Der Begriff „Personal Computer“ (PC) wurde ab 1981 im Sprachgebrauch zunehmend und exklusiv mit dem IBM PC und dessen IBM-kompatiblen PC-Nachbauten verknüpft. Es wurden Prozessoren der x86-Prozessor-Familie verbaut und das Betriebssystem DOS verwendet. Diese Hardware und das Betriebssystem wurden 1986 von Beckhoff so modifiziert, dass auch eine Steuerung mit Motion Control darauf ausgeführt werden konnte – ein langer und vor allem innovations- und erfolgreicher Weg bis zur heutigen modularen Softwaregeneration TwinCAT 3.
Einer der Gründe für den Erfolg der PC-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff ist der stete Blick in Richtung der Standard-IT. Neben den entsprechenden Hardware-Entwicklungen fließen auch bewährte Software-Trends der IT in PC-based Control ein, sodass TwinCAT-Anwender in vollem Umfang von der IT/OT-Konvergenz profitieren.
TwinCAT ist als umfassende Automatisierungssuite in vielen unterschiedlichen Bereichen mit den passenden Komponenten vertreten. Hierzu zählen einerseits die Engineering-Produkte zum Konfigurieren und Programmieren einer Applikation. Zum anderen stehen die sogenannten Runtime-Produkte zur Verfügung, deren Basis die Echtzeitumgebung für die unterschiedlichen Betriebssysteme ist.
Offenheit, Durchgängigkeit sowie umfassende Funktionalität und vor allem die Verbindung von IT und Automatisierungstechnik sind Kernaspekte, die Anwender an TwinCAT 3 als zukunftsorientierter Software-Plattform zu schätzen wissen. Dies bestätigten Peter Kurhajec vom Maschinenbauer MTS und Jakob Sagatowski von Dry Phase Patterning, schwedischer Hersteller von Anlagen zur Elektronikfertigung, bei einem Expertengespräch.
Bei der Kalkulation der Kosten einer Maschine oder Anlage wird oft der Engineering-Anteil vergessen oder verdrängt. Dabei sind die Kosten für das Engineering zum Teil sehr hoch und setzen sich nicht nur aus den initialen Kosten der Entwicklung zusammen. Es gehören auch die Kosten für Inbetriebnahme und Wartung über die gesamte Laufzeit der Maschine oder Anlage dazu. Hier stellt TwinCAT mit der Integration in Visual Studio® und vielen erweiternden Funktionen eine optimale Lösung dar.
Die Cloud stellt die notwendige, skalierbare Infrastruktur zur Verfügung, damit sich Milliarden von Geräten überhaupt miteinander vernetzen lassen. Für Maschinenbauer und Anlagenbetreiber bedeutet dies eine enorme Chance, denn wer die Potenziale der PC- und cloudbasierten Steuerungstechnik zu einer Vernetzung auf der Automatisierungsebene optimal ausschöpft, kann mittel- und langfristig Wettbewerbsvorteile realisieren.
Eine zentrale Herausforderung von Industrie 4.0 und dem IIoT ist der sichere, standardisierte Daten- und Informationsaustausch zwischen Geräten, Maschinen und Diensten – auch über Branchengrenzen hinweg. OPC UA ist hierbei der geeignete und mit TwinCAT äußerst effizient nutzbare Standard für eine hersteller- und plattformunabhängige Kommunikation.
Speicherprogrammierbare Steuerungen sind seit vielen Jahren in der Industrie für verschiedene Einsatzzwecke bekannt und beliebt. Seit 1994 werden Steuerungen nach der Norm IEC 61131-3 programmiert. TwinCAT PLC unterstützt diese Norm ebenfalls, die nicht nur eine Programmiersprache, sondern eine komplette Architektur für Steuerungen beschreibt. Darin sind u. a. Tasks, Bausteine, Datentypen und Programmiersprachen beschrieben.
