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Steuerungen PC-based Control reduziert Kosten und SPS-Zykluszeiten

| Autor / Redakteur: Shane Novacek / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Durch die Automatisierung einer Fertigungsanlage zur Wärmetauscherproduktion mit einer skalierbaren Steuerungstechnik konnte der Hersteller die Kosten für die Steuerungstechnik sowie die SPS-Zykluszeiten um 30 % reduzieren.

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Gestapelte, laminierte Schichten aus Membran und gewelltem Aluminium für die Herstellung von Wärmetauschern zur Energierückgewinnung in der Lüftung von Wohnhäusern und Geschäftsgebäuden.
Gestapelte, laminierte Schichten aus Membran und gewelltem Aluminium für die Herstellung von Wärmetauschern zur Energierückgewinnung in der Lüftung von Wohnhäusern und Geschäftsgebäuden.
(Bild: Beckhoff Automation)

Auf einen Blick

  • Für Core Energy Recovery Solutions wählte das Unternehmen Ramp den Industrie-PC C6930 von Beckhoff aus.
  • Zur Datenerfassung und Maschinensicherheit verwendet Ramp analoge und digitale I/O-Komponenten von Beckhoff.
  • Als Antriebstechnik nutzt Ramp die Servomotorklemmen EL7211 von Beckhoff.

Für höhere Leistungs- und Lastanforderungen werden auch Servoverstärker der Baureihe AX5000 eingesetzt.

Im Auftrag von Core Energy Recovery Solutions in Vancouver (Kanada) entwickelte der Sondermaschinenbauer Ramp mit Sitz in Waterloo, (Ontario/Kanada) eine Anlage für die Herstellung von Wärmetauschern, die zur Erhöhung der Energieeffizienz in Gebäuden beitragen. Bei all seinen Projekten achtet Ramp zudem auf eine höchstmögliche Effizienz. Dafür setzt der Maschinenbauer auf die Kombination von maßgeschneiderten Lösungen mit standardisierten Bausteinen. Jeff Kerr, Leiter Mechanikkonstruktion bei Ramp, erläutert: „Wir untersuchen bereichsübergreifend alle Anforderungen und brechen sie in einzelne konzeptionelle Einheiten herunter. So stellen wir sicher, dass alle mechanischen und Steuerungskomponenten vollständig kompatibel sind und wir die bestmöglichen Lösungen für die Kunden realisieren.“

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Bei der Maschine von Core Energy Recovery Solutions, die im Jahr 2018 installiert wurde, werden rekuperative Wärmetauscher produziert, welche die Energieeffizienz von Lüftungssystemen in Wohnhäusern und Geschäftsgebäuden durch Wärmerückgewinnung erhöhen. Der Wärmeaustausch leitet dazu kalte und warme Luftströme in nebeneinanderliegenden Kanälen getrennt an­einander vorbei. Die Maschine verarbeitet als Ausgangsstoff unter anderem eine patentierte Polymermembran und gewellte Aluminiumfolie. Dabei werden Schichten in verschiedenen, den jeweiligen Kundenvorgaben entsprechenden Höhen und Steigungen laminiert.

In einem zweiten Anlagenteil werden die laminierten Werkstoffe durch einen von Ramp entwickelten Präzisionsvakuumförderer transportiert. In einem Pick-and-place-Prozess mit einheitlichen Greifpositionen, aber rezeptgesteuerten Platzierpositionen, die von 250 mm bis 1 m variieren können, werden dann Trennmaterialien auf die kundenspezifischen Folienschichten aufgebracht. Im letzten Arbeitsschritt werden die Schichten in mehreren Abmessungen und Höhen gemäß den Kundenvorgaben gestapelt und über ein Förderband abtransportiert.

Für eine skalierbare Antriebstechnik, die effiziente Steuerung und ein durchgängiges I/O-System setzte Ramp bei dem Core-Projekt auf PC-based Control von Beckhoff. Die Programmierung von SPS und Motion Control mit Twincat 3 in den IEC-61131-3-Sprachen setzt den standardbasierten Ansatz des Unternehmens auch im Softwareengineering fort. Weiterhin ermöglicht Twincat die Nutzung herstellerneutraler Techniken wie OPC UA zur sicheren Kommunikation mit übergeordneten Datenbanken, wie sie von Amazon Web Services (AWS) und SAP angeboten werden.

Leistungsfähige und offene Steuerungstechnik

Für Core Energy Recovery Solutions wählte Ramp einen Industrie-PC aus, der neben der Automatisierung auch die Rezept- und Datenerfassungslösungen des Un­ternehmens ausführen kann. „Wir benötigten einen IPC, der unsere Anwendungen mit einer Zykluszeit von 1 ms ausführen kann, um die maximale Kontrolle über den Prozess zu erhalten. Deshalb entschieden wir uns für den Schaltschrank-IPC C6930 von Beckhoff“, sagt Steve Slothouber, Leiter der Projektsteuerung bei Ramp.

