Ethernet zorgt voor druk
EtherCAT-toepassing bij Schuler Profiline-persen

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De firma Beckhoff – in België vertegenwoordigd door Multiprox – heeft vorig jaar op de Hannover Messe EtherCAT voorgesteld: het real-time Ethernet for Control Automation Technology. Ondertussen is de eerste toepassing een feit ! In een pilootproject zet de Duitse firma Schuler bij haar nieuwe Profiline-persengeneratie met EtherCAT voor de eerste maal een Ethernet-gebaseerd veldbussysteem voor de communicatie tussen de installatieperiferie en het PC-gebaseerde sturings- en regelingssysteem in. Een reportage van Günter Herkommer, redacteur van het Duitse vakblad Computer&Automation.

Schuler Hydrap met zetel in Plüderhausen, Duitsland, behoort tot de Schuler groep en is gespecialiseerd in hydraulische persen van de Profiline productfamilie, die vooral georiënteerd is op de sector van de elektro- en huishoudapparaten en op toeleveranciers van de automobielindustrie. Toen zowat anderhalf jaar geleden met de ontwikkeling van een nieuwe persengeneratie met perskrachten tussen 160 en 1.600 ton werd gestart, werd beslist om de sturingstechniek drastisch te wijzigen. Tot dan maakte Schuler Hydrap enerzijds gebruik van conventionele sturingen, b.v. van het type Simatic S7, daarnaast ook van een waaier van speciale hardwaremodules voor de hydraulische regelingen. Beiden communiceerden via Profibus met de periferie. Aangezien hydraulische regelingen eigenlijk tot de kerncompetentie in de persenbouw behoren, geven constructeurs deze niet graag uit handen. Daarom wilde Schuler weg van deze speciale oplossing, aldus Clement Peters, in de Schuler groep verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de sturings- en aandrijftechniek. “Wij zijn helemaal niet gebaat met een producent van een hydraulische regelingsmodule, die ons zijn know-how in een “black box” ter beschikking stelt, waartoe wij vervolgens geen toegang hebben.” Met de overstap naar een hoogperformance PC-gebaseerde sturingstechniek wilde men daarom de mogelijkheid creëren de hydraulische regeling direct in de soft-PLC te integreren. M.a.w. het was de bedoeling de regelings-know-how als PLC-software beschikbaar te hebben, om hierop steeds greep te kunnen hebben. Een ander beslissingscriterium was de wens om over te stappen naar een uniform IEC-gebaseerd sturingsconcept, dat tegemoet komt aan alle sturingseisen van de Schuler groep en bovendien de mogelijkheid biedt platformonafhankelijker te worden. “En hierbij hoort nu eenmaal geen systeem met een absoluut gebaseerde adressering zonder lokaal databeheer”, aldus Peters. Na een grondige marktstudie opteerde Schuler uiteindelijk voor de automatiseringssoftware TwinCAT van Beckhoff als voorkeurssysteem voor de Profiline persenreeks. PLC-, hydraulica- en aandrijfregelingsopdrachten kunnen hierdoor op een enkel platform worden gerealiseerd. Deze oplossing biedt als bijkomend voordeel dat, parallel op de sturings-PC, ook de visualisering van alle machine- en werktuigparameters met het Basic-View systeem van Schuler zelf kan worden uitgevoerd. “Alleen al door de integratie van de hydraulische regelingstechniek in de PLC-software waren we in staat een verbeterd proces te realiseren en hiermee de kwaliteit van de geproduceerde delen te verhogen”, blikt Ralf Sohr, constructieleider Elektriciteit bij Schuler Hydrap, terug op de beginfase van deze nieuwe sturingsoplossing. De proces interface – het bussysteem dus – was echter nog steeds het cruciale punt of zelfs de bottleneck van het concept. Clement Peters verklaart waarom: “D.m.v. aangepaste NC-taken in de TwinCAT-software zijn wij in staat, b.v. transfer-toepassingen met een hoge bewegingssnelheid van de sturingszijde uit te voeren. Hier realiseren wij cyclustijden van 1 tot 2 ms. De basisvoorwaarde om ook voor het hydraulische bereik een geïntegreerd platform – TwinCAT dus – te kunnen gebruiken is een bussysteem dat voldoet aan de eisen van de hydraulische regelingstechniek. Dit betekent dat een snelle captatie, verwerking en doorsturen van analoge signalen, alsook de positiemeting binnen het systeem van duidelijk onder 1 ms gegarandeerd moet zijn.” Met de toenmalig beschikbare mogelijkheden – conventionele PLC plus speciale hydraulische regelingsmodule en Profibus als bussysteem – kwam Schuler bij zijn persen niet onder een cyclustijd van 5 ms. Verantwoordelijk hiervoor was, volgens Ralf Sohr, de relatief hoge overhead van het communicatiesysteem. Dit veranderde weliswaar met de overstap naar de PC-techniek, aangezien het vermogen van de CPU van de PC-processoren voldoende was om de vereiste cyclustijden te behalen. “In elk geval”, licht Sohr toe “zolang Profibus als communicatiemedium diende, verbruikte het TwinCAT-systeem slechts ca. 10 % van de totale cyclustijd. De overige 90 % moest de sturing op de bediening van de procesperiferie wachten, m.a.w. op de Profibus-communicatie. De reserves van het systeem waren hierdoor met het oog op toekomstige ontwikkelingen zeer beperkt. Met EtherCAT beschikt men nu over een communicatiesysteem dat de volledige capaciteit van TwinCAT kan benutten en hierdoor nieuwe perspectieven opent.”

