Mit der Weiterentwicklung von Windows-PC-Anwendungen und der zunehmenden Verbreitung im kommerziellen Bereich werden Elektrotechniker immer innovativer in ihren Designkonzepten, der Steuerung, Kommunikation und Überwachung, was zur Verbesserung der Produktleistung beiträgt. Beckhoffs offenes Produktangebot ermöglicht es Anwendern, Geräte vom Büro aus zu steuern und sie über verschiedene offene Schnittstellen in Netzwerke zu integrieren.
Koch, ein professioneller Hersteller von Verpackungsmaschinen, hat dank der Steuerungssoftware TwinCAT von Beckhoff das Preis-Leistungs-Verhältnis seiner mittelgroßen und großen Maschinen deutlich verbessert. Heinrich Hornberger, Chefkonstrukteur des Unternehmens, erklärt: „Sie bewältigt die komplexen Aufgaben von SPS und NC (numerischen Steuerungssystemen). Die Software ist PC-basiert und steuert die Prozesse über einen PC-Prozessor. Dadurch wird die teure Steuerungstechnik herkömmlicher Systeme ersetzt.“ Hornberger nennt ein besonders überzeugendes Anwendungsbeispiel: „Wir haben für VARTA eine Produktionslinie gebaut, eine Schäumanlage für Signalleuchten/Taschenlampen und Batterien. Die gesamte Steuerung erfolgte über Beckhoffs TwinCAT.“
Die Koch GmbH, ein deutscher Hersteller von Verpackungsmaschinen, nutzt die PC-basierte Automatisierungslösung von Beckhoff, die die Soft-SPS/NC-Software TwinCAT von Beckhoff, Bus-Terminals, optische Schnellbusse und Industrie-PCs für die Taschenlampen-Verpackungslinie von VARTA umfasst.
Von mehr als 15 SPS-Lösungen zu einer standardisierten LösungEin komplettes Werkzeugmaschinen-Steuerungssystem lässt sich mit vier Komponenten von Beckhoff realisieren: der TwinCAT-Software (SPS und NC), einem Industrie-PC, dem Beckhoff Lightbus und intelligenten Bus-Terminals. Kernstück ist die Echtzeit-Software TwinCAT. Herr Heinrich Hornberger hob die Hauptvorteile von TwinCAT gegenüber herkömmlichen SPS hervor: „Früher hatte jeder Kunde, der unsere Produkte bestellte, seine eigenen Anforderungen und hoffte stets auf spezielle Steuerungsfunktionen für seine Maschinen. In solchen Fällen mussten wir zunächst die Bedürfnisse ermitteln, bevor wir mit der Entwicklung beginnen konnten. Insbesondere einige ausländische Kunden wollten, dass die gekauften Maschinen ihren nationalen Gegebenheiten entsprachen. Dies führte dazu, dass die Entwickler von Koch selbst für dasselbe Maschinenmodell Hardware und Software anpassen mussten, um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, was einen enormen Arbeitsaufwand bedeutete. Daher war dringend eine leistungsstarke Lösung erforderlich, um die Probleme zu vereinfachen, für die zuvor mehr als 15 SPS benötigt wurden. Dies war ein entscheidender Punkt, den es bei der Entwicklung zu berücksichtigen galt. Unter diesen Umständen entschieden sich die Ingenieure für die PC-basierte Lösung von Beckhoff. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung des Betriebssystems Windows NT und dem Aufkommen leistungsstarker Pentium-Prozessoren setzt Koch heute Software-SPS/NCs ein, um die herkömmliche SPS- und NC-Hardware zu ersetzen. Die Mehrachsensteuerung der Werkzeugmaschinen wird vollständig von TwinCAT übernommen und ermöglicht so eine präzise Positionierung für die Prozesse in Verpackungsmaschinen.“
Die Debugging-Zeit wurde erheblich reduziert
Das oben Genannte stellt nicht den gesamten Funktionsumfang der Beckhoff TwinCAT-Software dar, die auch die Konstruktion und die Konzepte der Werkzeugmaschinen von Koch vereinfacht. „Selbst wenn man programmieren kann, kann man nicht immer von vorne anfangen“, sagt Heinrich Hornberger. „Wir versuchen, bei der Entwicklung von Werkzeugmaschinen-Steuerungssystemen so weit wie möglich denselben Ansatz beizubehalten. Obwohl wir über eine standardisierte, langlebige Bedienplattform verfügen (die uns zumindest die Entwicklung einer Standardschnittstelle ermöglicht), entwickeln sich zukünftige Steuerungstechnologien ständig weiter.“
„Dank TwinCAT können wir die ursprünglichen Programmiermodule für neue Modelle modifizieren. Dadurch sparen wir viel Arbeitskraft und Ressourcen.“
Aufgrund dieser Vorteile entschied sich Koch für die PC-Steuerungslösung von Beckhoff, wodurch die wiederholte Programmierung verschiedener SPSen durch die Ingenieure entfiel. Feldsignale werden über intelligente Terminals eines verteilten Busses und Beckhoffs Lightbus an die IPC übertragen, und TwinCAT sendet die Steuerbefehle in Echtzeit an die Aktoren.
