Textil

Wie läuft ein Projekt zur Spindelüberwachung für Textilmaschinen ab?

Bei der Spindelüberwachung für Textilmaschinen entwickeln wir die Ebene aus Bewegungsführung, Überwachung und Embedded-Steuerung in der Maschine.

Unsere Kunden sind die Maschinenbauer, Integratoren und MES-Anbieter, deren Produkt die Maschine ist. Dazu gehören die Synchronisation über EtherCAT (IEC 61158 Type 12) über Hunderte bis Tausende Spindel- und Antriebsachsen, die Fehlererkennung je Spindel und der Datenpfad, den die Maschine nach oben bietet. Maschine, Marke und Spinnerei bleiben bei Ihnen; wir übernehmen die Teile, die dauerhaftes Spezialwissen brauchen:

• deterministische Bewegungsnetze, ausgelegt auf die Achszahl, mit der die Maschine tatsächlich läuft
• die Erfassungs- und Erkennungsebene je Spindel, entworfen in Ihre Maschine
• eigene Multifunktions-E/A-Geräte, Antriebsschnittstellen und Gateways
• Nachrüstsätze, die eine installierte Maschine an das Werksnetz bringen, so verpackt, dass Ihr Service sie einbauen kann
• Obsoleszenzarbeit, wenn eine Steuerungs- oder Bauteilgeneration vor der Maschine endet
• Schulung Ihrer Ingenieure, gemeinsamer Aufbau der ersten Implementierung und danach Third-Level-Support, während Ihr Team den First-Level-Support leistet

Maschinen in einer Spinnerei installieren wir nicht und nehmen sie nicht in Betrieb. Muss ein Entwurf integriert und getestet werden, arbeitet unser Team mit Ihrem Entwicklungsteam, während Integration und Test vor Ort und danach remote. Die Seite zur Zusammenarbeit beschreibt die Formen der Zusammenarbeit und wie sie abgerechnet werden.

Warum ist Überwachung Teil dessen geworden, womit sich eine Textilmaschine verkauft?

Spinnereien kaufen heute nach Qualität und Verfügbarkeit, und beides entscheidet sich an der Spindel.

Eine Maschine läuft ununterbrochen mit Hunderten bis Tausenden Spinnstellen. Ein Bruch oder ein entstehender Lagerschaden kostet Ausbringung, bis jemand ihn findet. Eine Maschine, die die Spinnstelle benennt und nicht bloß die Maschine, verkürzt diese Suche. Deshalb ist die Erkennung je Spindel von einer Option zur Erwartung geworden. Die Technik dahinter ist Netz- und Embedded-Arbeit, keine mechanische, und sie kommt in Schüben: eine neue Überwachungsgeneration, der Wechsel einer Maschine von einem alternden Feldbus oder eine Steuerung, die eine Abkündigung durchläuft. 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 jeder Ebene in der Maschine: Bewegungsnetz, Überwachungsebene, E/A, Steuerungsgeneration.

• Ein Bewegungsnetz, das wachsen muss. Das Segment wird so entwickelt, dass die synchronisierten Achsen eine Taktphase teilen und Sollwerte in einem bekannten Zeitschlitz ankommen, und so, dass zusätzliche Achsen die Regelrate der vorhandenen nicht senken.
• Eine Überwachungsebene. Für eine Maschine, die noch keine hat. Sensorik je Spindel und Embedded-Erkennung, in die Maschine entworfen, mit Fehlerklassen und Meldeweg, die auf Ihre Maschine hin festgelegt sind.
• Ein Nachrüstsatz. Für den Maschinenbestand. Edge-Sensorik, ein Gateway und ein Kalibrierdurchlauf, so verpackt, dass sich alles in einem Wartungsstopp einbauen lässt.
• Ein Feldbus, der abgelöst werden muss. Migration auf Echtzeit-Ethernet, bei der Ihre Verarbeitungslogik und Ihr geistiges Eigentum auf neue Sensoren, Steuerungen und Protokolle übernommen werden.
• Ein Schaltschrank voller fest verdrahteter E/A. Mehrere Standardmodule, ersetzt durch ein eigenes Multifunktionsgerät, das den Kabelbaum auf einen Netzanschluss reduziert.
• 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.
• Aufbau Ihres Teams. Ihr Entwicklungsteam wird eingearbeitet: Schulung, dann gemeinsamer Aufbau der ersten Implementierung, danach Third-Level-Support hinter Ihrem Team.

