Schnelle Kommunikation per EtherCAT und EtherCAT P bei einer Nickelschneidmaschine
Seit vielen Jahrzehnten baut SafanDarley Blechbearbeitungsmaschinen und setzt dabei bislang auf traditionelle SPS-Systeme. Die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff weckte jedoch das Interesse der Maschinenbauer. Der Pilotversuch mit einer Nickelschneidanlage überzeugte: wiederverwendbare Softwareobjekte für die Bewegungssteuerung, umfangreiche Erweiterungsmöglichkeiten und eine über die One Cable Automation mit EtherCAT P deutlich vereinfachte Verdrahtung.
SafanDarley, hervorgegangen aus dem Zusammenschluss von Safan und Darley, blickt auf eine über neunzigjährige Geschichte im Maschinenbau für die Blechbearbeitung zurück. Genauso traditionell wie der Maschinenbau ist die Steuerungstechnik. Das Unternehmen verwende die konventionelle SPS, sagt Chris Utens, leitender Softwareingenieur am Standort Eijsden, wo der Fokus auf schwereren Maschinen mit Hydraulik und auf Sonderprojekten liege. „Wir hatten keine Erfahrung mit Beckhoff, waren aber neugierig auf die PC-basierte Steuerungstechnik von dem Entwickler des EtherCAT-Protokolls geworden. Die schnelle, Ethernet-basierte Kommunikation vereinfacht die Anbindung an verschiedene Maschinentypen, und da unsere Maschinensteuerung eine große Zahl dezentraler I/Os beinhaltet, war das für uns interessant.“
Von Grund auf neu entwickelt
Nach einem Beckhoff Besuch auf der Hannover Messe 2024 waren Chris Utens und Softwareingenieur Jelle Adema von den Produkten und Arbeitsmethoden begeistert. Sie beschlossen, als Pilotprojekt eine Nickelschneidanlage für einen Kunden in Südafrika mit Beckhoff Technik zu automatisieren. „Wir nahmen an Schulungen teil und begannen mit dem Engineering der Steuerung von Grund auf; wir wählten Hardware aus und programmierten mit TwinCAT die SPS, die Maschinensicherheit und das HMI.“
Das Anlagenlayout hat die Form eines Quadrats, weshalb sich SafanDarley für ein Steuerungsnetzwerk in Sterntopologie entschied. Die Verbindungen verlaufen von einem zentralen Schaltschrank zu dezentralen Schaltschränken und EtherCAT P-Box-Modulen an den verschiedenen Komponenten der Linie. Alle dezentralen I/Os für die Anbindung von Achsen, Greifern, Sensoren usw. werden von solchen I/O-Inseln aus gesteuert. EtherCAT P vereint Kommunikation und Power in einem 4-adrigen Ethernet-Kabel – im Sinne der One Cable Automation von Beckhoff. Chris Utens: „Es wird nur ein Kabel benötigt, das war für uns ein Augenöffner. EtherCAT P ist zwar etwas teurer, aber der Anschluss ist sehr einfach; d. h. es gibt wenig Gefahr für Verdrahtungsfehler und die Maschine kann schnell eingerichtet werden. Einen Teil der Verdrahtung haben wir sogar von Praktikanten machen lassen.“
Schneiden mit Sorgfalt
Die Anlage beginnt mit der Zuführung von sogenannten Kathoden, Nickelplatten mit den Maßen 900 x 900 mm. Sie werden mit einem pneumatischen Greifer aufgenommen, auf einem Messtisch zentriert, in Länge, Breite und Dicke genau vermessen, gewogen und dann auf den Einlauftisch einer hydraulischen Schere transportiert. Diese Schere wird so eingestellt, dass jede Kathode in Bezug auf Schnittlänge, Spalt, Winkel und Kraft korrekt geschnitten wird. Jelle Adema: „Die Kathodenbleche sind nie perfekt homogen, sie haben Kurven, Beulen und Ohren.“
Die geschnittenen Streifen werden gesammelt und einer zweiten Schere zugeführt, die sie in kleine Blöcke von 100 x 100 mm schneidet. Die geschnittenen Blöcke werden gewogen und in Fässer gefüllt. Das Produkt ist dann bereit für den Verkauf, so Chris Utens. „Nickel wird zum Beispiel bei der Herstellung von Autobatterien oder im Schmelzprozess für die Produktion bestimmter Metalllegierungen verwendet.“
