Druck und Converting

Wie läuft ein Projekt zur Steuerungstechnik für Druckmaschinen ab?

Bei der Steuerungstechnik für Druckmaschinen entwickeln wir die Ebene aus Steuerung, Antriebssynchronisation und Netz in der Maschine.

Unsere Kunden sind die Maschinenbauer, Converter und Retrofit-Anbieter, die diese Maschinen bauen und betreuen. Maschine, Marke und Endkunde bleiben bei Ihnen; wir übernehmen die Teile, die dauerhaftes Spezialwissen brauchen:

• koordinierte Bewegung und Antriebssynchronisation mit PROFINET IRT, POWERLINK oder EtherCAT
• die Auswertung des Sensorpfads, damit ein Messwert geprüft ist, bevor er eine Achse bewegen darf
• eigene Multifunktions-E/A-Geräte, Antriebsschnittstellen und Gateways, die mehrere Standardmodule auf einmal ersetzen
• die Migration von einem alternden Feldbus auf Echtzeit-Ethernet, bei der Ihre Verarbeitungslogik unverändert übernommen wird
• ein zweites Netz für ein vorhandenes Steuerungsprodukt, damit eine Produktlinie Werke mit unterschiedlichen Schnittstellen bedient
• Obsoleszenzarbeit und Steuerungs-Retrofit an installierten Maschinen, in Stufen, sodass die Maschine bei voller Geschwindigkeit nachgewiesen ist, bevor die alte Steuerung ausgebaut wird
• Schulung Ihrer Ingenieure, gemeinsamer Aufbau der ersten Implementierung und danach Third-Level-Support, während Ihr Team den First-Level-Support leistet

Unser Team hat umfangreiche Erfahrung mit spezialisierten Maschinenherstellern dieser Branche, bei Neubauten wie bei Retrofits. Die Seite zur Zusammenarbeit beschreibt die Formen der Zusammenarbeit und wie sie abgerechnet werden.

Warum kauft man das Steuerungs-Spezialwissen zu, statt es einzustellen?

Die Arbeit kommt in Schüben, und die Leute dafür sind zwischen den Schüben schwer auszulasten.

Koordinierte Bewegung an einer Druckmaschine ist zuerst eine Netz- und Embedded-Aufgabe und erst dann eine mechanische. Alles davor, also Bahnspannung, Geschwindigkeit, Farbe und Bedruckstoff, läuft auf dieselben zwei Fragen hinaus: Erreicht der Befehl den Antrieb rechtzeitig, und war der Messwert, aus dem er stammt, echt? Die Ingenieure, die das gut beantworten, sind in einem einzelnen Maschinenprogramm schwer auszulasten. Dieselbe Rechnung gilt für den Rest dieser Seite. POWERLINK neben PROFINET hinzuzufügen sind Wochen Spezialarbeit und dann ein Jahr nichts. Ebenso eine abgekündigte Steuerungsfamilie, ein erstes eigenes E/A-Gerät oder die Migration von einem Feldbus, der der Maschine fünfzehn Jahre gedient hat. Jedes davon ist ein Projekt mit Anfang und Ende, an einer Maschine, die ansonsten Ihre ist.

Bei welchen Teilen der Arbeit können Sie unterstützen?

Bei jedem Teil, der über die Genauigkeit bei voller Geschwindigkeit entscheidet: Bewegungsnetz, Sensorpfad, Steuerungsgeneration.

• Koordinierte Bewegung an einer neuen Maschine. Das Netz wird so entwickelt, dass die synchronisierten Achsen eine gemeinsame isochrone Taktphase teilen und Sollwerte in jedem Zyklus in einem bekannten Zeitschlitz ankommen. Registerregelung, wellenloser Antrieb und Querschneider sind dieselbe Aufgabe in verschiedener Gestalt.
• Ein Sensorpfad, der falsche Werte liefert. Prüfung von Marken, Kanten oder Längenfehlern, damit ein falscher Messwert als Fehler eingestuft wird und keine Korrektur auslöst, die Bahnmaterial verschwendet.
• Ein Schaltschrank voller fest verdrahteter E/A. Mehrere Standardmodule, ersetzt durch ein eigenes Multifunktionsgerät, das den Kabelbaum auf einen Netzanschluss reduziert.
• Ein Feldbus, der migriert werden muss. Migration auf Echtzeit-Ethernet, bei der Ihre Verarbeitungslogik und Ihr geistiges Eigentum auf neue Sensoren, Steuerungen und Protokolle übernommen werden.
• Ein abgekündigtes Teil. Eine Abkündigung für einen Chip, eine Steuerung oder Elektronik an einer Maschine, die noch verkauft wird, bewertet, bevor irgendetwas neu entworfen wird.
• Ein zweites Netz für ein vorhandenes Produkt. Dasselbe Steuerungsprodukt lernt PROFINET und POWERLINK oder EtherCAT, damit es sich an Werke mit unterschiedlichen Erwartungen verkaufen lässt.
• Ein Steuerungs-Retrofit an installierten Maschinen. Ein neues Antriebsnetz und neue Steuerungshardware unter einer unveränderten Mechanik, in Stufen in Betrieb genommen.
• Aufbau Ihres Teams. Ihre eigenen Ingenieure werden eingearbeitet: Schulung, dann gemeinsamer Aufbau der ersten Implementierung, danach Third-Level-Support hinter Ihrem Team.

