Reifen- und Räder-Prüfmaschine mit sicherer Kommunikation: EtherCAT plus TwinSafe läuft rund

Die Ursprünge der Seichter GmbH in Hannover liegen in der Überholung bzw. im Retrofit von Maschinen zur Reifen- und Räderprüfung. Dazu Technical Sales Manager Siegmar Ahlvers: \“Unsere Grundanlage ist die Geometriemessung an Reifen, d.h. die Prüfung der Oberflächen auf Beulen sowie Auswölbungen oder Einschnürungen. Hierfür bieten wir kapazitive Messsensoren und Punktlasersensoren an. Dazu kommt als neueste Technologie die Sheet-Of-Light-Messeinheit SMU, ein Kamerasystem, das eine auf die Reifenoberfläche projizierte Laserlinie mit bis zu 2.000 Bildern pro Sekunde aufnimmt und daraus ein Höhenprofil rekonstruiert.\“ Bislang hat Seichter seine Geometrievermessung an Fremdmaschinen angebaut. Diese waren entweder speziell für die Messung der Reifengeometrie konzipiert oder zusätzlich zur Messung der Gleichförmigkeit der Kräfte zwischen Reifen und Straße, der so genannten Uniformity, vorgesehen. Mit der Entwicklung einer eigenen Tire Uniformity (TU) Machine hat das Unternehmen den Schritt zum Komplettmaschinenbauer erfolgreich vollzogen. Diese Anlage drückt über ein großes Lastrad auf einen aufgeblasenen Reifen, simuliert so den Straßenbelag und misst während der Reifendrehung bei 60min-1 (Standard, 120min-1 optional) die entstehenden Kräfte bzw. Kraftschwankungen. Gesteuert wird die gesamte Maschine mit Beckhoff-Automatisierungstechnik vom Industrie-PC C6150 zur Bedienung über die Servoverstärker AX2000 und die TwinSafe-Sicherheitstechnik bis hin zur Vernetzung per EtherCAT. Kompakte Maschinenkonstruktion und -steuerung Die Kombination aus innovativem Maschinenbau und leistungsfähiger Automatisierungstechnik hat eine TU-Maschine ermöglicht. Alleinstellungsmerkmal ist beispielsweise der grundlegende Maschinenaufbau als eine Einheit, sodass sich beim Transport – die Anlage passt sogar in einen Container – sowie bei der Inbetriebnahme immens Zeit sparen lässt. Großen Anteil hat daran die leistungsfähige und kompakte Steuerungstechnik. \“Im Vergleich zu Wettbewerbern benötigen wir einen nur halb so großen Schaltschrank, der deshalb direkt an die Maschine angeflanscht werden kann\“, erläutert Siegmar Ahlvers. \“Ein wichtiger Punkt ist zudem, dass unsere Maschine keine Hydraulik verwendet; der Verzicht auf eine Ölversorgung stellt einen deutlichen Vorteil dar\“, ergänzt Johann Klassen, zuständig für das Engineering der TU-Maschine. \“Wir setzen insgesamt drei Servoachsen ein, die über die Beckhoff-Servoverstärker AX2000 und die Software-SPS/NC TwinCAT NC PTP gesteuert werden. Dank dieser modernen Steuerungstechnik können wir die Achsen sehr präzise und schnell fahren sowie die das Rad bzw. den Reifen aufnehmende Spindel auch auf extrem kleine Drehbewegungen ganz präzise ausrichten.\“ Neben dem Verzicht auf teure Hydraulik wird auch nur wenig Pneumatik für die Steuerung eingesetzt, wie z.B. für das Lösen der Reifen von den Felgen nach dem Prüfvorgang. Das gesamte \“Reifenmanagement\“ erledigen aber die drei NC-Antriebe: Der Reifen wird in die Maschine eingefördert und auf die Felge aufgesetzt; anschließend wird die Felge geschlossen und für den Prüfvorgang die Drehbewegung gestartet. Über die gleiche NC-Achse erfolgt bei Bedarf die präzise Einstellung der so genannten Maulbreite des Reifens. Damit ist die Maschine trotz der hohen Anforderungen, z.B. an die