Objektorientierte Programmierung
Die Anlage sollte zwei Tonnen Nickel pro Stunde verarbeiten können und das mit einem einzigen Bediener. An dieser Stelle kam die Steuerung von Beckhoff ins Spiel, erklärt Chris Utens: „Wir entwickelten ein objektorientiertes Framework basierend auf dem PackML-Standard zur Programmierung der Steuerung in der TwinCAT-Umgebung von Beckhoff. Für jeden EtherCAT-Teilnehmer, wie Schere, Pick-and-Place und Messtisch, haben wir ein Softwaremodul als Objekt definiert.“ Dadurch ist die Netzwerkkonfiguration schnell und einfach. Wenn eine SPS eingeschaltet wird, liest sie automatisch alle angeschlossenen EtherCAT P-Box-Module ein. „Man muss dann nicht mehr das gesamte Netzwerk manuell einrichten und konfigurieren.“
Nach und nach entdeckten die Softwareingenieure das Potenzial. Jelle Adema: „Ein Kunde wollte z. B. einen bestimmten Antriebstyp verwenden. Mit unserer Standard-SPS war es sehr mühsam, diese Antriebe an die Steuerung anzuschließen, aber jetzt war es sehr einfach. Auch das Schreiben von Einstellungen in IO-Link-Module und der Anschluss von EtherCAT P-Modulen ist unkompliziert; es gibt viele Erweiterungsmodule und umfangreiche Diagnosemöglichkeiten.“
Betrieb mit einem Bediener
Ebenfalls interessant fanden die Ingenieure, dass sich die Control Panels von Beckhoff individuell anpassen lassen, einschließlich benutzerdefinierter Tasten und Not-Halt-Elementen. Die Steuerkonsole der Nickelschneidanlage enthält ein Panel mit der Bedienoberfläche und eines mit Live-Bildern von Anlage. Insgesamt acht Kameras wurden für die Überwachung kritischer Anlagenteile wie z. B. Schere, Pick-and-Place-Einheiten, Zuführung, Füllstation und Messtisch installiert. Die HMIs können frei positioniert werden; Entfernungen von bis zu 50 m vom Zentralschrank mit einem Beckhoff Embedded-PC der CX-Serie als Steuerung sind kein Problem.
Die Bedienoberfläche ist webbasiert und lässt sich leicht auf ein Tablet übertragen. So kann der Bediener um die Linie herumgehen, beispielsweise während sich die Steuerung bei der Störungsbehebung im manuellen Modus befindet. Zu diesem Zweck ist eine verteilte Sicherheitsfunktion verfügbar. Wenn die Hauptlinie im Servicemodus stillsteht, kann ein Teilsicherheitsmodul der Remote-I/O-Box z. B. für eine Schere, die manuell gesteuert werden soll, zugeordnet werden. Ein Hold-to-Run-Schalter ermöglicht dann eine sichere Bedienung und Wartung.
Neuer Steuerungsstandard?
Das Projekt verlief reibungslos. Das lag laut Chris Utens zum einen an den Standard-Softwareblöcken von TwinCAT, die sich als sehr nützlich erwiesen, und zum anderen an den individuell erstellten Objekten, die sich leicht wiederverwenden ließen. „Wir begannen 2024 in Woche 20 und konnten die komplette Linie in Woche 50 liefern. Es war ein ehrgeiziges Projekt – mit 300 dezentralen I/O-Einheiten, 15 Servoachsen und zwei Hochleistungs-Hydraulikachsen für die Scheren – aber wir konnten es fristgerecht fertigstellen.“
Wird SafanDarley aufgrund der positiven Erfahrungen komplett zu Beckhoff wechseln? Diese Diskussion wird derzeit geführt, erklärt Chris Utens. Die Empfehlung von Beckhoff laute, mit nur einem Aspekt zu beginnen, z. B. SPS, Safety oder Motion, so Chris Utens: „Wir haben ein neues Projekt für eine Abkantpresse mit einer automatischen Werkzeugwechselstation begonnen. Die Abkantpresse läuft auf unserer Standard-SPS, aber den Rest der Automatisierung werden wir mit Beckhoff steuern. Das wird der neue Standard für unsere Spezialprojekte sein.“
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