Ethercat und Highspeed-Automatisierung bei der Registerregelung (SPS/IPC/Drives: 7-406) Be(ein)druckende Präzision und Flexibilität - wirautomatisierer

Ethercat und Highspeed-Automatisierung bei der Registerregelung (SPS/IPC/Drives: 7-406)

Be(ein)druckende Präzision und Flexibilität

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Wie soll eine Registerregelung für Rollendruckmaschinen, die bereits seit fast 20 Jahren Maßstäbe hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit setzt, modernisiert werden? Vor dieser schwierigen Frage stand die eltromat GmbH, weltweit tätiger Marktführer bei hochwertigen optischen Qualitätsmess- und Regelsystemen für Inline-Prozesse, da aufgrund des auch in der Druckindustrie veränderten Produktions- bzw. Automatisierungsumfelds inzwischen neue Anforderungen zu erfüllen sind. Recht schnell wurde klar, dass hier nur der Wechsel von der proprietären zu einer offenen Lösung – realisiert mit PC-Control, Ethercat und der XFC-Technologie von Beckhoff Automation – die gewünschte Präzision, Flexibilität und Kommunikationsfähigkeit ermöglichen würde.

Dipl.-Ing. Stefan Ziegler, Chefredakteur elektro Automation, für die Beckhoff Automation GmbH in Verl ( www.beckhoff.com)

Im Rollendruck sind elektronische Registersteuerungen für die permanente und programmgesteuerte Überwachung der Passer unverzichtbar, um die Teilbilder der Druckmaschine zu synchronisieren und so die Farben der einzelnen Druckwerke präzise übereinanderzudrucken. Die entsprechenden eltromat-Steuerungen aus dem Produktbereich „register“ sind das Ergebnis jahrzehntelanger Entwicklung und inten- siven Umgangs mit den Bedürfnissen der Drucker, d.h. sie wurden konsequent für die Anforderungen unterschiedlichster Einsatzbereiche im Rollendruck entwickelt – für Tief-, Flexo-, Offset- und Siebdrucker, für Inline- oder Offline-Prozesse.
Die Registerregler der jüngsten Generation – regi_star 20 – sind zur Erfassung der Druckmarken mit faseroptischen Abtastköpfen oder CCD-Matrix-Kameras ausgestattet. Sie gewährleisten die vollständige Erfassung und Vermessung hochkomplexer Druckmarken auch bei Geschwindigkeiten von bis zu 1000 m/min. Standardisierte oder auch individuell angelegte Druckmarken werden präzise, automatisch und mit Positionierung des Messfensters erfasst – unabhängig von ihren Parametern wie Anordnung, Geometrie, Kontrast oder Reihenfolge; am Rande der Druckbahn innerhalb definierter Zonen oder an frei wählbaren Positionen in den Druckbildern.
Beeindruckend präzise und ausfallsicher…
Die Komplexität der regelungstechnischen Aufgaben und damit die hohen an den Registerregler gestellten Anforderungen zeigen die folgenden Leistungsmerkmale, wie sie Dipl.-Ing. Volker Reinholdt, Projektleiter Produktentwicklung bei eltromat, verdeutlicht: „Die dezentrale Messwerterfassung mit einer Genauigkeit im 5-µm-Bereich stellt insbesondere hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Synchronisation der verteilten Uhren. Diese muss im Bereich von 100 ns liegen und ist damit im Highend-Bereich angesiedelt. Die Zykluszeit liegt bei 1 ms und schöpft die Leistungsfähigkeit der Twincat-SPS nicht voll aus.“ Die Anzahl der vernetzten Ethercat-Teilnehmer liegt bei 150 bis 200 I/O-Klemmen und bis zu vierzig optischen Sensoren (von eltromat entwickelte Registermarkensensoren).