Welche Protokolle und Bussysteme finden sich an einer Textilmaschine?

Eine Textilmaschine trägt mehr als den Bewegungsbus, und selten alles aus einer Generation.

EtherCAT und Sercos III finden sich dort, wo ein Maschinenbauer ein Paket für koordinierte Bewegung spezifiziert hat, und Sercos kommt meist als Teil des Angebots eines Antriebsherstellers. Modbus RTU und Modbus TCP sind bei der Überwachung je Spindel und für einfache Steuerung weit verbreitet, besonders an kostengünstigen Maschinen von Herstellern außerhalb Europas und Nordamerikas, und sie bleiben. IO-Link deckt die Sensorebene unter beiden ab. Die Steuerung selbst wird meist ohnehin in den Sprachen nach IEC 61131-3 programmiert. Die meiste Arbeit liegt an den Übergängen: eine Überwachungsebene mit Modbus und eine Bewegungsebene mit EtherCAT zu einem stimmigen Bild der Maschine zu bringen und dieses dann über OPC UA nach oben zu geben, ohne eine der beiden zu stören.

Welche Verfahren zur Fehlererkennung je Spindel können Sie integrieren?

Wir integrieren vier Signalquellen, gruppiert nach dem, was sie erkennen: Prozessfehler, Maschinenzustand und Anlagenzustand.

Sie unterscheiden sich in den Kosten je Spindel und in den Fehlerklassen, die sie verlässlich erkennen. Die Entscheidung über die Integration in die Maschine liegt bei Ihnen; unser Teil ist der Erfassungspfad und die Erkennungslogik rund um die verfügbaren Signale.

• Läufergeschwindigkeit: Prozessfehler. Ein Hall- oder Näherungssensor misst die Bewegung jedes Läufers direkt. Fehlende Bewegung zeigt einen Fadenbruch, verringerte Geschwindigkeit einen schlaffen Faden und ein ungewöhnlicher Geschwindigkeitsausschlag eine Auffälligkeit bei Spannung oder Läufer. Der Vergleich der Spinnstellen über eine Maschine mit nahezu gleichen Spindeln erkennt mehr als jeder Grenzwert für eine einzelne Stelle. Das macht diesen Kanal zum direktesten je Spindel.
• Rückmeldung von Antrieb und Steuerung: Maschinenzustand. Antriebsstatus, Rückmeldung der Istdrehzahl und Fehlercodes zeigen, ob eine Spindel oder Maschine läuft, steht oder anläuft, und trennen einen echten Stillstand von einem Garnfehler. Wie fein das gelingt, hängt davon ab, wie die Antriebe organisiert sind.
• Motorstromsignatur: Anlagenzustand. Der Antrieb ist schon vorhanden, also ist der Strom der günstigste Kanal. Er zeigt den Zustand von Motor und Antriebsstrang, Anlauf- und Stoppvorgänge und Lastauffälligkeiten auf Maschinenebene. Ob er den Garnfehler einer einzelnen Spindel herausgreifen kann, hängt von der Antriebsarchitektur ab.
• Schwingung und Akustik: Anlagenzustand. Schwingungstrends zeigen Lagerverschleiß, Unwucht, Fluchtungsfehler und Lockerung, bewertet nach ISO 20816, wo sie anwendbar ist. Akustische Sensorik liefert zusätzliche Hinweise auf Reibung und Stöße.

Die technische Entscheidung darunter ist bei allen vier dieselbe: schnell genug abtasten, dass ein Fehler sichtbar ist, während er entsteht, und nah an der Spindel verarbeiten, statt Rohsignale an eine SPS oder einen Historian zu schicken. Signalverarbeitung im Gerät, etwa FFT-basierte Motorstromanalyse oder Hüllkurvenanalyse der Schwingung, meldet einen Fehler innerhalb eines Maschinenzyklus und nicht erst beim nächsten Daten-Upload.

Wie entwirft man Überwachung, die sich in einem Wartungsfenster einbauen lässt?

Wir machen die Einbaureihenfolge zum Teil des Entwurfs, damit sie kein Problem der Inbetriebnahme wird.