De Overhead drastisch gereduceerd
De situatie wijzigde grondig nadat Beckhoff op de Hannover Messe 2003 zijn Ethernet-gebaseerd EtherCAT-concept voorgesteld had en Schuler, op grond van de mogelijkheden van dit nieuwe bussysteem, de beslissing nam EtherCAT in een pilootproject in het Profiline-sturingsconcept te integreren. Sohr hierover: “Op grond van de snelheid van EtherCAT en zijn geringe Overhead hebben wij nu aanzienlijke snelheidsvoordelen. Dit houdt in dat wij met dit systeem in staat zijn snelle aandrijf- en hydraulische regelingen te realiseren voor alle toepassingen die wij momenteel binnen de Schuler groep kennen. En wat doorslaggevend is, door de extreem hoge performance van EtherCAT hebben wij voldoende potentieel voor de toekomst om ook omvangrijkere en complexere regelingsopdrachten zonder snelheidsproblemen op te lossen.” De performance data van EtherCAT alleen zouden echter onvoldoende geweest zijn om Schuler te overtuigen om naar EtherCAT om te schakelen. Een essentieel criterium pro EtherCAT was volgens Ralf Sohr: “dat wij een even grote verscheidenheid van de componenten in de machine konden integreren, als die, die wij in onze vorige bussystemen hadden.” De Constructieverantwoordelijke Elektriciteit argumenteert verder: “In de loop van de implementering hebben wij ook vastgesteld dat er inzake het kostenplaatje een verschil is tussen de Ethernet- en de Profibus-oplossing. Een Profibus-master-kaart kost catalogusprijs tussen 400 en 500 Euro. Een Ethernet-kaart daarentegen is ofwel reeds beschikbaar in de PC of kost tussen 50 en 60 Euro. En wat de aansluitingen van slaves betreft, daar ligt de verhouding bij ca. 1:3 ten gunste van de Ethernet-oplossing.” Ongeacht de technologische en kostenvoordelen van EtherCAT ziet Ralf Sohr duidelijk nog mogelijkheden tot verbeteringen bij de aansluittechniek van Ethernet. De industriedeugdelijkheid van een RJ45-stekker is helemaal nog niet te vergelijken met die van een veldbusconnector, die helemaal geen afscherming nodig heeft en die gewoonlijk zelfs met een eenvoudig werktuig, zoals b.v. een schroevendraaier, kan worden aangesloten. Hier is van de zijde van de producenten nog flink wat werk aan de winkel.