Der Ersatz der bisherigen proprietären und komplett eigenentwickelten Registerregler-Generation hatte weniger mit der Leistungsfähigkeit bzw. Messgenauigkeit zu tun, denn diese wurde vorher – wenn auch nicht per Buskommunikation, sondern über einzelverdrahtete Teilnehmer – ebenfalls erreicht. Lediglich hinsichtlich der Zykluszeit der Regelung lag man mit etwa 8 ms gegenüber der neuen Variante zurück. Hinzu kam, dass das alte System Anfang der 1990er Jahre entwickelt wurde und damit sehr lange und vor allem extrem ausfallsicher im Markt war. Diese Zuverlässigkeit sieht eltromat-Geschäftsführer Dr.-Ing. Johann-Carsten Kipp denn auch als sehr wichtigen, vom Nachfolgemodell regi_star 20 ebenfalls zu erreichenden Erfolgsfaktor an: „Die Ausfallsicherheit des alten Systems war wirklich exorbitant, und zwar in zwei Richtungen: stochastische Ausfälle, aber auch Lebensdauer.“
Warum also überhaupt die Neuentwicklung und der Wechsel hin zu einer offenen Steuerungstechnik? Dazu Volker Reinholdt: „Die Systemarchitektur war sehr auf die spezielle Aufgabe zugeschnitten und mittlerweile 20 Jahre alt, d.h. sie passte nicht mehr in das moderne Automatisierungsumfeld. Letztendlich sind wir Zulieferer für Druckmaschinenhersteller, die natürlich auch zunehmend Bussysteme einsetzen. Diese zu integrieren, hätte einen sehr großen Entwicklungsaufwand erfordert.“ Dr. Johann-Carsten Kipp ergänzt: „Neben den verbesserten Kommunikationsmöglichkeiten profitieren wir von einer deutlich erhöhten Flexibilität, d.h. Anwendungen lassen sich heute sehr viel schneller und mit weniger Aufwand ändern. Hinzu kommt, dass immer mehr der alten Bauteile abgekündigt worden sind und der Supportaufwand damit enorm gestiegen ist. Unsere Kunden erwarten von uns aber die gewohnt langfristigen Zusagen.“
…und nun auch offen,…
Aufgrund der veränderten Anforderungen stand man bei eltromat vor der Entscheidung, entweder erneut eine proprietäre Lösung komplett im eigenen Hause zu entwickeln oder auf offene Standards zu setzen. Nach Volker Reinholdt war diese Entscheidung allerdings relativ schnell klar: „Wir wollten nicht mehr alle Rechnerkarten selbst entwickeln, sondern uns auf unsere Kernkompetenzen, d.h. die eigentliche Applikation ‚Registerregelung’ konzentrieren. Schließlich schreitet die PC-Technik kontinuierlich und rasant voran. Eigenentwicklungen wären daher zu komplex und für Kleinserien nicht rentabel.“
Schwieriger fiel bei eltromat die Entscheidung, welches Betriebssystem auf dem Industrie-PC eingesetzt werden sollte, ein Linux-Derivat mit Echtzeiterweiterung oder eine Windows-Plattform mit entsprechenden Software-Automatisierungskomponenten. Ausschlaggebend war letztendlich der beim Technologiewechsel zu erwartende Aufwand: Beim Einsatz von Linux hätte man selbst ein komplettes Framework entwickeln müssen. Ziel sei daher gewesen, die Entwicklung auf einer stabilen und offenen Plattform aufzubauen und so ohne großen Aufwand von der einfachen Integration beliebiger I/O-Hardware bzw. von Feldbussen ohne zusätzliche Treiber zu profitieren sowie bei der Integration neuer Funktionen extrem flexibel zu sein. Einen weiteren Vorteil der Windows-basierten Soft-SPS sieht Dr. Johann-Carsten Kipp: „Ein Argument war zudem die kurze Time-to-market. Sie sind bei Linux darauf angewiesen, dass sich irgendwann jemand dazu durchringt, einen Treiber für ihre Hardware zu entwickeln. Diese zeitliche Unsicherheit entfällt üblicherweise bei Windows-Betriebssystemen.“ Auch Volker Reinholdt bestätigt, dass die damalige Entscheidung absolut richtig war: „Wir haben bislang keinerlei Nachteile durch die Verwendung von Windows und der darauf aufsetzenden Software-SPS Twincat gehabt. Und sogar der ursprüngliche Wunsch, neben den klassischen SPS-Programmiersprachen der IEC 61131-3 auch in C/C++ nach vollständig objektorientierten Prinzipien programmieren zu können, lässt sich mit der Beckhoff-Automatisierungssoftware Twincat 3 demnächst problemlos realisieren – wenn es diesen Wunsch bei unseren Entwicklern nach den guten Erfahrungen mit der SPS-Programmierung heute überhaupt noch gibt.“