Wie entwickelt man auf Genauigkeit bei Bahngeschwindigkeit?

Wir halten den Pfad von der Messung zum Sollwert innerhalb eines Jitterbudgets, das das Korrekturintervall verkraftet.

Dieser Pfad entscheidet, nicht der Regelkreis des Antriebs selbst. Liegt sein Jitter in der Größenordnung des Korrekturintervalls, korrigiert die Maschine gegen veraltete Positionen und pendelt. Wir entwickeln das Netz so, dass die koordinierten Achsen eine gemeinsame isochrone Taktphase teilen und die Korrektur in jedem Zyklus in einem bekannten Zeitschlitz ankommt. Deshalb zählt der Synchronisationswert mehr als die reine Zykluszeit. In gelieferten Projekten heißt das eine Taktsynchronisation unter 1 µs über die Achsen, im ungünstigsten Fall 3 µs, mit dem Korrekturpfad innerhalb eines Jitterbudgets unter 5 µs. Die Registerregelung ist der bekannteste Fall. Dasselbe Budget gilt für wellenlose Antriebe, Schnitt auf Marke und Querschneider an einer Converting-Linie und für jede Rollenwechsler- oder Wendeachsensequenz, die am Maschinenzustand hängt.

Wie verhindern Sie, dass aus einem falschen Messwert eine falsche Korrektur wird?

Wir behandeln das am Sensor, bevor ein Messwert eine Achse bewegen darf.

Eine Phantommarke, eine fehlende Marke, eine gedehnte Rapportlänge oder eine falsch verfolgte Kante zeigen sich alle als plötzliche Abweichung. Messwerte werden gegen die erwartete Geometrie und das erwartete Fenster geprüft, bevor sie eine Achse bewegen dürfen. Ein falscher Wert wird so als Fehler eingestuft und gemeldet.

Wie baut man eine Maschine für Werke, die unterschiedliche Netze erwarten?

Ein Steuerungsprodukt trägt beide Stacks, und die Wahl folgt dem, was der Maschinenbauer selbst besitzen muss.

Liefert ein Unternehmen Antrieb und Steuerung, kann es mit einem quelloffenen Stack die Produktlinie vollständig selbst besitzen, ohne eine Abhängigkeit, die es nicht gewählt hat. Kommt der Antrieb von einem Dritten und arbeitet der Anlagenbestand des Werks mit PROFINET, ist der zertifizierte kommerzielle Weg der richtige. Ein Beispiel: Dieselbe OEM-Steuerung, an der unser Team gearbeitet hat, unterstützt PROFINET und POWERLINK, und in den POWERLINK-Ausführungen lagen Antriebe und Messsysteme beide an diesem Netz. Wir arbeiten auch mit Stacks anderer Anbieter, die ein Maschinenbauer schon lizenziert hat. Die Entscheidung liegt bei ihm; unser Teil ist, dass der gewählte Stack sein Zeitverhalten auf seiner Hardware hält.

Was passiert, wenn die Elektronik vor der Maschine abgekündigt wird?

Wir klären, wie viel der Steuerung mit dem abgekündigten Teil wechseln muss.

Die Mechanik hat meist noch Jahre vor sich. Manchmal genügt ein direkter Ersatz mit einer Treiberänderung, manchmal hat der Ersatz andere Peripherie, und die Firmware muss darum herum überarbeitet werden. Wir bewerten zuerst, damit die Entscheidung eine abgegrenzte Entwicklungsaufgabe ist. Wie diese Arbeit abläuft, beschreibt die Seite zum Obsoleszenzmanagement.

Zwei Dinge zählen hier mehr als das Teil selbst:

• Ihre Verarbeitungslogik. Sie ist Ihr geistiges Eigentum und wird übernommen. Die Logik auf der alten Steuerung ist über Jahre an vielen Maschinen gewachsen, und eine Migration portiert sie auf neue Steuerungen, Sensoren und Protokolle. Sie ist keine Gelegenheit, die Maschine neu zu schreiben, und wer sie so behandelt, macht aus einer abgegrenzten Aufgabe eine offene.
• Fest verdrahtete E/A. Ein Wechsel der Steuerungsgeneration ist der Zeitpunkt, sie auszubauen. Der Kabelbaum wird ohnehin angefasst. Die Verdrahtung gleichzeitig zu vereinfachen kostet einen Bruchteil eines späteren eigenen Projekts, und meist verkürzt genau diese Änderung die Inbetriebnahme am stärksten.

