Schaumstoffe sind in unterschied­-lichster Form und Beschaffenheit allgegenwärtig. Im Auto beispielsweise sind sie als witterungsbeständige Dichtungen oder mit Stoff oder Leder überzogen als Sitzfläche oder Dachhimmel zu finden. In der Möbelindustrie tauchen sie unter anderem auf als Verpackungsmaterial zwischen einzelnen Holzteilen, als Polsterung und Schaumstoffmatratzen oder in der Sportindustrie als Neopren für Taucheranzüge. So unterschiedlich die Schaumstoffarten und deren Anwendungsgebiete sind, der Herstellungsprozess beginnt meist mit großen Schaumstoffblöcken, die in Folienbahnen geschnitten und aufgerollt werden. Dabei liegt die Herausforderung in einem glatten, gleichmäßigen Schnitt.

Schaumstoffe schneiden – alles andere als trivial

Die Schneidemaschine BSV-S mit PC-basierter Automatisierung schneidet millimeterdünne Folien aus dicken Schaumstoffblöcken bei Geschwindigkeiten von 80 m/min

© Siemens

Was auf den ersten Blick einfach erscheint, ist steuerungstechnisch eine komplexe Aufgabe: Viele einzelne Komponenten – Antriebe, Andruckwalzen, Schneidewerkzeug und weiteres – müssen dazu koordiniert und präzise geregelt werden. Aus diesem Grund gibt es weltweit nur wenige Hersteller solcher Spezialschneidemaschinen. Einer davon ist das Unternehmen Albrecht Bäumer, das seit etwa 60 Jahren Spezialschneidemaschinen für alle Arten der Schaumstoffverarbeitung fertigt. Die bisher eingesetzten Steuerungen waren für die neuen Maschinengenerationen nicht mehr leistungsfähig genug, so dass im Rahmen der Innovationszyklen einzelner Maschinentypen neue Steuerungslösungen evaluiert wurden. Aufgrund ihrer hohen Performance, Flexibilität und Zuverlässigkeit sowie des guten Preis-Leistungs-Verhältnisses wurde ein PC-basiertes Steuerungskonzept favorisiert und bei der Folienschneidemaschine BSV-S umgesetzt.

Die Maschine verarbeitet bis zu 25 m lange und 40 cm dicke Schaumstoffblöcke. Diese Schaumstoffblöcke können an ihren Enden miteinander zu einem großen Endlos-Block verklebt werden, von dem in einem Rundlauf die Folie abgeschnitten wird. Ein horizontal ausgerichtetes Messer schneidet dazu bei Geschwindigkeiten bis zu 80 m/min eine zwischen 1 mm und 12 mm dicke Folie ab, die auf einer angetriebenen Vorrichtung aufgewickelt wird. Trotz des stetig abnehmenden Umfangs des Schaumstoffblocks muss die Folie immer exakt die gleiche Stärke haben. Dazu ist es zwingend erforderlich, dass die Steuerung das Schneidaggregat permanent nachreguliert, damit nach einer kompletten Umdrehung des Endlos-Blocks wieder gleichmäßig die vorher abgehobene Dicke am Messer zugestellt ist.

Des Weiteren darf die Schnittfläche keine Riefen aufweisen. Dies würde beispielsweise beim Himmel eines Autodachs zur Streifenbildung führen. Um das zu verhindern, bedarf es eines äußerst scharfen und genau justierten Schneidemediums, das mit einer exakt einzuhaltenden materialabhängigen Geschwindigkeit durch den Schaumstoffblock schneidet. Um die Schnittgüte sicherzustellen, wird dieses Schneidemedium fortwährend nachgeschliffen. Darüber hinaus sind die Geschwindigkeiten der Antriebswalzen und der Wickelvorrichtung ständig anzupassen, da sich die Umfänge des Schaumstoffblocks und der Folienrolle ständig verringern beziehungsweise erhöhen.

