Dieser Artikel beschreibt die nahtlose Integration der ControlLogix-Plattform von Rockwell Automation in die bestehende Sercos-Glasfasernetzwerkstruktur (serielles Echtzeit-Kommunikationssystem) von Reifenformmaschinen. Er erläutert, wie die ControlLogix-Plattform Logik-, Prozess- und Bewegungssteuerung integriert und so eine integrierte Bewegungssteuerungslösung realisiert – und welche Vorteile diese bietet. Ganzstahl-Radialreifen für Lkw werden in China seit vielen Jahren eingesetzt und zeichnen sich durch hohe Produktqualität, hohe Geschwindigkeiten, Verschleißfestigkeit, Kraftstoffeffizienz und Umweltfreundlichkeit aus, was zu erheblichen gesellschaftlichen Vorteilen führt. Insbesondere in den letzten Jahren hat der rasante Ausbau des Autobahnnetzes die Nachfrage nach Ganzstahl-Radialreifen für Lkw stark ansteigen lassen. Führende Reifenhersteller haben Ganzstahl-Radialreifen für Lkw zu einem wichtigen Entwicklungsschwerpunkt gemacht und ihre Produktion ausgeweitet. Gleichzeitig sind in China viele neue Hersteller von Ganzstahl-Radialreifen für Lkw entstanden. Die einstufige Formmaschine für Ganzstahl-Radialreifen für Lkw ist eine entscheidende Komponente im Produktionsprozess von Radialreifen und wird stark nachgefragt. Die Formmaschine zeichnet sich durch eine komplexe Struktur und hohe Präzisionsanforderungen aus. In der Anfangsphase der Einführung der Produktionstechnologie für Ganzstahl-Radial-Lkw-Reifen war man stark von Importen abhängig. Importierte Anlagen waren teuer, erforderten erhebliche Investitionen und erhöhten die Produktionskosten. In den 1990er Jahren entwickelte China nacheinander zwei Arten von Einstufen-Formmaschinen für Ganzstahl-Radial-Schwerlastreifen: die Modelle LCZ-3 und THD-50. Dies beschleunigte die Lokalisierung der Radialreifen-Ausrüstung. Nach Marktforschung, Prognosen und wiederholten Vorführungen durch Branchenexperten begann die Qingdao University Soft Control Co., Ltd. mit der Entwicklung der ZCX-Serie von Einstufen-Formmaschinen für Ganzstahl-Radial-Schwerlastreifen und erzielte Ende 2002 einen Erfolg. Nach Markteinführung fand das Produkt großen Anklang; die ersten acht produzierten Maschinen waren ausverkauft, und zahlreiche Hersteller bestellten weitere. Die Einstufen-Formmaschine für Ganzstahl-Radial-Schwerlastreifen ist ein mechatronisches Gerät, dessen elektrisches Steuerungssystem als Herzstück und zentrales Element Zuverlässigkeit und fortschrittliche Technologie gewährleistet. Nach wiederholten Vergleichen entschied sich unser Unternehmen für das ControlLogix SPS-Steuerungssystem von Rockwell Automation als Steuerungslösung. Dieses System nutzt SERCOS (serielles Echtzeit-Kommunikationssystem) zur Anbindung mehrerer Servoantriebe und verbindet sich über das DeviceNet-Netzwerk mit den FLEX I/O-Arbeitsplätzen im Feld. Dadurch wurden Entwicklungs- und Installationsaufwand reduziert, die Systemzuverlässigkeit erhöht und die Gesamtleistung des Systems verbessert. Das Systemkonfigurationsdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1 zeigt, dass sich das ControlLogix-System bei der Auswahl einer Steuerungslösung als besonders geeignet für die Steuerung von Spritzgießmaschinen erwies. Spritzgießmaschinen verfügen nämlich nicht nur über eine sequentielle I/O-Logiksteuerung, sondern auch über eine Servobewegungssteuerung. Das ControlLogix-System ist derzeit das weltweit einzige SPS-Steuerungssystem, das diese beiden Steuerungsarten integrieren kann. Das ControlLogix-System ist keine herkömmliche SPS mehr, sondern bietet eine hochmoderne, flexible Gesamtlösung für die industrielle Steuerung. Sein Prozessor ist ein Multitasking-Prozessor mit integrierten Kommunikationsfunktionen. Der passive Datenbus nutzt die Producer/Consumer-Technologie und bietet so eine leistungsstarke, deterministische und verteilte Lösung. Es lässt sich nahtlos in bestehende SPS-Systeme und Netzwerke integrieren und ermöglicht einen transparenten Informationsaustausch sowie