Was gehört zu einem Steuerungs-Retrofit an einer installierten Maschine?

Steuerungs- und Netzebene werden ersetzt, ohne die Maschine darum herum zu stören.

Ein neues Antriebsnetz und neue Steuerungshardware, die eigene Logik der Maschine darauf neu umgesetzt, und eine Inbetriebnahme in Stufen, sodass die Maschine bei voller Geschwindigkeit nachgewiesen ist, bevor die alte Steuerung ausgebaut wird. Das Abnahmekriterium ist dasselbe wie beim Neubau: Die Maschine hält ihre Genauigkeit bei Produktionsgeschwindigkeit, gemessen so, wie sie vorher gemessen wurde.

Bei welchen weiteren Aufgaben an Druck- und Converting-Maschinen helfen Sie?

Wir decken auch den Rest der Maschine ab und begleiten die Projekte eines Maschinenbauers über mehrere dieser Punkte.

Für das meiste in der folgenden Liste hat ein Maschinenbauer schon eine eigene Lösung, und wir kommen meist bei einem der Punkte dazu, zu seinen Bedingungen.

• Bahnspannungsregelung über Abwicklung, Prozess und Aufwicklung, wo dieselbe Synchronisationsqualität entscheidet, ob ein dünner Bedruckstoff einen Geschwindigkeitswechsel übersteht.
• Wellenlose Antriebe, die eine mechanische Königswelle durch eine elektronische ersetzen; dort beginnen die meisten Retrofits tatsächlich.
• Rollenwechsel und Wendeachsen an laufenden Bahnen, eine Zeitaufgabe, die am Maschinenzustand hängt und nicht an einem Regelkreis.
• Schnitt auf Marke und Querschneider an Converting-Linien, derselbe Pfad vom Sensor zum Aktor wie beim Register, mit einem Messer am Ende.
• Bahnlauf- und Kantenregelung, dieselbe Prüfdisziplin an einem anderen Sensor.
• Inspektion und Fehlerprotokollierung an der laufenden Bahn, wobei der Berichtspfad vom isochronen Pfad getrennt bleiben muss.
• Liniendaten nach oben an Leit- und MES-Ebene über OPC UA, ebenfalls ohne den isochronen Pfad darunter zu berühren.

Was muss im Netz stimmen, bevor koordinierte Bewegung funktioniert?

Drei Dinge müssen stimmen: eine gemeinsame Uhr, eine passende Topologie und eine Gerätebeschreibung, die als Schnittstelle behandelt wird.

Alle drei werden bei der Inbetriebnahme geklärt, typischerweise nicht durch die Produktauswahl.

1. Eine gemeinsame Uhr. Jedes Gerät im Regelkreis muss in ihrer Domäne liegen. Ein Gerät, das nur am selben Kabel hängt, aber außerhalb der Domäne liegt, scheint zu funktionieren und driftet. Jedes Protokoll erreicht das anders: EtherCAT verteilt eine Referenzzeit von einer Uhr, und jeder Slave korrigiert sich daran; PROFINET IRT arbeitet mit einer Sync-Domäne, einem Sync-Master und einer geplanten Sendephase; POWERLINK gibt jedem Knoten seinen Zeitschlitz in einem Zyklus, den der Managing Node abfragt. Dieselbe Anforderung, drei Mechanismen, und die Prüfung bei der Inbetriebnahme ist in allen dreien gleich: Liegt jedes Gerät, auf das es ankommt, tatsächlich in der Domäne?
2. Eine physische Topologie, die der geplanten entspricht. Isochrone Zeitpläne werden für eine bestimmte Verkabelung berechnet. Die Maschine muss also so verkabelt sein, wie die Planung es vorgibt, und das Netz muss das nachweisen können.
3. Die Gerätebeschreibung. Sie ist eine Schnittstelle, kein Detail. Jedes Protokoll hat seine eigene Form dieser Datei (GSDML bei PROFINET, ESI bei EtherCAT, XDD bei POWERLINK), und sie legt fest, wie die Daten eines Geräts für alle anderen im Netz angeordnet sind. Diese Anordnung zu ändern ist ein Kompatibilitätsereignis und kein Firmware-Detail: So wird aus einem routinemäßigen Antriebstausch eine erneute Inbetriebnahme.

Jedes Protokoll setzt diese drei anders um, und die Mechanismen beschreibt die Seite zu Echtzeit-Ethernet.