Embedded-PC regelt alles

Dank fünf mehrfarbiger Diagnose-LEDs ist auch im Headless-Betrieb für Instandhalter jederzeit der Status des Microbox-PC und der darauf laufenden Software-SPS erkennbar

© Bäumer

Die komplexen Regelungsaufgaben der bis zu 16 Antriebsachsen und Peripheriegeräte übernimmt bei der neuesten Generation der Schneidemaschine ein Simatic-Microbox-PC mit Software-Controller. Dieser kompakte Industrie-PC vom Typ IPC427C ist komplett ohne bewegliche Teile aufgebaut und bei Bäumer mit einem Solid-State-Drive (SSD) und einer CF-Karte (CompactFlash) als Massenspeicher ausgerüstet. Das eingesetzte SSD von Intel basiert auf hochwertigen und schnellen Single-Level-Cell-Speicherbausteinen (SLC) und eignet sich daher für den industriellen Dauereinsatz. Als alternativer Massenspeicher steht eine Festplatte mit 250 GByte zur Verfügung.

Fünf Leuchtdioden auf der Gehäusefront zeigen dem Wartungspersonal auf einen Blick den Status des IPC. Dies ist be­sonders für Kunden beruhigend, die mit PC-basierter Automatisierung noch keine Erfahrung gesammelt haben. Zudem wird der IPC bei der BSV-S „headless“ betrieben, also ohne direkt angeschlossenen Monitor. Als Kommunikationssystem setzt der Maschinenbauer bei seinen neuen Maschinen auf Profinet. Der Rechner hat dafür einen Switch mit drei Profinet-Ports integriert, was die Anschaffung eines externen Switches spart. Profinet bietet für Bäumer den Vorteil, gleichzeitig Steuerungs- und Nutzdaten über ein Netzwerk zu übertragen. Über die drei Schnittstellen erfolgen:

■ die Ansteuerung der insgesamt elf Frequenzumrichter für die Motoren,
■ der Anschluss der beiden dezentralen Peripheriebaugruppen ET200 im Schaltschrank und am Schneidaggregat
■ sowie der Anschluss der Bediensta­tion (Multi Panel 277) mit WinCC flexible als Visualisierungssoftware.

Die weiterhin vorhandene Gigabit-Ethernet-Schnittstelle übernimmt bei Bedarf die Einbindung der Maschine in ein Firmennetzwerk und den Fernzugriff. Hier hat Bäumer eine komfortable Funktion für seine Schneidmaschinen entwickelt: Per Tastendruck an der Bedienstation baut der Microbox-PC eine vorher konfigurierte VPN-Verbindung (Virtual Private Network) zur Servicezentrale bei Bäumer auf. Die Spezialisten des Maschinenbauers können im Servicefall über diese sichere Verbindung schnell und einfach auf die Maschine zugreifen, ohne dass die IT oder besonders geschultes Personal erst eine Remote-Verbindung einrichten muss.

Standardmäßig bootet der Hutschienen-PC Windows XP embedded von der internen SSD. Sollte jedoch das Betriebssystem auf der SSD einen Fehler aufweisen, kann die CF-Karte als Ersatz fungieren, da auf ihr ein identisches Abbild (Image) der SSD gespeichert ist. Um Änderungen am Betriebssystem vorzubeugen, sind sämtliche Verzeichnisse der Betriebssystem-Partition mittels File Based Write Filter (FBWF) geschützt. Der FBWF ist Bestandteil der Embedded-Betriebssysteme für Simatic IPCs und ermöglicht es, den Schreibzugriff auf einzelne Dateien und Verzeichnisse zu sperren. Schreibzugriffe sind dann nur noch im Speicherabbild der Dateien im Arbeitsspeicher möglich und nach einem Neustart des Rechners nicht mehr vorhanden. Daraus resultieren zwei Vorteile: Das System kann wirksam gegen gewollte (Viren) oder unbeabsichtigte Manipulationen (versehentliches Löschen einer Systemdatei) geschützt werden. Zudem verringert sich der physikalische Verschleiß der flashbasierten Massenspeicher (SSD und CF).

