weil alle großen Hersteller OPC UA implementieren. Feldbussysteme, wie das Industrial-Ethernet-System EtherCAT, wird es allerdings nicht überflüssig machen.

Hand aufs Herz: Wie schaffen Sie es, dass bestimmte Komponenten, zum Beispiel Aktoren oder Sensoren, den nanosekundenschnellen Datenverkehr nicht ausbremsen?

Dr. Papenfort: Wir verhindern es, indem auf der Slave-Seite immer eine Hardware in Form eines ASICs oder FPGAs zum Einsatz kommt, der den Datenverkehr nach außen nicht ausbremsen kann. Es handelt sich um standardisierte Hardware, die im Slave implementiert werden muss.

Änderungen in der Auftragsplanung oder laufenden Produktion beeinflussen die aktuellen Produktionsschritte direkt: Wie gelingt es Ihnen, dass Ihre Steuerung mit überlagerten Produktionsplanungs- und Steuerungsebenen kommuniziert?

Dr. Papenfort: Hier kommt wieder der Standard OPC UA ins Spiel, mit dem man mit MES/ERP-, Planungs- und Prozessleitsystemen kommunizieren kann. Ein gutes Beispiel sind SAP-Programme, die standardmäßig über eine OPC-UA-Schnittstelle verfügen. Auf der Hannover Messe haben wir demonstriert, wie die SAP Manufacturing Execution Suite mit TwinCAT 3 und weiteren Systemen über OPC UA »kommuniziert«.

Apropos Industrie 4.0: Vor zwei Jahren zeigten Sie auf dem Gemeinschaftsstand von »it’s OWL« eine kleine Montagelinie, die über eine Cloud mit einer ähnlich aufgebauten Anlage Daten austauschte. Wie sorgen Sie bei derartigen Systemen dafür, dass Unbefugte auf diese Maschinendaten keinen Zugriff er-halten? Lässt sich der Datentransfer völlig unabhängig von der Google-Cloud über die Maschinensteuerung und das firmeneigene Intranet realisieren?

Dr. Papenfort: Die Sicherheit der Daten und die Authentifizierung können wir durch Standard-Mechanismen garantieren, indem zum Beispiel OPC UA zum Einsatz kommt. Und in Sachen Cloud muss sich jeder Anwender selbst ent-scheiden, wo er seine Daten hosten will. Es können sowohl private als auch öffentliche Lösungen genutzt werden. Die Kommunikationsmechanismen sind immer die gleichen.

Nikolaus Fecht

Halle B6, Stand 320

Vita Dr. Josef Papenfort

Dr. Papenfort ist verantwortlich für das Produktmanagement der Automatisierungssoftware TwinCAT bei Beckhoff Automation. Daneben arbeitet er in internationalen Standardisierungsgremien sowie verschiedenen Forschungsprojekten mit und betreut Diplomanden bei Beckhoff. Nach einem Studium der Elektrotechnik und anschließender Promotion war er zunächst Softwareentwickler bei verschiedenen Unternehmen und arbeitet seit 1997 im Produktmanagement TwinCAT bei Beckhoff.

Vita Klaus Bernzen

Dipl.-Ing. Klaus Bernzen ist Produktmanager der Automatisierungssoftware TwinCAT mit den Schwerpunkten Motion Control & Robotik, Beckhoff Automation. Nach einem Studium der Elektrotechnik arbeitete er seit 1998 in der Softwareentwicklung im Bereich TwinCAT Motion Control und wechselte 2010 in das Produktmanagement TwinCAT bei Beckhoff.

Erschienen in Ausgabe: 01/2016