Leicht fiel den eltromat-Experten wiederum die Entscheidung für Ethercat als Bussystem: Ende 2006/Anfang 2007 wurden die wenigen damals verfügbaren Ethernet basierenden Bussysteme evaluiert, mit dem Ergebnis, dass lediglich Ethercat die erforderliche Performance leisten konnte. Dr. Johann-Carsten Kipp resümiert: „Damals haben viele über Echtzeit-Ethernet geredet, aber nur Beckhoff konnte tatsächlich das Gewünschte, nämlich die Synchronisation der verteilten Uhren im 100-ns-Bereich, bieten.“ Die Funktionsweise der ‚Distributed-Clocks’ – ein Baustein der extrem schnellen XFC-Technologie (eXtreme Fast Control) – erläutert Beckhoff-Vertriebsmitarbeiter Stefan Sieber: „Betrachtet man einen normalen, diskreten Regelkreis, dann wird zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Istwerterfassung durchgeführt, das Ergebnis an die Steuerung geliefert, die Reaktion berechnet, deren Ergebnis an die Sollwertausgabebaugruppe kommuniziert und an den Prozess ausgegeben. Für viele Regelungsprozesse reicht ein strenger Determinismus dieses Ablaufs aus. Die Regelstrecke bestimmt die notwendige Geschwindigkeit des Regelungsprozesses. Üblicherweise auftretende Totzeiten in Regler, Regelstrecke, Stell- und Messeinheiten finden beim Reglerdesign entsprechend Berücksichtigung, bzw. können unter Umständen kompensiert werden. Diese Verfahren sind Grundprinzipien der Regelungstechnik und unter Twincat seit vielen Jahren natürlich Standard. Bei der Registerregelung kommt hinzu, dass den durch die Druckmarkensensoren erfassten Druckmarken hochgenaue Winkelpositionen der Druckwerke zugeordnet werden müssen um dann die Positionsdifferenzen zwischen den Druckmarken zu ermitteln. Die erforderliche zeitliche Exaktheit für die Druckmarken- und Positionserfassung der Druckwerke wird durch hochgenaue Uhren in den I/O-Komponenten unterstützt. Jeder Ethercat-Teilnehmer verfügt über eine eigene lokale Uhr, die automatisch über Ethercat laufend untereinander synchronisiert werden. Unterschiede in der absoluten Zeit der betroffenen Ethercat-Teilnehmer werden ausgeglichen, sodass die maximale Abweichung aller im System verteilten Uhren untereinander immer unter 100 ns liegt.“
Nachdem die Entscheidung für eine offe- ne, Windows-basierte Lösung gefallen war, musste dies bei eltromat konkret umgesetzt werden. Hier war insbesondere für die Entwickler, die es gewohnt waren in einer Embedded-Controller-Welt zu arbeiten, der Schritt hin zu einer SPS zunächst abwegig und durchaus mit dem ein oder anderen Vorurteil behaftet. Die anfängliche Skepsis habe sich jedoch dank der deutlichen Vorteile, d.h. ein stabiles Umfeld bzw. Framework, leicht integrierbare Peripherie-Hardware sowie umfangreiche Tools zur Diagnose, schnell gelegt. Das entsprechende Knowhow musste allerdings innerhalb der Projektlaufzeit sehr schnell aufgebaut werden, weshalb man bei eltromat zweigleisig vorgegangen ist: Zunächst habe man eine einwöchige Inhouse-Schulung durchgeführt und anschließend einen Beckhoff-Techniker für vier Wochen in das Entwicklungsteam integriert – eine sehr kurze Zeit, einerseits ein Zeichen für die einfach handhabbare Automatisierungstechnik und andererseits für den effizienten Support durch Beckhoff. Auf diese Weise konnte die neue Registerregelung von den Voruntersuchungen bis zum ersten an einer Produktionsmaschine laufenden System in nur einem Jahr entwickelt werden, was Dr. Johann- Carsten Kipp folgendermaßen kommentiert: „Legt man die ungefähr halbierte Time-to-market zu Grunde, so kann man von rund 50 % geringeren Entwicklungskosten ausge-hen. Bei einem proprietären System hätten wir also doppelt so lange entwickeln oder in Personal investieren müssen.