Ob bei Fertigungs- und Montageprozessen, in der Gebäudeautomation oder im Entertainment-Bereich, in der Regel sind einfache bis komplexe Bewegungen zu realisieren. Hierfür bietet TwinCAT Motion Control die ideale Lösung für jede Aufgabenstellung. Dazu setzt sich TwinCAT Motion Control, wie auch TwinCAT im Allgemeinen, aus einer Vielzahl an Modulen zusammen, aus denen aufgabenspezifisch die perfekte Lösung zusammengesetzt werden kann.
Roboter sind frei programmierbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, welche typischerweise Handlingaufgaben erledigen, aber auch Fertigungsprozesse durchführen können. TwinCAT Motion stellt hierfür u. a. mit der Funktion Kinematic Transformation eine mechanikunabhängige, programmierbare Steuerung zur Verfügung.
Die Anforderungen an moderne Bahnsteuerungen sind vielfältig. Dynamische Achsführung bei hoher Konturtreue, Flexibilität in der Anwendung gepaart mit einfacher Inbetriebnahme sowie Offenheit bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit sind nur einige der wesentlichen Aspekte. Beckhoff trägt diesen Erwartungen mit zwei sich ergänzenden Motion-Softwareprodukten Rechnung: TwinCAT NC I und TwinCAT CNC.
Mit XTS und XPlanar hat Beckhoff zwei Multi-Mover-Systeme im Portfolio, die nicht nur elektronisch und mechanisch sehr komplex sind, sondern auch an die Software hohe Anforderungen stellen. Denn beide Systeme werden komplett über einen IPC und TwinCAT gesteuert, sowohl die Positionsregelung als auch die Bewegungs- bzw. Bahnplanung der einzelnen Mover.
Scientific Automation beschreibt die Integration ingenieurwissenschaftlicher Erkenntnisse in die Automatisierungstechnik. Unter dieser Definition entwickelt Beckhoff seit 2008 verschiedene Produkte, die zeigen, dass mit einer PC-basierten Steuerung viel mehr als „nur“ Standard-Automatisierung möglich ist.
Daten sind Gold – warum eigentlich? Weil sie viel zu „erzählen“ haben. Das gilt auch im industriellen Umfeld und dort insbesondere für Maschinen. TwinCAT Analytics hilft dabei die Maschinen-, Produktions- und Bedienparameter auszuwerten und zu interpretieren, um Mehrwerte für Maschinenbauer, Systemintegratoren, Produzenten und Endverbraucher zu generieren.
Die Bildverarbeitung ist nun vollständig sowohl in das Engineering als auch in die Runtime integriert und lässt sich analog zu den Bewegungsachsen in der SPS konfigurieren und programmieren.
TwinCAT zeichnet sich seit jeher durch seine Modularität und Offenheit aus, was der Automatisierung durch die Integration diverser Spezialtechnologien, immer wieder neue Möglichkeiten eröffnet hat.Zusätzliche Optimierungspotenziale verspricht insbesondere die Nutzung von Elementen der künstlichen Intelligenz. Das mit TwinCAT Machine Learning nahtlos in die Steuerungstechnik eingebundene maschinelle Lernen gilt hier als vielversprechendste Technologie.
Neben klassischer SPS-Programmierung nach IEC 61131-3 und der Hochsprachenprogrammierung mit C++ unterstützt TwinCAT auch MATLAB® und Simulink®. Bei deren Nutzung hat sich die Beckhoff-Automatisierungssuite bereits als erfolgreiche Softwareplattform etabliert – mit der Nutzung von MATLAB®/Simulink® durch über 2.000 Ingenieure auf mehr als 6.500 TwinCAT-gesteuerten Maschinen.
C++ gehört zu den weitverbreitetsten Programmiersprachen, insbesondere wenn es um hardwarenahe Programmierung geht. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von C++ wird von einer aktiven Entwicklergemeinde vorangetrieben. Grund genug für Beckhoff in TwinCAT C++ als Echtzeitprogrammiersprache anzubieten.