Verdrahtung und Edge-Hardware werden so spezifiziert, dass sie zuerst eingebaut werden; die Referenzwerte je Spindel kalibrieren sich danach in einem kurzen Durchlauf an der laufenden Maschine. So bleibt die Arbeit innerhalb des Wartungsstopps, den die Spinnerei ohnehin plant, und erzeugt keinen eigenen Stillstand. Das muss ein Maschinenbauer meist zusagen, bevor eine Spinnerei einer Nachrüstung überhaupt zustimmt. Wer einbaut, Ihre Servicetechniker oder der Integrator, folgt einer festgelegten Reihenfolge, und unser Team arbeitet bei Entwurf und Test hinter ihnen.

Was decken Sie auf der Antriebsseite ab?

Wir decken die Geräteebene ab, die die Bewegung speist, und die Steuerungsebene, die sie ausführt.

• Integration von Drehgebern, von denen ein großer Teil der Bewegung an Textilmaschinen tatsächlich seine Rückmeldung bekommt. Unser Team hat optische Drehgeber als Slaves mit geringem Ressourcenbedarf an Echtzeit-Ethernet und Feldbus integriert, für einen Drehgeberhersteller, dessen Teile in Textilmaschinen ebenso wie in Verpackungsmaschinen, Aufzügen und Inkjet-Druckmaschinen eingebaut werden. Das ist Protokollarbeit auf Geräteebene und keine Installation in der Spinnerei, und es ist dieselbe Aufgabe, in welcher Maschine der Drehgeber auch landet.
• Antriebssteuerung darüber. Unser Team hat Motorsteuerungen für bestimmte Plattformen über Echtzeit-Ethernet entworfen und integriert: die Steuerungsimplementierung auf der vom Maschinenbauer gewählten Hardware, an dem Netz, mit dem die Maschine läuft.
• Bei Sercos III ist die Grenze enger. Die Integration auf der Slave-Seite behalten die Antriebshersteller weitgehend im eigenen Haus. Unseren Beitrag leisten wir deshalb an den Rändern, bei Gateways und dabei, ein Bewegungssystem mit OPC UA interoperabel zu machen, und nicht im Antriebsstack selbst.

Wie skaliert Spindelüberwachung auf EtherCAT mit der Spindelzahl?

Spindelüberwachung skaliert über Segmentierung: Jede Spindel, die einem Segment hinzugefügt wird, verbraucht einen Teil desselben Zyklusbudgets.

Meist ist die Achszahl die eigentliche Grenze, nicht ein einzelner Regelkreis eines Antriebs. Die Entwurfsfrage einer Maschine ist, wie viele Segmente der Überwachungs- und Bewegungsverkehr braucht und wo die Grenze zwischen ihnen liegt. Den Zielwert setzt die Spindel selbst: Eine Ringspinnmaschine läuft mit bis zu etwa 20.000–25.000 U/min, eine Umdrehung dauert also 2,4 bis 3 ms, und ein Zyklus unter einer Millisekunde liefert mehrere Messwerte je Umdrehung, genug, um einen Bruch oder einen entstehenden Fehler zu sehen, während er geschieht.

In gelieferten Projekten zur Spindelüberwachung hat unser Team EtherCAT-Segmente so ausgelegt, dass sie Zykluszeiten im Bereich von 250 µs bis 1 ms hielten, während die Knotenzahl in die Hunderte wuchs. Framelänge und Topologie blieben innerhalb dieses Budgets, sodass zusätzliche Achsen die Regelrate der vorhandenen nie senkten. Das knappe Ende gehört typischerweise kleineren Segmenten mit kompaktem Prozessabbild, und ein Segment mit Hunderten von Knoten liegt eher am Millisekunden-Ende. Darüber hinaus wird der Verkehr auf Segmente aufgeteilt, und diese Aufteilung wird vor der Inbetriebnahme entworfen und nicht erst währenddessen gefunden.

Was das Budget hält, ist bei jedem Echtzeit-Steuerungsnetz gleich: eine Uhr, die jedes Gerät im Regelkreis tatsächlich teilt, eine physische Topologie, die der geplanten entspricht, und Diagnose je Gerät, die schnell genug ist, dass ein ausfallender Knoten im selben Zyklus gesehen wird. Die Mechanismen unterscheiden sich je Protokoll und stehen auf der Seite zu Echtzeit-Ethernet.