Präzision und Wiederholgenauigkeit, relativ einfach zu steuern und das bei einem nur rund 20s dauernden Prüfzyklus und täglich ca. 3.000 Reifen im Dreischichtbetrieb. Das Bedien-Panel vom Typ CP7021 ergibt mit der Kombination aus Touchscreen und zusätzlichen Hardware-Tasten für das Auslösen der gewünschten Aktion ein hohes Maß an Bediensicherheit. Das Handling wird auch durch die flexible Panel-Einbauweise erleichtert. Dazu Siegmar Ahlvers: \“Durch die mögliche Trennung von Bedien-Panel und Industrie-PC lässt sich das Beckhoff-System beliebig einbauen, d.h. es kann abgesetzt installiert oder auf einem Schwenkarm montiert werden. Schließlich muss man während der Inbetriebnahme oder Wartung auch Bewegungen an der Maschine aus dem richtigen Blickwinkel beobachten können.\“ \“Und auch für uns Maschinenbauer gibt es Vorteile\“, ergänzt Johann Klassen: \“Über CP-Link lässt sich das Panel bis zu 100m absetzen und so optimal platzieren. Dass das Panel dank CP-Link über ein Koax-Kabel direkt in die Steuerung eingebunden werden kann, habe ich hierbei besonders schätzen gelernt. Es entsteht so gut wie kein Verdrahtungsaufwand. Bei anderen Panel-Anbietern müssen die Hardware-Tasten meist noch separat verdrahtet werden.\“ Weitere Benefits ergeben sich durch den Einsatz des Busklemmen-Controllers BC-2000, der als lokale Klein-SPS den Luftdruck im Reifen regelt. Da die Kräfte sehr präzise zu messen sind, muss auch der Luftdruck im Reifen exakt kontrolliert werden. Vorteil der Beckhoff-Lösung ist das Lightbus-Interface des lokalen Controllers, der sich sehr einfach in das über eine Echtzeit-PC-Karte (ebenfalls mit Lightbus-Interface) realisierte Messsys-tem der Maschine einbinden lässt. Eingesetzt wird diese Komponente RFP-5 AIR (Automatic Inflation Regulator) auch beim Überholen alter Maschinen, die im Luftdrucksystem oft undichte Stellen aufweisen und wo während der Messung sehr schnell und präzise der Druck geregelt werden muss. Dank RFP-5 AIR lassen sich hier die Prüfzyklen um 1 bis 3s verkürzen. Schnelle Daten für die Prüfung Der vorteilhafte Einsatz von NC-Achsen erfordert einen entsprechend schnellen Datenbus. Dies führt – so Johann Klassen – in der Regel dazu, dass es innerhalb der Maschine ein Kommunikationssystem für den NC-Bereich und eines für die Steuerungstechnik gibt. Dieser zusätzliche Aufwand entfalle bei der Seichter-TU-Maschine, da sich EtherCAT – dank seiner hohen Übertragungsrate – für beide Anwendungen sehr gut eigne: \“Für unsere Maschine ist es wichtig, dass sich alle Bereiche relativ schnell steuern lassen, denn bei weniger als 20s Zykluszeit muss jede Steuerungsaufgabe optimal gelöst werden. Und mit NC-Achsen kann man besser und kontrollierter mehrere Bewegungen koordinieren. Dies zeigt sich u.a. bei der Lasteinstellung, die zwar eine ganz sanfte Bewegung darstellt, aber äußerst präzise sein muss. Hier ergibt eine ausreichend schnell gesteuerte NC-Achse deutliche Vorteile. Bei unserer Maschine läuft die SPS-Task mit 2ms SPS-Zykluszeit, was sich bei Bedarf leicht noch weiter steigern lässt.