Analog zur stetigen Weiterentwicklung der verfügbaren und realisierbaren Funktionalität in der TwinCAT-Entwicklungsumgebung ist dieser Trend auch im Bereich Engineering für sicherheitsrelevante Anwendungen zu beobachten. Angefangen von einer Verwaltung sicherheitsrelevanter Applikationen in TwinCAT 2 bietet TwinCAT 3 nunmehr alle Möglichkeiten, sowohl einfache als auch sehr komplexe Sicherheitsapplikationen intuitiv zu realisieren.
Ein offenes Steuerungssystem wie TwinCAT besteht in erster Linie aus den Kernbereichen, deren Funktion die eigentliche Steuerung ausmachen. Hierzu zählen das Echtzeitsystem als Grundlage, die SPS als Programmierplattform, Motion Control für die Bewegungssteuerung und viele andere Funktionen. Ebenso wichtig ist allerdings die Kommunikationsfähigkeit des Steuerungssystems, welche die Steuerungsfunktionen erst nutzbar macht und vor allen Dingen die Erweiterbarkeit einer konkreten Anwendung sicherstellt.
Die Schnittstelle vom Menschen zur Maschine unterliegt zunehmend höheren Anforderungen. Die Maschinenbedienung soll ansprechend aussehen und die Corporate Identity des Unternehmens widerspiegeln. Zusätzlich soll die User Experience verbessert werden, wobei die Inbetriebnahme- und Entwicklungszeiten zu optimieren sind. TwinCAT HMI stellt sich diesen Anforderungen und prägt den Weg für die nächste HMI-Generation.
PC-based Control ist die Kombination aus allgemein verfügbarer Technologie der IT-Welt mit spezialisierten Funktionen für die Automatisierungstechnik. Dazu wird ein Standardbetriebssystem und Standard-PC-Hardware genutzt. De-facto-Standard bei Betriebssystemen im Office-Bereich ist Microsoft Windows, das mit einer leistungsfähigen Echtzeiterweiterung und TwinCAT für die Automatisierungstechnik ertüchtigt wurde.
Für die I/O-Ebene von TwinCAT gab es einen wichtigen Wendepunkt – die Entwicklung und die Einführung von EtherCAT im Jahre 2003. TwinCAT und EtherCAT haben nicht nur ein gemeinsames Namensschema, sondern ergänzen sich gegenseitig zu einer sehr leistungsfähigen Steuerung.
Die TwinCAT Runtime ist die Ausführungsschicht für Programme, die mit dem TwinCAT Engineering (XAE) entwickelt wurden. Die Runtime stellt die benötigte Umgebung für die zuvor kompilierten Module bereit. Es gibt die TwinCAT Runtime nicht nur für mehrere CPU-Plattformen, sondern auch für verschiedene Betriebssysteme.
PC-based Control – und damit auch TwinCAT – ist eine universell einsetzbare Steuerungstechnologie für ein dementsprechend breites Anwendungsspektrum. Spezifische und für bestimmte Branchen unerlässliche Anforderungen werden aber ebenfalls abgedeckt. Wie vielfältig der Einsatzbereich von PC-based Control und TwinCAT ist, verdeutlichen die folgenden Branchenbeispiele.
Die XFC-Technologie (eXtreme Fast Control Technology) beschreibt eine optimal abgestimmte Kombination von Beckhoff-Hard- und -Softwareprodukten, um eine äußerst schnelle Steuerungslösung zu realisieren.
Die frühe Entscheidung, TwinCAT als PC-basierte Steuerung auf Betriebssystemen aus der IT-Branche zu realisieren, hat sich auch bezüglich der IT-Security als vorteilhaft erwiesen. Denn massentaugliche Funktionen für die IT-Security erschienen zuerst für solche Systeme und konnten deshalb oft direkt mit TwinCAT verwendet werden.
