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| PC-basierte Steuerung an Kolbenstangen-Direktbeschriftungsanlage | | Software-SPS führt Laser | Nicht von der Stange ist eine Kombination aus Industrie-PC und Software-SPS, die sämtliche Komponenten einer neuen Laserbeschriftungsanlage für Kolbenstangen steuert und bis zu 1000 Rezepturen verwaltet. Der Hersteller integriert darin auf einfache, kostengünstige Weise alle Schnittstellen zur Anbindung nötiger Peripherie via Profibus und Ethernet sowie für die optionale Kommunikation zu übergeordneten Systemen.
Die topex Etikettiermaschinen GmbH (Erkenbrechtsweiler) hatte das Ziel, eine neue Laserbeschriftungsanlage für Kolbenstangen (Wellen) so effizient und kostengünstig wie möglich aufzubauen. Deshalb wandte sich die Firma topex mit ganz konkreten Forderungen in punkto Automatisierungstechnik an den langjährigen Ausrüster Siemens Automation and Drives (A&D): So sollte die Steuerung der neuen Anlage mit der im Unternehmen eingeführten Softwareplattform Simatic Step 7 zu projektieren, zu programmieren und zu warten sein, sowie über Profibus DP um zusätzliche Komponenten erweitert werden können. Chargennummern in Form von Barcodes wollte die Fa. topex mit Hilfe eines seriellen Handscanners erfassen und den Beschriftungslaser über das TCP/IP-Protokoll ansteuern. Für größtmöglichen Bedienkomfort durften eine Eingabe- und Anzeigemöglichkeit nicht fehlen und die Ergebnisse der Beschriftung sollten "inline" von einer Kamera überprüft werden können. Von Anfang an sollte die Möglichkeit offen bleiben, die Ergebnisse bei Bedarf auf einem separaten Server abzulegen und zu archivieren.
Aus einer Hand: Software-SPS auf Box-PC
"Mit diesem Anforderungsprofil lief es ziemlich schnell auf eine PC-basierte Lösung hinaus", so Reiner Sutter von der Siemens-Systemberatung für Automatisierungs- und Antriebstechnik. "Als Basis haben wir einen industrietauglichen Simatic Box PC 620 gewählt und die richtige, voll zur Simatic-Hardware kompatible SPS war mit der Software-SPS Simatic WinAC Basis auch schnell gefunden." Der Simatic Box-PC verfügt neben anderen über je eine Profibus-, eine Industrial Ethernet- und eine serielle Schnittstelle und erfüllt mit Tastaturinterface und Grafikkarte auch alle Voraussetzungen für die Integration eines HMI-Systems. Als Kamera wurde ein Simatic Vision Sensor VS 130 spezifiziert. Der Vision Sensor, drei Positionierbaugruppen FM 353 von Siemens zur Ansteuerung von Schrittmotoren, dezentrale Peripheriemodule ET 200 von Siemens, sowie E/A-Module von Festo sind über Profibus mit der Steuerung verbunden.
Die Software-SPS Simatic WinAC Basis ist eine kostengünstige SPS-Alternative für Anwendungen, die kein streng deterministisches Verhalten voraussetzen und wo Zykluszeitgenauigkeiten von 2 ms bis 3 ms ausreichend sind. Die Leistung dieser Windows-Standard-Applikation ist über den Prozessor und die Windows-Priorität skalierbar. So werden mit einem 2,4 GHz Pentium-Prozessor Befehlslaufzeiten von 0,013 µs bei Bit-Operationen, 0,025 µs bei Integer-Operationen und 0,025 µs bei Gleitpunkt-Operationen erreicht. Der PC-basierte Controller wird wie jeder andere S7-Controller mit der Standard-Software Step 7 projektiert und programmiert, wie von topex gefordert. Dafür generierte Anwenderprogramme sind auch auf einer Hardware-SPS lauffähig, umgekehrt sind vorhandene S7-Programme auf die Software-SPS WinAC übertragbar.
Die serielle Schnittstelle und die Ethernet-Schnittstelle konnten über zwei mit Microsoft Visual C++ erstellte Dynamic Link Libraries (DLL) und das so genannte Custom Code Extension Interface (CCX) an die Software-SPS angebunden werden. Das CCX ist Bestandteil der aktuellsten Version des Open Development Kits (ODK) von WinAC Basis. Das CCX ermöglicht den Aufruf außerhalb der Software-SPS ablaufender C++-Programme mit Hilfe zweier Systemfunktionen (SFB 65001, SFB 65002) aus dem SPS-Programm heraus. Die C-Programme können wahlweise synchron, asynchron oder kontinuierlich zum SPS-Code bearbeitet werden, was eine Vielfalt von Anwendungen erschließt. Zur Ankopplung der seriellen Schnittstelle für den Handscanner an WinAC haben die Systemberater von Siemens das im eigenen Haus entwickelte WinCC Add-On WSENDCOM-DLL genutzt. Über das Add-On fragt das SPS-Programm zyklisch ab, ob Daten von der seriellen Schnittstelle anstehen und legt diese in einem Datenbaustein ab. In eigener Regie hat topex eine DLL für die PC-interne Kommunikation der Lasersoftware mit der SPS über das TCP/IP-Protokoll erstellt.