De volgende stappen
Ook al ligt het zwaartepunt van de implementatie van EtherCAT bij Schuler momenteel duidelijk op de hydraulische toepassingen, Clement Peters plant reeds een uitbreiding van de Ethernet-communicatie naar andere bereiken. Hij preciseert: “Potentieel zien wij o.a. in de koppeling van persen. Hier zou EtherCAT ons in staat moeten stellen een centraal master setpoint voor een volledige installatie vast te leggen en delen van de installatie, zoals elektrische transfers, bandaanvoerinrichtingen of afname- en stapelautomaten hierop te synchroniseren. Dit zou betekenen dat wij weggaan van systemen die op elkaar wachten en dat wij zo een grotere productiviteit kunnen realiseren.” Aangezien het Profiline-sturingsconcept, ondanks het gebruik van EtherCAT, nog steeds bussystemen nodig heeft, ligt het in de bedoeling van Schuler ook deze systemen geleidelijk door Ethernet te vervangen. De reden is duidelijk: onafhankelijk van de verschillende componenten betekenen verschillende bussystemen ook steeds verschillende projectiewijzen, configuraties en inbedrijfnames. Basisvoorwaarde daarvoor – Ethernet als enig communicatiesysteem voor de standaardsturingstechniek te kunnen gebruiken – is echter “dat onze belangrijkste leveranciers EtherCAT-compatibele componenten kunnen leveren”, beklemtoont Peters. Momenteel is het zo dat Schulers leverancier van aandrijvingen nog geen EtherCAT-interface in zijn apparaten heeft geïntegreerd. Om deze reden vormt Sercos interface nog steeds de verbinding tussen de assen en TwinCAT. De situatie m.b.t. de koppeling van de TwinCAT-sturing met de veiligheidssturing van de pers is gelijkaardig. Hier is de interface onveranderd Profibus. O.a. deze tekortkomingen hebben Schuler ertoe aangezet toe te treden tot de onlangs in het leven geroepen EtherCAT Technology Group (ETG). Peters: “Wij willen hiermee een zeker signaal naar onze leveranciers sturen en ze ertoe aanzetten – via de ETG – EtherCAT te ondersteunen.”

Uniforme concepten in de volledige groep
De ondersteuning door de componentenleveranciers is slechts een deel van het doel. Daarnaast rijst onvermijdelijk de vraag naar de aanvaarding van een Ethernet-gebaseerde sturingstechniek door de klant, in dit geval van de persengebruiker. De sturingsexpert van Schuler is hier optimistisch: “Het Beckhoff-sturingssysteem wordt binnen de groep in eerste instantie bij de Profiline-familie ingezet, bedoeld voor de toeleveranciers. Aangezien wij deze oplossing als standaardplatform gedefinieerd hebben, zijn er minder klantspecifieke aanpassingen nodig. Voor de klanten vertaalt zich dat uiteraard ook positief in de prijs.” “In de automobielindustrie echter, waar meestal moet worden voldaan aan zeer strenge specificaties en voorschriften van de producent, is de overstap naar nieuwe concepten moeilijker”, aldus Peters. Vandaag is de automobielindustrie in Europa en Azië vooral op Siemens Simatic S7 georiënteerd en op Control-Logix van Rockwell voor de Amerikaanse markt. Niettemin zouden ook bij automobielklanten de kansen voor de nieuwe sturingstechniek er niet zo slecht uitzien, aldus Peters: „Met TwinCAT, in verbinding met EtherCAT, kunnen wij bewijzen dat wij in staat zijn installaties op een hoger technologisch niveau te produceren en bovendien tegen een lagere kostprijs in vergelijking met conventionele sturingsoplossingen.” De doelstelling van Schuler als systeemaanbieder in de omvormtechniek is elk geval heel duidelijk dat de individuele ondernemingen ook in het bereik van de sturingstechniek uniform en met gelijke concepten op de markt komen. Het voorbije jaar waren er reeds succesvolle realisaties met Motion-Control toepassingen, gemeenschappelijke programmeerrichtlijnen voor de belangrijke sturingsplatformen, uniforme componenten en met het Schuler-Basic-View een gemeenschappelijk visualiseringsconcept. Hierdoor werd bij de cruciale interface met de systeem operator een uniforme “Look & Feel” voor de machines en installaties van de Schuler groep gecreëerd. Net zoals binnen de Schuler-groep bibliotheken met functiebouwstenen voor PLC- en Motion Control toepassingen permanent uitgebreid worden, is momenteel ook een “Control library” voor de hydraulische regelingstechniek in voorbereiding. In de praktijk betekent dit dat een tafelkussen van Schuler-persen voor een mechanische crossbar transferpers gebaseerd is op dezelfde bouwstenen, als een hydraulische pers bij Schuler SMG of bij Schuler Hydrap. <<

