Bei der Konstruktion von Produktionsmaschinen, die komplexe, schnelle und präzise Bewegungen ausführen, gewinnen leistungsfähige und anpassungsfähige Motion-Control-Lösungen zunehmend an Bedeutung, denn der Markt fordert immer schnellere und zuverlässigere, aber auch gleichzeitig vielseitigere Maschinen: Je besser der Durchsatz einer Maschine und je universeller sie einzusetzen ist, umso höher ist auch ihre Produktivität und damit die Wirtschaftlichkeit einer Produktionslinie. Erreichen lässt sich dies durch eine flexible Maschinenarchitektur, kurze Taktraten, eine hohe Maschinenverfügbarkeit und kurze Inbetriebnahme-, Umrüst- und Servicezeiten. Konsequenterweise besteht seitens des Maschinenbaus und dessen Endkunden der Wunsch nach modularen Maschinenkonzepten basierend auf standardisierten Hardware- und Softwarekomponenten: Autarke Maschinenmodule, die über eine eigene Intelligenz verfügen, können separat ausgetestet werden und sind in der Handhabung einfach und leicht an spezifische Anforderungen anzupassen, z.B. bei einem Formatwechsel des hergestellten Produktes. Innerhalb eines Maschinenmoduls steht allerdings meist wenig Platz für die Automatisierungskomponenten zur Verfügung, sodass kompakte Automatisierungslösungen gefragt sind. Technologische Funktionen Mit den zunehmenden Anforderungen an Produktionsmaschinen wachsen auch die Anforderungen an die Motion-Control-Funktionalität und technologischen Funktionen. Bei modernen Automatisierungslösungen wird die Funktionalität für Logik, Motion Control und Technologie in einem Gerät und einem Ablaufsystem miteinander \’verschmolzen\‘ und im Falle von antriebsbasierten Steuerungsplattformen direkt in die Regelungsbaugruppe des Antriebssystems integriert. Aufgrund der Verschmelzung entfallen Schnittstellen zwischen den einzelnen Automatisierungskomponenten. Dadurch können die unterschiedlichen Funktionen in einem Programm durchgängig programmiert werden. Gleiches gilt auch für die Schnittstellen zu Bediengeräten (HMI) und Peripherie, da der Zugriff ebenfalls nur über ein Programm erfolgt. Die Integration aller für die Maschinenautomatisierung notwendigen Funktionen auf einer Baugruppe reduziert die Hardware-Komponenten und senkt den Platzbedarf sowie die Kosten. Umgesetzt wurde dieses Konzept bei den antriebsbasierten Steuerungen Simotion D, die direkt als Regelungsbaugruppen in die Antriebsfamilie Sinamics S120 integriert werden und neben der Antriebsregelung die klassischen SPS-Funktionen, technologische Funktionen sowie Motion-Control-Funktionen bis zur 3D-Interpolation für Handlingsysteme mit abdecken. Kurzum: Sie stellen einen Funktionsumfang zur Verfügung, mit dem die gesamte Maschine automatisiert werden kann. Steuerung im Antrieb Da die benötigte Funktionalität mit einer einzigen antriebsbasierten Baugruppe realisiert wird, sind einerseits kompakte Automatisierungslösungen möglich, andererseits lassen sich modulare Maschinenkonzepte durch \’funktionsautarke Einheiten\‘ einfach umsetzen. Die Anforderungen bei Produktionsmaschinen variieren von klassischen Einachsanwendungen wie Wickler oder Querschneider bis hin zu Vielachsanwendungen mit mehr als 100 Antrieben bei Druckmaschinen. Diese weit gespannten Anforderungen erfüllt Siemens mit einem skalierbaren System mit zwei Aufbauformen: mit dem Einachser Simotion D410, der auf das Leistungsteil aufgeschnappt wird, und mit dem Mehrachssystem Simotion D425/D435/D445 in drei Leistungsstufen. Beide sind untereinander \’engineeringkompatibel\‘. Zur Visualisierung und Bedienung können Simatic-HMI-Geräte über Profibus, Profinet bzw. Industrial Ethernet angeschlossen werden. Die Anbindung dezentraler Peripherie erfolgt über Profibus oder Profinet. Darüber hinaus verfügen die Steuerungen bereits über schnelle Onboard-E/As, die z.B. für den Anschluss von Messtastern oder die Ausgabe von Nocken genutzt werden können. Engineeringaufgaben lösen Mit dem Engineeringsystem Scout lassen sich alle Fertigungsphasen einer Maschine wie Projektierung, Programmierung, Erstellung der HMI-Oberflächen und Inbetriebnahme bis hin zur Diagnose in einer bedienerfreundlichen Workbench durchführen. Neben den IEC61131-Sprachen Kontaktplan (KOP), Funktionsplan (FUP) und der textuellen Hochsprache Structured Text (ST) lassen sich Bewegungsabläufe grafisch mit Motion Control Chart (MCC) programmieren. Erweiterte Regelungsaufgaben können bequem und strukturiert mit Drive Control Chart (DCC) realisiert werden. Dabei werden Regel-, Rechen- und Logikbausteine aus einer Bausteinbibliothek per Drag&Drop grafisch miteinander verknüpft und so Steuerungs- und Regelungsstrukturen übersichtlich projektiert. Durch