Echtzeitregelung ein Muss

Bei Querschneidern, mit denen Rollenpapier in Bogen geschnitten wird, handelt es sich um Hochgeschwindigkeitsanwendungen, die eine entsprechend leistungsfähige Steuerungstechnik erfordern.

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Da bei Umbauprojekten die Flexibilität oft das Maß der Dinge darstellt, beziehungsweise viele unterschiedliche Ansteuerungsoptionen gefordert sind, setzt Roland Schilling, Leiter Entwicklung und Konstruktion Elektrotechnik im Bereich Papierverarbeitung bei Bielomatik, auf die Möglichkeiten der PC-basierten Steuerungstechnik. Die Vielzahl an Schnittstellen und Bussystemen zu den Antrieben, wie etwa Profinet, Profibus und CAN sowie direkte analoge Signale sind hierbei der eine Schwerpunkt, die Echtzeit-Regelung der Prozesse der andere. Die von Bielomatik entwickelten Papierverarbeitungsmaschinen bestehen aus einem Querschneider und optional einer zugehörigen Ablage. Die Lösungen basieren auf zwei gegenläufigen Wellen mit leicht schräg verlaufenden Messern. Diese Wellen werden direkt über Gleichstrom-, Asynchron- oder auch Synchronmotoren angetrieben. Bis zu Breiten von 2,40 m und Papierdurchlaufgeschwindigkeiten von 400 bis 500 m/min erstreckt sich die zu beherrschende Technik. Geschnitten wird meist beschichtetes oder gestrichenes Papier von der Rolle, das über Längsschneider und die beschriebenen Querschneider zu handelsüblichen Bogen wie zum Beispiel DIN A4 gebracht wird. Dieses erfolgt in mehreren Lagen, den so genannten Clips, die ein maximales Papiergesamtgewicht von bis zu 1000 g/m² haben können. Anschließend werden diese Bögen in der Ablage gestapelt und verpackt.

Die Antriebstechnik ist häufig sehr unterschiedlich, was dazu führt, dass Antriebe und Frequenzumrichter in jedweder Konstellation vorkommen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Signale über analoge oder digitale Schnittstellen laufen. „Hier erweist sich die modulare Erweiterbarkeit des von uns eingesetzten Microbox PC von Siemens als ideal“, betont Roland Schilling. Ein Vorteil des Microbox PC sei, dass alle genannten Bussysteme optional bereits eingebaut bezogen werden können. Damit steht die PCI-104-Schnittstelle des Microbox PC für bis zu drei Erweiterungsbaugruppen zur Verfügung.

Betriebssystem mit schneller Grafik

Trotz seiner Kompaktheit ist der von Bielomatik eingesetzte Microbox PC vielfältig erweiterbar und eignet sich ideal für hochkomplexe Echtzeit-Anwendungen.

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Das gesamte HMI wird über die ebenfalls echtzeitfähige grafische Bedienoberfläche RMOS3-GraphX realisiert. Der Bediener muss lediglich in der Maschinen-Bedienmaske die gewünschte Bogengröße auswählen. Das System errechnet die dazu passenden Parameter dann selbst und steuert den Antrieb an. In der Praxis bedeutet das, dass im symmetrischen Multiprozessorsystem – wie es der Microbox PC mit seinem Intel-Core2-Duo-Prozessor mit 1,6 GHz bietet – auf einem Kern die extrem schnelle Regelung der Querschneider-Wellen läuft, während parallel auf dem zweiten Kern die Schnittgüte des Papiers beobachtet werden kann. „Das ist ein enormer Vorteil, da wir die Qualität unserer Arbeit auf diese Weise visualisieren und dokumentieren können“, erklärt Roland Schilling.

Während früher analoge Soll- und Istwerte nur über angeschlossene Oszilloskope zu beobachten waren, kann die Darstellung der digitalen Daten im Hochgeschwindigkeitsbereich bereits über die Grafikoberfläche von RMOS3 realisiert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Soll-Ist-Vergleich auf den mechanischen Verschleiß innerhalb der Querschneider schließen lässt. Anwender sind also in der Lage, rechtzeitig Instandhaltungs- oder Neubeschaffungsmaßnahmen einleiten zu können. Das steigert die Verfügbarkeit und somit auch den Effizienzgrad in der gesamten Herstellung.

Der Bediener muss nur über die grafische Bedienoberfläche seine gewünschte Bogengröße eingeben und die Software ermittelt automatisch die notwendigen Parameter.

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Wie wichtig das ist, lässt sich daran erkennen, dass Papiermaschinen rund um die Uhr betrieben werden. Stillstandzeiten sind kaum eingeplant, in der Regel sehr kurz und kosten viel Geld. Sowohl Engineering als auch Umrüstung und Inbetriebnahme müssen deshalb möglichst rasch erfolgen. Oder, um es mit den Worten von Roland Schilling auszudrücken: „Der Druck, dass es auf Anhieb funktioniert, ist in diesem Marktsegment riesig.“ In diesem Zusammenhang ist Verfügbarkeit ein wichtiges Thema – Bielomatik garantiert für seine Anlagen diesbezüglich 98 %. Das lässt sich nur erreichen, wenn die eingesetzten Komponenten entsprechend robust und zuverlässig sind. So ist der Microbox PC besonders schockresistent (Stoßfestigkeit 150 m/s2, 11 ms) und verzichtet zudem auf Lüfter und Festplatten.

Für die Ablage der Papierbogen kommt ebenfalls eine Lösung auf IPC-Basis zum Einsatz, diesmal mit der Software-SPS WinAC RTX. Ausschlaggebend hierfür war, dass „viele unserer Kunden Steuerungslösungen auf der Basis einer Simatic S7 wollen“, berichtet Roland Schilling. Die Software-SPS lässt sich mit Step 7 programmieren und das Erscheinungsbild der Bedienoberfläche ist identisch mit dem einer S7.

Über WinAC ODK (Open Development Kit) integriert Bielomatik eigene, in Visual C geschriebene Programme in die Steuerungssoftware. Damit werden bei den Querschneidern zum Beispiel bestimmte Bogenausschleusungen in Echtzeit vorgenommen. Auch ist es so möglich, die Überlappung der einzelnen Clips zu regeln. Früher musste hierzu eine eigene schnelle Hardware eingesetzt werden, die durch die Software-Lösung nun eingespart wird. „Damit sparen wir unglaublich viel Platz im Schaltschrank“, so Schilling. Die Kommunikation zwischen den beiden Industrie-PCs erfolgt über Profibus, optional wäre auch Profinet möglich.