Ethernet maintient la pression
Application EtherCAT pour les presses Profiline de Schuler

L’année passée, la société Beckhoff – représentée par Multiprox en Belgique – a présenté EtherCAT lors de la foire de Hanovre: l’Ethernet en temps réel pour la Control Automation Technology. Depuis lors, la première application est devenue réalité! Dans le cadre d’un projet pilote, la société allemande Schuler a utilisé pour la première fois un système de bus de terrain basé sur Ethernet pour assurer la communication entre la périphérie de l’installation et le système de commande et de régulation basé sur PC pour sa nouvelle génération de presses Profiline. Un reportage de Günter Herkommer, rédacteur du magazine allemand Computer&Automation.

Etablie à Plüderhausen en Allemagne, Schuler Hydrap fait partie du groupe Schuler et est spécialisée dans les presses hydrauliques de la série Profiline destinées au secteur des appareils électroménagers et aux fournisseurs de l’industrie automobile. Lorsque, il y a un an et demi, Schuler a commencé le développement d’une nouvelle génération de presses capables de fournir des forces de compression variant entre 160 et 1.600 tonnes, elle a décidé de modifier radicalement la technique de commande. Schuler Hydrap utilisait jusqu’alors d’une part des commandes conventionnelles, du type Simatic S7 par exemple, et d’autre part toute une variété de modules hardware spécifiques destinés aux régulations hydrauliques. Les deux communiquaient avec la périphérie par Profibus. Comme les régulations hydrauliques font partie du métier de base des constructeurs de presses, ceux-ci préfèrent ne pas abandonner leur savoir. «C’est pourquoi Schuler ne voulait plus de cette solution spéciale» remarque Clement Peters, responsable du développement de la technique d’entraînement et de commande au sein du groupe Schuler. «Nous n’avons aucun intérêt à travailler avec un constructeur de modules de régulation hydraulique qui met son know-how à notre disposition dans une soi-disant «black box» à laquelle nous n’avons aucun accès par la suite. « En migrant vers une technique de commande de haute performance basée sur PC, Schuler a voulu intégrer la régulation hydraulique directement dans le soft-PLC. En d’autres mots: elle voulait pouvoir disposer du know-how de régulation sous la forme de logiciel PLC afin de pouvoir le maîtriser et y apporter des changements éventuels dans le futur. Le souhait de pouvoir passer à un concept de commande uniforme basé sur IEC, couvrant toutes les applications de commande de l’ensemble du groupe et permettant en même temps d’être moins dépendant des plates-formes, constituait un autre critère de décision. «Un système nécessitant un adressage absolu sans gestion locale des données ne cadre pas avec une telle conception» ajoute-t-il. Après une étude approfondie du marché, Schuler a finalement opté pour TwinCAT, le logiciel d’automatisation de Beckhoff, pour sa nouvelle série de presses Profiline. Ce système lui permet de réaliser les tâches de PLC, hydrauliques et de régulation d’entraînement sur une plate-forme unique. En plus, cette solution permet de visualiser simultanément sur le PC de commande tous les paramètres des machines et des outils à l’aide de Basic-View, le système du groupe Schuler. «L’intégration de la technique de régulation hydraulique dans le logiciel PLC nous permettait à elle seule déjà d’améliorer le processus et d’augmenter la qualité des pièces produites», observe Ralf Sohr, Responsable de Construction Electricité chez Schuler Hydrap en repensant à la phase initiale de cette nouvelle solution de commande. Cependant, l’interface avec le processus – c.-à-d. le système de bus – restait toujours le point crucial, voire même le goulot d’étranglement de cette solution. Clement Peters nous explique: «Par le biais de fonctions de CN adaptées dans le logiciel TwinCAT, nous pouvons par exemple réaliser des applications de transfert à une grande vitesse de mouvement au niveau de la commande. Nous réalisons ici des temps de cycle de 1 à 2 ms. Un bus de terrain rencontrant les exigences de la technique de régulation hydraulique est la condition sine qua non pour pouvoir utiliser également une plateforme intégrée – donc TwinCAT – pour la régulation hydraulique. C’est pourquoi le système doit absolument assurer la capture, le traitement et le transfert rapides des signaux analogiques, ainsi qu’une mesure de position en moins de 1 ms.» Avec les moyens de l’époque, c.-à-d. le PLC conventionnel, le module de régulation hydraulique spécial et Profibus comme bus de terrain, Schuler ne pouvait pas obtenir un temps de cycle inférieur à 5 ms pour ses presses. Selon Ralf Sohr, le surdébit relativement élevé du système de communication en était responsable. Cette situation a changé avec le passage à la technologie PC, puisque la performance de la CPU des processeurs PC suffisait pour obtenir les temps de cycles requis. «En tout cas,» explique Ralf Sohr «tant que Profibus assurait la communication, le système TwinCAT n’utilisait qu’environ 10 % du temps de cycle total. Pendant les 90 % restants, la commande devait attendre le traitement de la périphérie de processus, c.-à-d. la communication Profibus. De ce fait, les réserves du système étaient plutôt réduites en vue des futurs développements. Avec EtherCAT, nous disposons maintenant d’un système de communication capable d’utiliser la capacité entière de TwinCAT, ce qui nous ouvre de nouvelles perspectives.»

