29.10.2015

Ansteuerelektronik mit Ethercat und XFC

Datenkommunikation für den Digitaldruck

Die Druckindustrie steht vor einem Technologiewandel, in dessen Folge Druckmaschinenbauer nach dem Einstieg in die Welt des digitalen Tintenstrahldrucks suchen. Das Unternehmen Wifag-Polytype hat eine industrietaugliche Ansteuerelektronik für handelsübliche Tintenstrahl-Druckköpfe entwickelt - auf der Basis von Ethercat.

Autor: Dipl.-Ing. Stefan Ziegler, Beckhoff Automation GmbH & Co. KG.


Die traditionellen Massendruckverfahren, wie Tiefdruck und Rollenoffsetdruck, kämpfen mit wirtschaftlichen Problemen. Auch der Bogenoffsetdruck blickt nurmehr verhalten optimistisch in die Zukunft. Der Digitaldruck verspricht hingegen bessere Zukunftschancen, mit dem größten Potenzial beim Tintenstrahldruck, auch Inkjet genannt. "Als renommierter Hersteller entwickelte und fertigte die ehemalige Wifag-Maschinenfabrik Zeitungsdruckmaschinen", blickt Florian Fässler, Produktmanager bei Wifag-Polytype Technologies, zurück. Da aber kaum noch jemand Zeitungsdruckmaschinen kaufte, entschloss sich das Schweizer Unternehmen dazu, keine neuen Modelle mehr zu entwickeln. "Vielmehr soll durchgehend für alle Abteilungen der Wifag-Polytype Holding der Digitaldruck mit Inkjet die Zukunft werden", so Fässler. Die mit dem Digitaldruck verbundene Herausforderung besteht nach Einschätzung des Produktmanagers einerseits in der Flexibilität und andererseits in der Produktivität des Druckens. Nur so könne man dem Trend zur Individualisierung und Personalisierung gerecht werden. Der Tintenstrahl-Digitaldruck ist ein Matrixdruck, mit dem ein aus einer Punktmatrix bestehendes Druckbild erzeugt wird, und erzielt im Büro- und Heimbereich als Fotodrucker bereits hohe Akzeptanz. Allerdings arbeiten diese Geräte relativ langsam, was für einen industriellen Druck nicht akzeptabel ist.

Highspeed für sensible Druckköpfe

Herz eines Inkjet-Druckers ist der Druckkopf, über den durch den gezielten Abschuss oder das Ablenken kleiner Tintentröpfchen ein Druckbild erzeugt wird. "Der verwendete Druckkopf ist ein handelsübliches System, das mit unseren eigenen Druckwerken und der speziellen Calmar-Elektronik verbunden wird", erklärt Fässler. Die Druckköpfe haben ein recht primitives Interface. Es gibt z.B. keinen Druckkopf mit einer USB-Schnittstelle. Die Entwicklungsleistung der Calmar-Projektgruppe besteht in der Realisierung einer Ansteuerelektronik, die industrietauglich und für sämtliche Druckmaschinen einsetzbar ist. "Andere am Markt verfügbare Lösungen sind als aufwendige Elektroniksysteme schwierig anzupassen und auch in der Skalierung nicht einfach", so Fässler. Ziel des Calmar-Projektteams hingegen war ein robustes Elektroniksystem, das in einen Feldbus integriert werden konnte. Damit verbunden sollte eine Plattform entwickelt werden, die eine einfache und flexible Nutzung erlaubt. In der Umsetzung entschloss sich das Projektteam dazu, Ethercat und das XFC-System (Extreme Fast Control) von Beckhoff einzubinden. "Der Grund für unsere Entscheidung liegt in der Offenheit der Technologie", so Fässler. "Als wir vor drei Jahren mit unserer Entwicklung begonnen haben, gab es kein vergleichbares offenes, deterministisch angelegtes und schnelles System." Das gewählte Konzept konnte in einen FPGA implementiert werden und auch Ethercat ließ sich einfach integrieren und ausführen, so der Produktmanager.

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Vom Interface zum Automatisierungsbaustein

Weiterer Grund für die Einbindung von Ethercat und XFC in die Calmar-Elektronik ist die schnelle Arbeitsweise von Bus und Steuerung. Als deterministisch arbeitender Bus bietet Ethercat kurze Zykluszeiten und hohe Datenraten. Das XFC-System ergänzt dies durch verteilte Uhren (Distributed-Clocks) für eine synchronisierte Systemzeit mit einer maximalen Abweichung unter 100ns, sowie um die Funktion des hochgenauen Zeitstempels (Timestamp) für die Prozessdaten. "Zur Synchronisation der Druckköpfe müssen alle zugehörigen Ansteuerungen zur gleichen Zeit gestartet werden", sagt Fässler. Das bedeute, dass alle Tasks in sämtlichen Ansteuerungen über die gleiche Zeitbasis verfügen und gleichzeitig mit dem Steuerungsablauf beginnen. Das System der Distributed-Clocks stellt sicher, dass alle Teilnehmer den Timestamp innerhalb eines Zyklus erhalten. Die Zykluszeit von 2ms wird vom System dabei als gleichzeitig gewertet." Für die Kopplung des Elektroniksystems realisierte das Projektteam eine eigene Ethercat-Schnittstelle auf der Basis des Ethercat-IP-Core ET1810 bzw. ET1811. Dieser ermöglicht es, auf einem FPGA sowohl die Kommunikation als auch anwendungsspezifische Funktionen zu implementieren - und das laut Fässler auf einfache Weise: "Wir konnten für die Realisierung der Schnittstelle gut mit dem erworbenen Tool arbeiten." Mit dem Ergebnis verfügt Wifag-Polytype nun über einen flexibel und robust einsetzbaren Automatisierungsbaustein. "Wir können jetzt mit einem Konfigurator das Drucksystem projektieren, egal ob es über zwei, 40 oder noch mehr solcher Calmar-Karten verfügt", so Fässler. "Die Inkjet-Druckmaschinen lassen sich somit viel einfacher realisieren und automatisieren. Hinzu kommen umfangreichere Diagnosemöglichkeiten. Wir haben also einen Automatisierungsbaustein, mit dem man auch industriell umgehen kann."

Sicher und offen

Als Automatisierungsbaustein für die Digitaldruckmaschinen wird die Calmar-Steuerelektronik im Rahmen eines OEM-Geschäftsmodells auch als Einzelgerät vermarktet. Das eigene Know-how steht auch als Dienstleistung zur Verfügung. "Die SPS-Architektur und der Quellcode sind für OEM-Kunden offen, die Calmar-spezifischen Bibliotheken sowie die Leitstand-Applikation können auf Anfrage angepasst und erweitert werden", ergänzt Fässler. "Verbindungen zur äußeren Welt, sei es zu ERP, MES oder Datenbanken, sind offen." Ähnlich agiert das Unternehmen auch intern in der Calmar-Projektgruppe: Das Team, das sowohl aus Hardware- als auch aus Software-Spezialisten besteht, arbeitet mit dem Net-Ansatz. Die Visualisierung setzt auf Visual Studio auf, in das Twincat 3 integriert ist. "Für die Standardautomatisierung ist Visual Studio vielleicht noch etwas besonderes, für uns ist es jedoch Alltagsgeschäft", erklärt der Produktmanager. "Unsere Maschinen kommunizieren über Twincat mit der Leitstandapplikation, die in Net/Visual Studio entwickelt wurde. Die Visualisierung übernimmt die Leitstand-Applikation." n

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