Obwohl Windows NT selbst kein Echtzeitbetriebssystem ist, bleibt der Windows-Betriebssystemkern in diesem Fall unberührt. Der Echtzeitbetrieb von TwinCAT wird durch einen integrierten Scheduler erreicht, der die Rechenzeit zwischen Betriebssystem und Steuerungssoftware trennt. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle wird über ein Beckhoff-Bedienfeld realisiert, das 65 Meter vom Steuerungs-PC entfernt installiert ist.
Es wird keine Erweiterungskarte benötigt; die Windows-basierte Echtzeit-Steuerungssoftware von Beckhoff ermöglicht die Kommunikation der Maschinen mit der Außenwelt und damit die Fernwartung – auch die Verpackungsmaschinen von Koch sind davon betroffen. Hersteller können ihren Kunden Serviceleistungen über ISDN oder Modem anbieten, indem sie einfach die Fernsteuerungssoftware Symatec nutzen. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Integration in das Firmennetzwerk via Ethernet. Techniker können die Maschinen von ihren Büros aus steuern und darauf zugreifen. Maschinenfehler- und Betriebsinformationen werden als Bericht an den Industrie-PC übertragen und anschließend in Excel-Tabellen verarbeitet. Ein weiterer Vorteil für die Ingenieure von Koch ist, dass die Programmiermethode von TwinCAT auf dem Standard IEC 61131-3 basiert.
Dies gewährleistet zumindest grundlegende Kompatibilität mit Standard- und Industriesteuerungen. Die TwinCAT-Software dient der Programmierung von Engineering-Projekten und unterstützt alle gängigen Programmiersprachen. Herr Hornberger räumte ein, dass Programmierung und technischer Support unter Windows-Systemen zwar teurer sind als herkömmliche SPS-Programmiermethoden, die weite Verbreitung von Windows sowie die vorhandenen Technologien und das Know-how jedoch die Entwicklung von Microsoft-Systemtechnik erleichtern. Auch die Bedieneinheiten von Koch wurden deutlich vereinfacht: Eine grafische Benutzeroberfläche auf dem Monitor ermöglicht die vollständige visuelle Überwachung. Der Maschinenbildschirm kann direkt über eine separate Station angezeigt werden. Karl Saile, Ingenieur bei Koch und zuständig für die technische Dokumentation, erklärte, dass die Bediener nun ein Bild der Maschine vor sich haben; alles, was zuvor auf Papier gesucht werden musste, ist jetzt übersichtlich auf dem Bildschirm sichtbar. Das System meldet Fehlerinformationen in Textform und zeigt die Fehlerstelle schnell als Bild an. Die Bediener können die wichtigsten Einbaupositionen und Ventilinseln direkt auf dem Bildschirm auswählen, die Fehlerstelle anhand der grafischen Informationen schnell identifizieren und einzelne Ventile per Touchscreen steuern.
Die Bedienungsanleitung ist in einer Multimediadatei zusammengefasst, auf die die Bediener direkt über den Monitor zugreifen können, um das vollständige Handbuch (im PDF-Format) zu erhalten.
Einige extern beschaffte Peripheriegeräte, wie Etikettendrucker und Drucker, lassen sich über Standardschnittstellen anschließen. Herr Hornberger erklärte, dies vereinfache die Bedienung erheblich. „Die Entwicklung dieser Druckerschnittstelle mit einer herkömmlichen SPS wäre sehr zeitaufwendig und würde bis zu zwei Wochen dauern.“
Je größer die Fabrik, desto deutlicher zeigt sich der Vorteil der oben genannten vereinfachten Lösung hinsichtlich der Kosteneinsparungen, da sie mehr Hardware-SPS und Hardware-NCs ersetzen kann. Für sehr kleine Maschinen bietet die PC-Steuerung derzeit jedoch keine kosteneffiziente Lösung. Hornberger erklärte: „In solchen Fällen würden wir Windows CE- oder Embedded-NT-Systeme bevorzugen.“
Das Hauptdesign nutzte zudem die NC-Funktionalität von TwinCAT, wodurch die Investitionen in herkömmliche NC-Hardware deutlich reduziert wurden. Herr Hornberger erinnerte sich: „Früher benötigte man mit herkömmlicher SPS-Hardware eine teure intelligente Steuerung zur Ansteuerung der Maschinenachsen.“ Diese Steuerung empfing Befehle von der SPS über eine Busverbindung. Mit TwinCAT genügt nun eine einfache Steuerung, die Anweisungen von einem PC erhält. Dies sparte im Fall des VARTA-Werks (mit 8 Achsen) erhebliche Kosten und machte einen dedizierten Bus für die parallele Datenübertragung überflüssig.