Réduction radicale du surdébit
La situation a profondément changé après la présentation à la foire de Hanovre 2003 du concept EtherCAT de Beckhoff basé sur Ethernet. Impressionnée par les possibilités de ce nouveau système de bus, Schuler décida d’intégrer EtherCAT dans son concept de commande Profiline, dans le cadre d’un projet pilote. «Grâce à la vitesse d’EtherCAT et à son surdébit très réduit, nous bénéficions maintenant d’avantages considérables en termes de vitesse. Cela signifie que ce système nous permet de réaliser des régulations hydrauliques et d’entraînement rapides pour toutes les applications actuellement utilisées dans le groupe Schuler. Un autre élément décisif concerne la performance extrêmement élevée d’EtherCAT qui nous permettra à l’avenir de résoudre des applications de régulation plus complexes sans problèmes de vitesse» précise encore Ralf Sohr. Les données de performance d’EtherCAT n’auraient néanmoins pas suffi à elles seules pour convaincre Schuler de migrer vers EtherCAT. Un élément crucial en faveur d’EtherCAT était, selon Ralf Sohr, «la possibilité d’intégrer dans la machine une aussi grande diversité de composants que celle que nous offraient nos systèmes de bus précédents.» Le Responsable de Construction Electricité poursuit son argumentation. «Au cours de l’implémentation, nous avons constaté une différence entre une solution Ethernet et Profibus au niveau des frais. Une carte maître Profibus coûte entre 400 et 500 euros (prix catalogue). En revanche, la carte Ethernet est déjà présente dans le PC ou coûte entre 50 et 60 euros. En ce qui concerne les raccordements des esclaves, le rapport est de 1 pour 3 en faveur de la solution Ethernet.» Malgré les avantages technologiques et financiers d’EtherCAT, Ralf Sohr est convaincu que des améliorations peuvent encore être apportées au niveau de la technique de raccordement Ethernet. On ne peut pas comparer la fiabilité industrielle d’un connecteur RJ45 à celle d’un connecteur de bus de terrain qui ne nécessite aucun blindage et qui peut généralement être raccordé à l’aide d’un simple outil tel qu’un tournevis. Il y a encore du pain sur la planche pour les constructeurs!