Während der ein Jahr dauernden Entwicklungsphase bot der IPC außerdem ausreichende Leistungsreserven, um den immer wieder steigenden Anforderungen gerecht zu werden, die durch das Hinzufügen von zusätzlichen I/O-Komponenten entstanden. So ermöglichte der C6930 den Pro­jekt­abschluss innerhalb eines straffen Zeitrahmens. An den IPC schließt Ramp die Multitouch-Control-Panels CP2916 vonBeckhoff an. Mithilfe eines Dashboards ermöglichen sie einen guten Überblick und zeigen die Produktionsdaten sowie die Anlageneffizienz.

Flexibles Ethercat-I/O-System erfüllt die Anforderungen

Mit analogen und digitalen I/O-Komponenten von Beckhoff deckt Ramp die Anforderungen hinsichtlich Datenerfassung und Maschinensicherheit ab. Die High-­Density-(HD-)Ethercat-Klemmen mit bis zu 16 I/O-Kanälen und 12 mm breitem Gehäuse benötigen wenig Bauraum.

„Mit dem Ethercat-I/O-System ließen sich die Hochgeschwindigkeitsvernetzung und die schnellen Scan-Zeiten, die wir brauchten, realisieren, ohne auf flexible Netzwerktopologien verzichten zu müssen“, so Matt Buchwald, Leiter Elektrotechnik bei Ramp. „Die Core-Anwendung erfordert eine High-End-Steuerungstechnik, die auf Produktionsumstellungen flexibel reagieren und Steuerungsausgänge in weniger als 10 ms anpassen kann.“ Außerdem können unterschiedliche Feldgeräte von Drittanbietern angebunden werden, zum Beispiel Ethernet/IP-Komponenten für den Bahntransport, Bildverarbeitungshardware, automatische Kraftspannungsregelungen und Dosiereinheiten.

Weiterhin verwendet Ramp zahlreiche Ethercat-Box-Module in der Schutzart IP67. „Dadurch können wir unsere Feldeingänge und -ausgänge näher an der Anwendung platzieren und die allgemeinen Anforderungen an Leitungslänge und Schleppketten reduzieren“, erläutert Buchwald. „Die Integration aller Sicherheitssysteme in demselben Ethercat-Netz über Twinsafe-I/Os reduziert den Aufwand für die Verkabelung und Montage zusätzlich.“

Antriebstechnik ist hochskalierbar

In der Antriebstechnik verwendet Ramp die Servomotorklemmen EL7211 von Beckhoff. „Die nur 24 mm breiten Servomotor­klemmen verringern den Platzbedarf im Schaltschrank deutlich“, erklärt Stephen Gugeler, Leiter Steuerungstechnik. „Die EL7211 kommen mit einer kostengünstigen 48-V-Stromversorgung aus, was die Anforderungen der Servomotoren bezüglich Platzbedarf und Kosten erheblich reduziert.“ Die Schrittmotoren der Baureihe AS1020 werden durch die Schrittmotormodule EP7041 (50 VDC, 5 A) mit eingebautem Inkremental­encoder für resonanzkritische Anwendungen angesteuert.

Für höhere Leistungs- und Lastanforderungen setzt man auch Servoverstärker der Baureihe AX5000 ein, zum Beispiel für die High-End-Positions­regelung, ein elektronisches Getriebe, die Geschwindigkeitsregelung und die darüber liegende Positionsregelung. Mit den über die One Cable Technology (OCT) angebundenen Servomotoren AM8000 regeln sie den Transport und die Bestückung, die Bahnlaminierung, den Zug und die Höheneinstellung an der Fertigungslinie.

PC-basierte Steuerungstechnik hat sich bewährt

Ein Vergleich der Kennzahlen mit den SPS- und PAC-basierten Systemen der älteren Generation zeigt laut Gugeler, dass sich die SPS-Zykluszeiten und die Kosten des Steuerungssystems im Vergleich zu den Geräten bisheriger Anbieter um jeweils etwa 30 % reduziert haben. Die Steuerungs- und Kommunikationstechnik von Beckhoff helfe Ramp, den Produktionsdurchsatz zu erhöhen und die Kundenerwartungen immer wieder zu übertreffen.

* Shane Novacek ist Marketing Communications Manager Nordamerika bei Beckhoff Automation LLC in Savage (USA). Weitere Informationen: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG in 33415 Verl

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