\“ Auch für andere Bewegungen, wie das Einfördern des Reifens mit über 1m/s Geschwindigkeit, ist eine schnelle und zuverlässige Datenkommunikation erforderlich. Hier muss am Ende der Bewegung – über eine sehr schnell abzutastende Lichtschranke – exakt positioniert werden, um die gewünschte Genauigkeit zu erzielen. Letztendlich waren es für Johann Klassen daher vielfältige Faktoren, die zur Entscheidung \“pro EtherCAT\“ geführt haben – zumal andere begutachtete Ethernet-Systeme sich aus seiner Sicht bei weitem nicht als so leistungsfähig erwiesen haben. Mit ausschlaggebend sei hier auch der Blick auf zukünftige Weiterentwicklungen gewesen: \“Die Messtechnik basiert aus historischen Gründen nach wie vor auf der Sorcus-PC-Karte mit Lightbus-Interface. Dies wollen wir aber mittelfristig ebenfalls mit EtherCAT realisieren. EtherCAT kann dies auch sehr gut leisten: einerseits wegen seiner einfachen Implementierung und andererseits auf Grund des leistungsfähigen Datentransports, der bei messtechnischen Anwendungen deutlich aufwendiger ist als bei der Steuerungstechnik. Daher ist es auf jeden Fall eine zukunftssichere Entscheidung, die Maschine mit EtherCAT auszurüsten.\“ Siegmar Ahlvers sieht in diesem Zusammenhang einen weiteren wichtigen Vorteil in der Flexibilität und Offenheit von EtherCAT gegenüber anderen Feldbussen: \“Der Druck zur Umstellung der Messtechnik wird zunehmend stärker, denn beispielsweise sind einige der bisher verwendeten Messverstärker nicht mehr erhältlich. Diese entwickeln wir nun selbst, basierend auf dem CAN-Bus. Zuerst wird es eine zum Lightbus kompatible Lösung geben. Für später ist die Anbindung an EtherCAT eingeplant. So können wir sehr kompakte Messverstärker entwickeln, da die Mikrocontroller das entsprechende CAN-Interface bereits integriert haben.\“ Die Trennung zwischen bewährter, Lightbus-basierter Messtechnik und der neuen EtherCAT-Steuerungstechnik ist für Johann Klassen auf lange Sicht nicht mehr nötig: \“Mit einem durchgängigen Bussystem lässt sich alles einfacher gestalten. Zumal die Maschine dank der Schnelligkeit von EtherCAT einfacher, schneller und präziser wird. Auch heute schon benötigen wir die kurze Zykluszeit; weniger würde zu Lasten der Präzision und Wiederholgenauigkeit gehen. Präzision und geringe Zykluszeit, in Verbindung mit einer vereinfachten Wartung durch die Konzentration auf Servoantriebe, sind für uns absolut wichtige Verkaufs-argumente.\“ Flexibel einzubindende Sicherheit Für die Sicherheit der Bediener sorgt bei der TU-Maschine von Seichter ein in das TwinSafe-System eingebundener Schutzzaun mit Sicherheitszuhaltung. TwinSafe ist die Safety-Lösung von Beckhoff, die sichere Funktionalitäten in die Steuerungsarchitektur integriert. Durch das optimale Zusammenspiel von Standard-Automatisierungs- und Sicherheitstechnik ergibt sich eine deutliche Reduzierung der Engineering- und Hardwarekosten. Über die Automatisierungssoftware TwinCAT werden die Sicherheitsfunktionalitäten komfortabel konfiguriert. Zusammen mit dem TwinSafe-Protokoll sind sehr flexible Gesamtlösungen gemäß SIL3 möglich. Bei der TU-Maschine sind als Sicherheitsfunktionen Not-Aus und Schutzzaunüberwachung realisiert, d.h. alle Bewegungen sind nur im geschlossenen Zustand möglich. Die Verbindung zwischen den Sicherheitskomponenten und der EtherCAT-Vernetzung schaffen die TwinSafe-Busklemmen in einem kleinen, direkt am Schutzzaun montierten Schaltkasten, von dem aus nur noch wenige Kabel zur Maschine verlaufen. Weitere Sicherheitsklemmen ermöglichen beispielsweise den An-schluss einer Signalsäule. Die notwendige, logische Verknüpfung der Eingänge mit den Ausgängen führt die TwinSafe-Logic-Klemme KL6904 durch. Eine Software für Steuerungs- und Sicherheitstechnik