Les prochaines étapes
Même si l’essentiel de l’implémentation d’EtherCAT chez Schuler se concentre maintenant clairement sur les applications hydrauliques, Clément Peters prévoit déjà une extension de la communication Ethernet vers d’autres domaines. «Nous voyons un potentiel dans le couplage de presses. EtherCAT devrait nous permettre de déterminer un point de consigne central pour une installation complète et de synchroniser ainsi différents composants de l’installation, tels que les transferts électriques, les mécanismes d’entraînement de la bande ou les automates d’enlèvement et d’empilage. Cette solution signifie que nous renonçons aux systèmes qui s’attendent l’un l’autre, ce qui devrait nous permettre d’augmenter notre productivité» précise-t-il. Puisque, malgré l’utilisation d’EtherCAT, le concept de commande des Profiline requiert toujours des systèmes de bus, Schuler a l’intention de remplacer progressivement ces systèmes par Ethernet. La raison est évidente: indépendamment des différents composants, l’utilisation de plusieurs systèmes de bus implique toujours différentes méthodes de projet, configurations et mises en service. Afin de pouvoir utiliser Ethernet comme système de communication unique pour la technique de commande standard, il est indispensable «que nos principaux fournisseurs puissent fournir des composants compatibles EtherCAT», souligne Clément Peters. Pour l’heure, le fournisseur d’entraînements de Schuler n’a pas encore intégré d’interface EtherCAT dans ses appareils. Voilà pourquoi l’interface Sercos constitue toujours la connexion entre les axes et TwinCAT. Il en va de même pour la communication entre la commande TwinCAT et la commande de sécurité de la presse. Ici, l’interface reste invariablement Profibus. Ces défaillances ont incité Schuler à devenir membre de l’EtherCAT Technology Group (ETG). Et Clément Peters d’ajouter: «Nous voulons ainsi donner un signal à nos fournisseurs et les inciter à soutenir EtherCAT via l’ETG.»

L’objectif: des conceptions uniformes dans l’ensemble du groupe
L’assistance par les fournisseurs de composants ne constitue qu’une partie de l’objectif. La question de l’acceptation par le client d’une technique de commande basée sur Ethernet se pose inévitablement, cette fois dans le chef de l’utilisateur des presses. L’expert en commandes réagit de manière optimiste: «Dans le groupe, le système de commande de Beckhoff est utilisé en premier lieu dans la famille Profiline à l’attention des sous-traitants. Puisque nous avons défini cette solution comme une plate-forme standard, la réalisation des besoins du client nous demande moins d’adaptation. Pour les clients, ceci se traduit naturellement par un prix plus attrayant.» «Dans l’industrie automobile pourtant, où des spécifications et prescriptions très rigoureuses du producteur doivent être respectées, l’acceptation de nouvelles conceptions est moins aisée» déclare Clément Peters. «L’industrie automobile s’oriente aujourd’hui surtout vers le Simatic S7 de Siemens en Europe et en Asie et vers le Control-Logix de Rockwell sur le marché américain. Néanmoins, le potentiel d’une nouvelle technique de commande chez les clients du secteur automobile ne semble pas mal» ajoute-t-il. «Avec TwinCAT, en combinaison avec EtherCAT, nous sommes en mesure de prouver que nous sommes capables de produire des installations d’un haut niveau technologique et à un prix moindre comparées aux solutions de commande classiques.» Le but de Schuler, en tant que constructeur de systèmes dans la technique de déformation de métaux, est de montrer que les entreprises individuelles mettent sur le marché des concepts identiques et uniformes, même dans le domaine de la technique de commande. L’année passée, on a pu réaliser avec succès des applications de Motion Control, des directives de programmation communes pour les plateformes de commande les plus importantes, des composants uniformes et un concept de visualisation commun grâce au Schuler Basic-View. Ceci a permis de créer pour les opérateurs système un «Look & Feel» uniforme pour toutes les machines et installations du groupe Schuler. A l’instar des bibliothèques de blocs fonctionnels pour applications de PLC et de Motion Control qui sont constamment étendues dans le groupe Schuler, une «Control library» pour la technique de régulation hydraulique est actuellement en préparation. Concrètement, cela signifie qu’un coussin des presses Schuler pour une presse crossbar transfer mécanique s’appuie sur les mêmes blocs fonctionnels qu’une presse hydraulique de Schuler SMG ou de Schuler Hydrap. <<