die nahtlose Anbindung an Programmprozessoren in anderen Netzwerken. Über Ethernet-, ControlNet- und DeviceNet-Netzwerke kann es für die verteilte Datenverarbeitung verbunden werden. Der ControlLogix-Prozessor verfügt insbesondere über umfassende Bewegungssteuerungsfunktionen. Über eine Hochgeschwindigkeits-Backplane kommuniziert er mit Servo-Schnittstellenmodulen und ermöglicht so einen hochintegrierten Betrieb und die Regelung von Positions- und Drehzahlregelung. Der Logix-Prozessor enthält eine Vielzahl von Bewegungssteuerungsbefehlen. Diese Befehle unterstützen ein breites Spektrum an Bewegungsfunktionen, von einfachen Punkt-zu-Punkt-Bewegungen bis hin zu komplexen Getriebebewegungen. Neben der Bereitstellung von Kontaktplanprogrammierung für die sequentielle Steuerung bietet die Programmiersoftware RsLogix 5000 umfassende Unterstützung für die Programmierung und Fehlersuche in der Bewegungssteuerung. Dieser Ansatz beschleunigt Entwicklung und Integration erheblich und vereinfacht Inbetriebnahme und Fehlersuche. In diesem System verwendeten wir einen ControlLogix 5555-Prozessor mit einem DeviceNet-Netzwerkschnittstellenmodul, um mehrere Feldarbeitsplätze 1794 FLEX I/O und PowerFlex 70-Frequenzumrichter anzuschließen. Für zusätzliche Trommelanzeigen und -funktionen wurde ein PanelView-Touchscreen verwendet; dieser ist ebenfalls über DeviceNet mit der SPS verbunden. Der Servomotor-Controller ist über ein SERCOS-Glasfaserringnetzwerk mit der SPS verbunden. Die SPS verfügt über ein SERCOS-Modul zur Steuerung von 16 Achsen. Der Servomotor-Controller verwendet einen 8-Achsen-Treiber vom Typ Kinetix 6000. Für die drei weiteren Servomotoren – einer mit hoher, die anderen beiden mit niedriger Leistung – wird jeweils ein Ultra3000-Treiber verwendet. Der DeviceNet-Feldbus, der ebenfalls auf Hersteller-/Verbraucher-Netzwerktechnologie basiert, wurde 2002 zum nationalen Standard meines Landes. Er erfasst Daten von Geräten niedrigerer Ebene und reduziert so effektiv die Anzahl der Kabel und den Verlegeaufwand, senkt die Kosten, verkürzt die Installationszyklen und reduziert die Inbetriebnahme- und Wartungszeiten. DeviceNet bietet zudem gerätebasierte Diagnosefunktionen für Trendanalysen und Fehlerdiagnose. Das 1996 eingeführte SERCOS-Glasfasernetzwerk ist ein global offenes Netzwerk, das speziell für Hochgeschwindigkeits-Echtzeitbetrieb in der Bewegungssteuerung entwickelt wurde. Es nutzt Glasfaser-Signalübertragung und bietet hohe Geschwindigkeit, starke Störfestigkeit und unterstützt bis zu 254 Knoten. Ein Touchscreen-Computer dient als Bedienfeld für die Haupttrommel und unterstützt gängige Betriebssysteme wie Windows 98/2000/NT/XP. Die Steuerungssoftware der Spritzgießmaschine umfasst Funktionen wie die Änderung von Reifenparametern, die Statusüberwachung während des Betriebs und die Fehlerdiagnose. Bei der Anwendung des ControlLogix-Systems konnten wir folgende Vorteile feststellen: Abbildung 2 zeigt ein Foto der Spritzgießmaschine. 1. Zeitersparnis und reduzierter Einarbeitungsaufwand in der Designphase. 1.1 Hochintegrierte Programmiersoftware RSLogix5000 . Basierend auf dem IEC1131-3-Standard gewährleistet der Befehlssatz der Logix5550-Steuerung die gewohnte Fehlerfreiheit bestehender Allen-Bradley-Produkte, sodass wir unsere vorhandenen Programmierkenntnisse optimal nutzen können. Im Gegensatz zu manchen Systemen, die zwei oder sogar drei separate Softwarepakete erfordern, ist nur ein einziges RSLogix5000-Programmiersoftwarepaket für die Programmierung und Konfiguration der speicherprogrammierbaren Steuerung, des Servoreglers und des Servoantriebs erforderlich. Abbildung 3. Schaltschrank mit SERCOS. Abbildung 4. Flex I/O Feldarbeitsplatz. 1.2 Tagbasierte Adressierung vereinfacht die Programmierung . In der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) von ControlLogix kann der Prozessor direkt benannte Tags verwenden. Aussagekräftige Tags können entsprechend dem Zweck der Daten in der Anwendung benannt werden. Dies verbessert die Lesbarkeit des Programms, reduziert Entwicklungszeit und -kosten erheblich, minimiert Programmier- und Debugging-Fehler und vereinfacht die Wartung. 