Durrer: PC-basierte Steuerungs- und Antriebstechnik bei der vollautomatischen Papier- und Druckverarbeitung

Durchgängig automatisiert

| Autor / Redakteur: Stefan Ziegler, Beckhoff / Silvano Böni

Alleine in diesem kleinen Wiro4-Teilsegment arbeiten acht der dynamischen AM8000-Servomotoren.
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Alleine in diesem kleinen Wiro4-Teilsegment arbeiten acht der dynamischen AM8000-Servomotoren. (Bild: Beckhoff)

Die Durrer Spezialmaschinen AG entwickelt unterschiedlichste Sondermaschinen und hat hierbei insbesondere hinsichtlich komplexer Bewegungssteuerungen ein umfassendes Know-how aufgebaut. Umgesetzt, und zwar durchgängig mit der PC-basierten Steuerungs- und Antriebstechnik von Beckhoff, wurde dies jüngst bei einer Anlage zur Herstellung von Tischkalendern oder auch Notizblöcken.

Die Komplexität des Produktionsprozesses zeigt sich allein schon in der Grösse der Anlage: knapp 20 m Länge, 1,4 m Breite und 2 m Höhe. Für den Transport und die präzise Verarbeitung der Kalender-Druckbögen sorgen insgesamt 69 Servoachsen, realisiert mit den Beckhoff-Servoverstärkern AX5000 und unterschiedlichen OCT-Servomotoren der Familie AM8000. Dazu erläutert Patrick Suter, Bereichsleiter Entwicklung bei Durrer: «Die Anlage teilt sich auf in die von einem Embedded-PC CX2020 gesteuerte Schneidemaschine Six-Cut mit 18 Servoachsen und in die mit einem Schaltschrank-PC C6640 und 51 Servoachsen ausgestattete Stanz- und Bindelinie Wiro4. Herstellen lassen sich damit Print-Produkte mit Drahtkamm-Bindung in einem Formatbereich von 140 × 90 mm bis 380 × 240 mm. Die Besonderheit der Anlage liegt in der format- und vor allem in der dickenunabhängigen Verarbeitungsleistung von rund 2200 Produkten pro Stunde.»

In der 6-Schneidemaschine Six-Cut werden die zugeführten Falzbogen im passenden Format zugeschnitten und über ein Zangentransportsystem an die Hauptanlage Wiro4 übergeben. Diese beginnt mit zwei Zuführstationen für optionale Werbeseiten – auf der Rück- und der Oberseite des Tischkalenders oder Notizblocks –, bevor das Produkt vom liegenden Transport aus aufgestellt und dann für die Bindestanzungen in 1 bis 2 mm dicke Teil-Produkte aufgefächert wird.

Den Grund dafür nennt Patrick Suter: «Von der Stanztechnik und der Antriebsleistung her liessen sich auch grössere Papierbündel stanzen. Allerdings wäre dann die Stanzqualität bedeutend schlechter. Deswegen werden die durch die Anlage transportierten Buchblöcke je nach Dicke des Endprodukts in einer zweistufigen Einheit in zwei bis maximal acht Bahnen aufgesplittet. Anschliessend werden die Teil-Produkte wieder zusammengeführt und abgelegt, um den rück- und vorderseitigen Deckel ergänzt sowie mit dem Bindedraht versehen. Dabei arbeitet die Anlage hochflexibel, das heisst Format- und Produktwechsel sind mit minimalen Umrüstzeiten möglich.»

Konnektivität für Industrie 4.0

Die Hard- und Software der Anlage wurde so ausgelegt, dass diese Industrie-4.0-bereit ist und die Vernetzung zu überlagerten Systemen gewährleistet wird. Die Übermittlung von Produktionsdaten an ein ERP-System ist vorbereitet. Zudem arbeitet die Anlage komplett in einem Netzwerk aus verschiedenen Maschinen unterschiedlicher Hersteller.

Vorgelagert zum Verbund der Wiro4 und Six-Cut von Durrer ist die Zusammentragmaschine eines renommierten Schweizer Herstellers. Zudem sind in der Durrer-Anlage ein externer Etikettendrucker und ein Kammformer integriert. Weiterhin läuft dem Verbund nachgelagert eine Verpackungsanlage. All diese Maschinen sind vernetzt und aufeinander abgestimmt, um eine möglichst hohe Leistung und Produktivität der Gesamtanlage zu erreichen.

Viel bewegte Mechanik erfordert leistungsfähige Steuerungstechnik

Der grosse Anteil an bewegter Mechanik stellt laut Patrick Suter hohe Anforderungen an die Steuerungstechnik: «In der gesamten Anlage steckt viel Antriebstechnik und mit circa 100 Funktionen auch ein grosser Anteil an Pneumatik sowie auch an Hydraulikfunktionen. Dies erfordert eine hochwertige Steuerungstechnik sowie eine leistungsfähige und auch für zukünftige Anforderungen geeignete Antriebstechnik. PC-based Control von Beckhoff bietet all das und zudem die Vorteile eines offenen, hochflexiblen und innovativen Systems. Hinzu kommt eine sehr gute Unterstützung beispielsweise bei der Optimierung von Servoachsen, und zwar sowohl durch Beckhoff Schweiz als auch durch die Beckhoff-Experten in der Unternehmenszentrale in Verl.»