Ausreichend Zeit für MDE und Fernwartung

Die Produktion von Schaumstoff-Folien ist ein komplexer Prozess, der eine ausgeklügelte und präzise Regelungstechnik für die verschiedenen Antriebs- und Zustellachsen erfordert

© Siemens

Der Core2-Duo-Prozessor mit 1,2 GHz Taktfrequenz liefert die Rechenleistung für die Software-SPS (WinAC RTX) und bietet darüber hinaus ausreichend Reserven für weitere Anwendungen, zum Beispiel für die Maschinendatenerfassung und -auswertung sowie den Fernzugriff. Die Soft-SPS selbst arbeitet mit einer konstanten Zykluszeit von 11 ms. Alle 10 ms wird über einen Interrupt-OB (Organisationsbaustein) die Stellung der Antriebsachsen über Profinet abgefragt und falls nötig nachjustiert. Verglichen mit der vorangegangenen Maschinengeneration hat die PC-basierte Automatisierungslösung die Performance der Steuerung um fast 80 % erhöht. Daher können die einzelnen Achsen, beispielsweise zur Einstellung von Messerhöhe, Schneidewinkel und Druckwalze, in kürzeren Intervallen abgefragt und damit genauer nachjustiert werden. Der Leistungszuwachs verbessert damit direkt die Schnittqualität und verringert dadurch Materialeinsatz und Ausschuss.

Der Maschinenbauer setzt durchgängig auf Automatisierungskomponenten von Siemens und profitiert von deren Zusammenspiel. Die Software-SPS nutzt zum Beispiel den im Microbox-PC vorhandenen Remanenzspeicher von 2 MByte zur Sicherung der Produktionsdaten. Somit stehen bei einem Stromausfall alle Daten gepuffert zur Verfügung, um das Schneiden der Schaumstoff-Folie nach dem Wiederanlauf der Steuerung nahtlos fortzusetzen. Zudem lassen sich über WinAC die Diagnose-LEDs des PC ansteuern und für Statusanzeigen nutzen. Bäumer signalisiert darüber, ob sich die Software-SPS läuft oder ob es Verbindungsprobleme im Profinet-Netzwerk gibt. Für das Unternehmen war es besonders wichtig, dass sich die Instandhalter auch an einer Maschine mit PC-basierter Steuerung sofort heimisch fühlen und das bewährte Look&Feel erfahren. Dies ist beim Einsatz von WinAC kein Problem, da deren Bedienoberfläche an die S7-Steuerungen angelehnt ist und sich ebenso über Step 7 in Betrieb nehmen lässt.

Individuelle Funktionen in Hochsprache realisiert

Auch die Software-Schnittstellen für in Hochsprache wie C++ programmierte Funktionen werden genutzt, etwa um Systeminformationen des IPC über die Steuerung in der Visualisierungssoftware darzustellen. Der Bediener sieht beispielsweise, ob der Steuerungsrechner ordnungsgemäß von der SSD startet oder wegen einer Störung von der CF-Karte. Ohne die Meldungen würde er den Unterschied auf den ersten Blick nicht bemerken. Eine weitere Anwendung, die über diese Schnittstellen realisiert wird, ist das Sammeln von Daten für Servicemitarbeiter.

Per Tastendruck kann der Bediener die Maschine im laufenden Betrieb kurz stoppen und sämtliche Parameter „einfrieren“. Alle relevanten Produktions- und Systemdaten werden dann von der Steuerung auf einen USB-Stick übertragen. Anschließend kann die Maschine die Produktion wieder nahtlos aufnehmen. Da sich die Schneidemaschine BSV-S mit dem Microbox-PC und der Software-SPS WinAC als robust und leistungsfähig erwiesen hat, dient die PC-basierte Lösung künftig auch als Basis für weitere Schneidemaschinen.

Autoren: Wolfgang Utsch ist Bereichsleiter Elektrotechnik bei der Firma Albrecht Bäumer in Freudenberg.

Dirk Wagner ist Marketing-Manager für Simatic IPC bei Siemens, Industrial Automation Systems, in Nürnberg.