die Zusammenführung der klassischen SPS- und Motion-Control-Programmierung in einem System lässt sich eine modulare Softwarearchitektur einfach umsetzen. Dadurch sind die erstellten Anwenderprogramme gut wiederverwendbar. Das Anwenderprogramm wird wie das Betriebssystem auf einer steckbaren CompactFlash-Karte abgelegt. Dadurch kann – ganz ohne Programmiergerät – ein Tausch der Steuerung vom Vor-Ort-Personal vorgenommen werden. Darüber hinaus verkürzen umfangreiche Service- und Diagnosemöglichkeiten – wie Mess- und Trace-Funktionen oder eine Achssteuertafel für das Verfahren von Achsen ganz ohne Programm – Inbetriebnahme- und Stillstandszeiten. Modulares Konzept Horizontale Schlauchbeutelmaschinen dienen zur Verpackung von Stückgütern in Kunststoffbeutel, aber auch zum Verpacken von Druckerzeugnissen wie z.B. in der Drucknachbearbeitung. Dort kommen modulare Maschinenkonzepte, besonders durch die Flexibilität beim Zusammenstellen der unterschiedlichen Beilagen, mehr und mehr zum Tragen. Aufgrund der hohen Varianz der zu verpackenden Produkte bieten sich modulare Maschinenkonzepte an, die z.B. aus einer Grundmaschine und optionalen Einheiten für Produktzuführung und Abtransport bestehen. Die Maschinenmodule verfügen über eine, in sich abgeschlossene, Funktionalität und werden über Profinet und verteilten Gleichlauf miteinander synchronisiert. Sie können dadurch separat voneinander programmiert, getestet und in Betrieb genommen werden. Außerdem kann der Kunde die Maschine flexibel im Ausbaugrad variieren (z.B. eine zusätzliche Produktzuführeinheit für Warenmuster), ohne dass eine Software-Änderung erforderlich ist. Durch den Einsatz leistungsfähiger Automatisierungs- und Antriebstechnik lassen sich Taktzahlen bis zu 300 Beutel/min erreichen. Grundmaschine Als Hauptsteuerung kommt das Mehrachssystem Simotion D4x5 zum Einsatz, mit dem die Steuerungsfunktionen inklusive HMI der Grundmaschine abgedeckt werden. Neben der klassischen SPS-Funktionalität werden auch technologische Funktionen wie eine Temperaturregelung für die Heizelemente der Siegelbacken (=Schweißwerkzeug) und ein optionaler Vorabzug für den Folienabzug durch einen Asynchronmotor an der Packstoffrolle realisiert. Hochdynamische Servoantriebe, die über Getriebe- und Kurvenscheibengleichläufe miteinander synchronisiert sind, sorgen für präzise Bewegungen von: – Folienabzug, bestehend aus Abzugswalzen sowie einer Druckmarkenkorrektur/Schlupfkompensation zum Ausgleich des Schlupfes zwischen den Abzugswalzen und der Folie – Fächerkette, die die Produkte in den Folienschlauch schiebt – Quersiegler zum Verschließen des Folienschlauchs in Querrichtung – mitfahrendem Quersiegler (Box Motion, Option), wodurch die Quersiegelbacken eine synchronisierte Mitfahrbewegung zum Folienschlauch ausführen. Optionale Maschinenmodule Die Grundmaschine kann durch Maschinenmodule erweitert werden, die jeweils ihre eigene Steuerung mitbringen und über Profinet in die bestehende Automatisierungsstruktur einzubinden sind: – Automatische Zuführung, um die Produkte einer vorgelagerten Produktionsanlage auf eine korrekte Lage und gleichen Abstand für die Fächerkette zu bringen – Produktzuführeinheiten (Anleger) für das Spenden von Einzelblättern, CDs usw. – Einheiten für das Aufbringen von Adress-Etiketten – weitere Module einer Verpackungsline wie z.B. ein Handlingssystem für die Palettierung der Endprodukte. Die optionalen Maschinenmodule werden dabei – abhängig von deren Komplexität – mit einer Ein- bzw. Mehrachssteuerung automatisiert. Im Falle einer Produktzuführeinheit bietet sich z.B. die Simotion D410 als Einachslösung an, wobei der Servoantrieb für den Produktspender über Profinet auf einen überlagerten Leitwert aufsynchronisiert wird. Zudem kann mit der Einachssteuerung das komplette Maschinenmodul automatisiert werden, von der E/A-Verarbeitung bis hin zu einem ggf. vorhandenen lokalen Bediengerät. Durch den Einsatz skalierbarer antriebsbasierter Automatisierungslösungen und eine Synchronisation der Antriebe über durch Software nachgebildete Getriebefaktoren und Kurvenscheibenfunktionen ist eine flexible Anpassung der Maschine bei einem Produktwechsel möglich. Fazit Mit skalierbaren antriebsbasierten Automatisierungslösungen lassen sich kompakte Lösungen für Produktionsmaschinen erstellen. Dabei können modulare Maschinenkonzepte einfach und effizient umgesetzt werden. Durch den Wegfall von Schnittstellen werden einerseits Kosten reduziert, andererseits ermöglichen kurze Zykluszeiten ein reproduzierbares Maschinenverhalten, eine hohe Produktqualität und Produktivität. Hannover Messe 2008: Halle 9, Stand A72
Siemens AG