1.3 Hochintegrierte Bewegungssteuerung. Die Spritzgießmaschine verfügt über 11 Servomotoren. Die Bewegungssteuerung ist nicht nur komplex zu programmieren, sondern erfordert auch die Integration mit anderen E/A-Schnittstellen zur vollständigen Prozesssteuerung. ControlLogix vereint diese beiden Aspekte optimal und vereinfacht so die Servoprogrammierung erheblich. Standard-Bewegungsanweisungen werden einfach in das Kontaktplanprogramm der Steuerung eingefügt. 1.4 Benutzerdefinierte Datenstrukturen. Im Gegensatz zu herkömmlichen SPSen, die Daten gemäß den Anforderungen der Steuerung speichern, ermöglicht das ControlLogix-System die Definition von Datenstrukturen, die den Produktionsanforderungen entsprechen. Daher haben wir verschiedene, für die Spritzgießmaschine geeignete Datenstrukturen etabliert, um die Lesbarkeit des Programms während der Entwicklung und Wartung zu verbessern. Kurz gesagt, durch die Nutzung der Vorteile von ControlLogix in der Designphase konnten wir die ursprünglich viermonatige Programmierzeit auf eineinhalb Monate verkürzen. 2. Reduzierter Verkabelungsaufwand und geringerer Installationsaufwand 2.1 SERCOS-System Das SERCOS-Servobewegungssteuerungssystem nutzt ein Glasfaser-Ringnetzwerk und wandelt die festverdrahtete Verbindung zwischen Servotreiber und Servobewegungssteuerung jeder Achse in eine einzige Glasfaserverbindung um. Dies reduziert Installationszeit und -kosten erheblich, verbessert die Systemzuverlässigkeit, erhöht die Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und spart Platz im Schaltschrank. Die Anzahl der Schaltschränke für unsere Spritzgießmaschine konnte von drei auf zwei reduziert werden, und die Schaltschränke sind nun deutlich einfacher, was den Verkabelungsaufwand erheblich verringert. 2.2 Flex-I/O-Feldgeräte, die über DeviceNet verbunden sind, werden mit der nächstgelegenen Flex-I/O-Workstation verbunden. Die Haupt-SPS ist über nur ein einziges DeviceNet-Netzwerkkabel mit den Flex-I/O-Feld-Workstations verbunden. Dies reduziert effektiv den Verkabelungsaufwand und den Installationszyklus. 3. Verbesserte Betriebsleistung: Dank der hohen Leistungsfähigkeit und einfachen Programmierung des ControlLogix-Systems können wir uns auf die Prozess- und Betriebssteuerung der Anlage konzentrieren. Dies führt zu Programmen, die die Anforderungen der Anlage optimal erfüllen. 4. Hervorragende Diagnoseleistung bei der Wartung, wodurch Ausfallzeiten reduziert werden: Die Servobewegungssteuerung ist im Steuerungssystem der Spritzgießmaschine von zentraler Bedeutung. Ihre Qualität beeinflusst direkt die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems und somit die Produktionseffizienz. Über das SERCOS-Netzwerk überwacht das ControlLogix-System kontinuierlich die wichtigsten Parameter der Servoantriebe. Bei potenziellen Problemen werden die Bediener rechtzeitig gewarnt, bevor es zu Produktionsunterbrechungen kommt. Dies reduziert plötzliche Ausfallzeiten und minimiert Schäden an Servomotoren und zugehörigen Systemen. Umfassende Diagnoseinformationen werden auf dem Touchscreen-Computer angezeigt, was die Fehlersuche und -behebung erleichtert und Produktionsausfälle minimiert. Auch die Fehlerdiagnose von PowerFlex-Frequenzumrichtern, die über das DeviceNet-Netzwerk mit dem ControlLogix-System verbunden sind, ist sehr einfach. Die Lösung von Rockwell Automation hat unser Steuerungssystem für die Spritzgießmaschine auf ein neues Niveau gehoben und übertrifft die Systeme anderer inländischer Hersteller. Dies hat den Aufwand für Entwicklung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung reduziert, die Systemzuverlässigkeit erhöht und chinesischen Reifenherstellern die fortschrittlichste und zuverlässigste Steuerungstechnik für Spritzgießmaschinen geboten.