“ Als weiteren sehr wichtigen Vorteil nennt er den kontrollierbaren Entwicklungsfortschritt: „Dieser ist nur mit dem offenen System möglich. Wenn man proprietär, also gezwungenermaßen Hard- und Software getrennt voneinander entwickelt, lässt sich erst am Ende beides gemeinsam testen. Dies führt fast immer zu Re-Designs bzw. Code-Änderungen. Basierend auf der PC-Technik ließen sich hingegen die Software-Codes immer mit vorhandener Hardware verifizieren. Das war ein wesentliches Element für die Entwicklungssicherheit.“
…flexibel und leicht integrierbar
Die Basis für die per Standardtechnik erreichte Flexibilität und Kommunikationsfähigkeit zum Automatisierungsumfeld bilden die folgenden Beckhoff-Komponenten:
  • Industrie-PC C69xx mit der Software Twincat für den Registerregler bzw. Druckmarkenregelung,
  • IPC C62xx für die Bildverarbeitung von eltromat,
  • IEC 61131-3 kompatible Software-SPS Twincat PLC,
  • Ethercat-Klemmen in Standard- und XFC-Technologie sowie
  • Ethernet-Switches CU20xx.
Entscheidender Erfolgsfaktor für das Projekt war die schnelle Integration der Ethercat-Schnittstelle in den von eltromat entwickelten optischen Sensor. Dazu erläutert Stefan Sieber: „Der optische Sensor von eltromat verfügt über ein Ethercat-Kommunikations-Asic, das die Funktion der Distributed Clocks nutzt. Hinzu kommt von unserer Seite die Inkrementalgeberklemme EL5101, in deren standardmäßige Funktionalität spezielle Anforderungen von eltromat eingeflossen sind.“
Dank dieser leistungsfähigen Standardtechnologie konnten sich die eltromat-Entwickler umso mehr auf ihre Kernkompetenz, also z.B. auf die Realisierung des optischen, adaptiven Registermarkensensors konzentrieren. Dieser wurde komplett von der Optik bis hin zur Integration des Ethercat-Chips entwickelt und erfasst sowohl Seiten- wie auch Längsregisterabweichungen, wobei er auch extrem kontrastarme und metallisierte Farben sowie transparente Lacke erkennen kann. Der Sensor – mit optischer Ex-Zulassung – analysiert das Farbspektrum des von der Bahn reflektierten Lichts, um automa-tisch das zuverlässige Erfassen aller Registermarken zu ermöglichen.
Neben den technologischen Vorzügen des Farbsensors kommt – so Volker Reinholdt – nicht zuletzt auch die höhere Systemflexibilität zum Tragen: „Was wir bei Beckhoff nach wie vor sehr schätzen ist, dass man alle auf dem Markt verfügbaren Feldbusse über ei- ne Gateway-Klemme erreichen kann. Darin liegt für uns ein großer Vorteil, da unsere Kunden verschiedenste Automatisierungstechniken nutzen und somit auch immer Wünsche nach besonderen Schnittstellen an uns herantragen. Flexibel ist das System zudem hinsichtlich seines Hardware-Aufbaus, d.h. manche Kunden möchten die I/O-Klemmen direkt im zugehörigen Druckwerk unterbringen, andere dagegen alle Klemmen zusammen in einem separaten Schaltschrank. Das hätten wir früher so nicht leisten können.“ Dr. Johann-Carsten Kipp ergänzt: „Hinzu kommt, dass wir den Registerregler dank des skalierbaren Automatisierungssystem jetzt viel besser an die OEM-Anwendungen anpassen können, d.h. der Kunde muss auch nur das wirklich Notwendige kaufen und hat zudem bessere Möglichkeiten seine Druckmaschine zu modularisieren und zu standardisieren.“
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