Während er sich voll und ganz auf den Masterplan konzentrierte, beschrieb Herr Hornberger die Vorteile des Multitaskings: „Wir definieren für jede Aufgabe und jeden Kontrollschritt eine Reaktionszeit, zum Beispiel 1, 10 oder 100 Millisekunden.“
Die komplette Software für die Maschine und die Peripheriegeräte ist auf dem industrietauglichen Box-PC von Beckhoff installiert, der direkt neben der Maschine montiert ist. Das benutzerfreundliche Bedienfeld verfügt über eine vertraute Windows-Oberfläche und ist auf einem Drehständer befestigt.
Koch vertraut voll und ganz auf die Datenübertragungstechnologie von Beckhoff. Lightbus ist ein Feldbus, der Glasfaser als Übertragungsmedium nutzt, und Busklemmen dienen als I/O-Schnittstellen. Wie Herr Hornberger erklärte: „Früher mussten wir SPS- und NC-Steuersignale parallel zu den Achsen verkabeln. Mit den Beckhoff-Busklemmen können wir die Lightbus-Station nun flexibel an der Anlage platzieren, um verschiedene Signale zu übertragen.“ Koch verwendet Busklemmen hauptsächlich zur Verbindung verteilter Signale. Herkömmliche Bushersteller bieten lediglich 8-, 16- oder 32-Punkt-Klemmenmodule pro Station an, was unflexibel ist. Die auf DIN-Schienen montierten Beckhoff-Busklemmen hingegen lassen sich je nach Prozessanforderungen und Signalarten frei kombinieren. Peripheriegeräte spielen daher eine wichtige Rolle für eine standardisierte Produktion. Beckhoff-Koppler, die mehrere Feldbusse unterstützen, übertragen Signale über den Bus an einen PC.
Der Einsatz von Beckhoff-Busklemmen gewährleistet eine einfache und flexible Verdrahtung für großflächige, dezentrale Installationen innerhalb der Koch-Verpackungsmaschine.
Unabhängige Busterminals ermöglichen eine sehr flexible und bequeme Verkabelung.
In der Praxis bieten Busklemmen den Vorteil einer komfortablen Verdrahtung und ermöglichen den direkten Anschluss von Feldgeräten und Maschinen. Bei Bedarf genügt es, eine Busklemme anzuschließen, um den Datenaustausch mit der Steuerung herzustellen. Heinrich Hornberger erklärte: „Wenn in einer Produktionslinie unterschiedliche Busprotokolle verwendet werden, beispielsweise zur Kommunikation mit einer anderen Maschine, genügt ein passender Buskoppler, um die gesamte Fabrik betriebsbereit zu machen.“ Koch benötigt jedoch keine unterschiedlichen Busverbindungsmethoden. Unabhängig vom Signaltyp – analog, digital oder sogar eine RS232-Schnittstelle am PC – kann das System an verschiedene offene Bussysteme angebunden werden. Bisher waren dafür parallele Verbindungen über Kabel erforderlich.
Laut Hornberger überträgt Beckhoffs Lightbus Daten über Glasfaser und bietet damit mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Kommunikationskabeln. Er erklärte: „Normalerweise müssen wir bei Kupferkabeln mitunter Störungen berücksichtigen, beispielsweise die korrekte Positionierung der Abschirmdrähte oder lose Stecker. Lightbus hat dieses Problem nicht.“
Glasfaserkabel lassen sich einfach verlegen und verursachen kaum Probleme. Nach der Installation ist Lightbus sofort betriebsbereit. Hornberger hob die Vorteile der Beckhoff-Lösung hervor: „Fehlerbehebungen beginnen oft erst in der Anfangsphase der Kabelübertragung.“ Auch die Signalübertragung über große Entfernungen im Feld ist für Lightbus problemlos möglich.
Die unterschiedlichen Potenziale der einzelnen Arbeitsstationen in der Produktionslinie haben keine negativen Auswirkungen. Bei einem Abstand von weniger als 300 Metern zwischen den verteilten Stationen können alle Signale mit einer Geschwindigkeit von 2,5 Megabit pro Sekunde übertragen werden, und die vom Nutzer erwartete Signalstärke wird erreicht.
Die Taschenlampe und die Batterien sind in einer miteinander verbundenen, transparenten Blisterverpackung aus Kunststoff verpackt, zusammen mit der Bedienungsanleitung.
Die obere und untere Hälfte einer transparenten Kunststoffblisterverpackung werden von einer Kartoniermaschine getrennt. Das Produkt wird manuell in die untere Hälfte der Blisterverpackung gelegt. Anschließend verschließt die Maschine die obere Hälfte. Die beiden Teile werden mittels Hochfrequenzschweißen miteinander verschweißt und die Kontur geprägt. Nach dem abschließenden Euro-Stanzen ist das Produkt bereit für den Verkauf. Das Maschinenbauunternehmen realisierte die Konstruktion dieser komplexen Anlage in nur wenigen Monaten. Hervorzuheben ist außerdem, dass durch eine Erweiterung des Projekts die Verpackung von zehn verschiedenen Taschenlampenmodellen möglich ist.