Die Modularität von PC-based Control ist für Patrick Suter in mehrerer Hinsicht von besonderer Bedeutung: «Durch das breite Spektrum der Beckhoff-Industrie-PCs ist die Rechenleistung optimal entsprechend der jeweiligen Anwendung skalierbar. Zudem lässt sich die I/O-Ebene sehr gut über dezentrale, bei Bedarf einfach erweiterbare I/O-Inseln realisieren. Hier profitieren wir besonders von den EtherCAT-I/O-Box-Modulen, über die in der aktuellen Anlage 80 Prozent aller I/O-Daten erfasst werden. Auch steuerungsseitig wird die Modularität gut unterstützt – durch ein einfaches Engineering ebenso wie durch die komfortable Machine-to-Machine-Kommunikation per EtherCAT Automation Protocol (EAP), über welches Bereitschaftssignale sowie Geschwindigkeits- und Produktinformationen zwischen der Six-Cut und der Wiro4 ausgetauscht werden. Gleiches gilt für die Software, die ebenfalls ein offenes, modulares und einfach erweiterbares System darstellt. So können wir programmierte Grundfunktionen ohne grossen Aufwand anpassen und in neuen Projekten wiederverwenden.»

Aufgrund der Grösse und der umfangreichen Antriebstechnik der Gesamtanlage profitiert Durrer ausserdem in besonderem Masse von der One Cable Technology (OCT). Patrick Suter verdeutlicht die Vorteile: «Die meisten Kabel der Antriebstechnik haben eine Länge von 20 m und mehr. Dementsprechend hoch ist die Kostenersparnis durch die Einkabellösung OCT. Hinzu kommt, dass sich Kabelverlegung und -handling deutlich vereinfachen sowie kleinere Schleppketten und weniger Kabeldurchführungen erforderlich sind.»

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Eine Software für alle Steuerungsaufgaben

Für eine effiziente Umsetzung der zahlreichen Bewegungsaufgaben sorgt durchgängig die Steuerungssoftware TwinCAT. So ergibt die mit TwinCAT PLC HMI realisierte Visualisierung einen umfassenden Überblick über die Maschinenzustände und TwinCAT NC PTP eine hochgenaue und dynamische Positionierung der Servoachsen. Patrick Suter erläutert dazu: «In der Anlage arbeiten wir sehr viel mit elektronischen und dynamischen Getrieben für die zuverlässige Kopplung von Servoachsen. Aus­serdem wird die Override-Funktion eingesetzt, um Geschwindigkeiten innerhalb der Anlage zu variieren und beispielsweise auf die vorgelagerte Zusammentragmaschine, welche über OPC UA mit der Six-Cut kommuniziert, aufzusynchronisieren. All das lässt sich sehr komfortabel über die entsprechenden PLCopen-Bausteine aus der umfangreichen Motion-Bibliothek von Beckhoff realisieren.»

Die Umsetzung der Sicherheitsfunktionen innerhalb der Maschine – Not-Halt, Lichtgitter sowie Schutztüren und -tore – profitiert laut Patrick Suter ebenfalls von der Systemintegration im Rahmen von PC-based Control: «Mit der durchgängigen Gesamtlösung hat die Sicherheitssteuerung TwinSafe-Logic EL6900 einfach Zugriff auf die in der PLC abgelegten Maschinenzustände. Diese Informationen lassen sich über das Protokoll Safety-over-EtherCAT sehr komfortabel an die mit der TwinSafe-Karte AX5805 ausgestatteten Antriebe AX5000 übertragen und einfach mit den Sicherheitsbausteinen für die Sicherheitsfunktionen SOS, SS1, SS2 und SLS verarbeiten. Dabei kommunizieren die beiden Sicherheitssteuerungen EL6900 in der Six-Cut und der ebenfalls über EAP in einem Multimaster-Verbund.»

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Eine konsequente Weiterentwicklung in der Steuerungstechnik eröffnet für den Maschinenbau ein hohes Innovationspotenzial. In dieser Hinsicht hat sich aus Sicht von Patrick Suter das breite, gut skalierbare Spektrum von PC-based Control bereits mehrfach bewährt: «Bisher konnten wir die unterschiedlichsten Anforderungen all unserer Sondermaschinen mit der Steuerungs- und Antriebstechnik von Beckhoff erfüllen. Auch falls die Standardkomponenten des umfangreichen Portfolios einmal an ihre Grenzen stossen sollten, bietet das umfangreiche Portfolio immer noch eine Alternativoption. So wurde bei einigen Maschinen beispielsweise mit eXtreme Fast Control (XFC) und Oversampling eine besonders schnelle Signalverarbeitung realisiert – und das nahtlos im Gesamtsystem integriert. Und diese optimale Skalierbarkeit gilt für alle Bereiche, von Kleinststeuerungen bis hin zu hochleistungsfähigen Industrie-PCs und von der kompakten Antriebstechnik im Klemmenformat bis hin zu komplexen Servoanwendungen. PC-based Control unterstützt uns auch bei zukünftigen Anforderungen mit innovativen Ansätzen – wie das lineare Transportsystem XTS – dabei, die optimale Lösung für die jeweilige Applikation zu finden.» SMM

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