Zum Bedienen und Beobachten der Anlage im Einricht-, Hand- und Automatikbetrieb, zur Visualisierung von Stör- und Betriebsmeldungen und zur Auswahl der zu beschriftenden Kolbenstangenvarianten aus einer Rezepturdatenbank hat sich der Hersteller erstmals für die HMI-Software Simatic WinCC flexible entschieden.
Lasern und Prüfen im Gleichtakt
Ergebnis der rund dreimonatigen Entwicklung in enger Zusammenarbeit mit Siemens ist eine Beschriftungsanlage für Wellen mit Längen von 280 mm bis 400 mm und Durchmessern von 10 mm bis 25 mm mit (vorerst) manuell zu beschickendem Einlaufmagazin. Die eigentliche Beschriftung und Prüfung im Innern läuft vollautomatisch ab. Nach dem Scannen der Chargennummer (Barcode) und der Zuordnung der Beschriftungsdaten aus bis zu 1000 im System speicherbaren "Rezepturen" werden die Wellen vereinzelt, ausgerichtet und fixiert. Eine pneumatische Handlingeinheit übernimmt und transportiert die Teile in die Laservorrichtung, wo zwei Greifer diese spannen. Von der Software-SPS über Positionierbaugruppen FM 353 angesteuerte Schrittmotoren gleichen durch unterschiedliche Wellendurchmesser bzw. -längen entstehende Lagedifferenzen aus und drehen die Welle beim Beschriften in die richtige Position zum fest montierten Laser. Dieser kann einen Bereich von 120 mm x 120 mm bearbeiten, wobei nur ein Bereich von 4 mm x 4 mm für den 2D-Code benutzt wird, und bringt im Winkelabstand von 30 bis 45 ° axial zwischen sechs und acht 2D-Codes auf. Darunter einen von der PC-Uhr abgeleiteten Zeitstempel und optional eine aus den Rezepturdaten generierte Chargenkennung. Optional kann auch ein Barcode aufgebracht werden. Die Zykluszeit des SPS-Programms ist mit 10 ms bis 12 ms mehr als ausreichend kurz für diese Anwendung. Anschließend bringt ein weiterer Greifer die beschriftete Welle in die Prüfposition vor das Vision Sensor System Simatic VS130, während gleichzeitig das nächste Teil vom Magazin unter dem Laser positioniert wird. Die Kamera liest das Schriftbild ein und vergleicht es mit dem per Teaching, gespeicherten Sollbild. Die Software-SPS WinAC entscheidet schließlich, ob das Ergebnis gut ist oder nicht und steuert abhängig davon die Wippe zum entsprechenden Ausrollband, wo die Wellen gesammelt und manuell entnommen werden.
Bislang läuft die Beschriftungsanlage noch vollkommen autark. Durch die gewählte Hardwarebasis quasi schon vorbereitet ist aber die Übergabe von Produktionsdaten via TCP/IP an einen übergeordneten Server oder an ein Leitsystem. Ebenso sind Teleservice und/oder wartung einfach möglich.
Fazit und Ausblick
Die Resonanz des ersten Endanwenders der neuen Beschriftungsanlage ist wie die des Herstellers topex rundum positiv. Die Bedienoberfläche sei sehr einfach und übersichtlich zu handhaben und die PC-basiert gesteuerte Anlage laufe seit der Übergabe wie erwartet schnell, zuverlässig und fehlerfrei. Noch ein Stück robuster und zugleich wirtschaftlicher sollen künftige Beschriftungsanlagen von topex durch den Einsatz des neuen Simatic Microbox PC 420 werden, der mit einem auf die Anwendung zugeschnittenen Embedded-Betriebssystem Windows XP Embedded und der Echtzeit Software-SPS WinAC RTX 2005 ganz ohne Festplatte sowie Lüfter auskommt und über alle notwendigen Funktionalitäten und Schnittstellen verfügt.
Kooperation gesucht
Laserbeschriften und Etikettieren sind Kernkompetenzen der topex Etikettiermaschinen GmbH aus Erkenbrechtsweiler, die sich in über 20 Jahren mit innovativen Lösungen als Systemlieferant in der europäischen Automobilindustrie, der Elektronikbranche und bei Logistikdienstleistern fest etabliert hat. Heute entwickeln und fertigen rund 40 Mitarbeiter schlüsselfertige Kennzeichnungszellen, integrieren diese auf Wunsch auch datentechnisch in die Fertigungsstrukturen des Anwenders und leisten umfassenden Service dafür.
Um letzteres als mittelständisches Unternehmen mit begrenzten Personalressourcen auch weltweit erfolgreich tun zu können, hat topex gezielt die Zusammenarbeit mit Siemens gesucht. topex zeigte sich sehr zufrieden: Als Weltmarktführer in der Automatisierungstechnik biete der Hersteller Siemens neben leistungsfähigen, weltweit akzeptierten und zuverlässigen Produkten aus einer Hand auch schnellen, gut funktionierenden Support dafür an. |
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