Foto: Kraft Maschinenbau
PC-Control verbindet SPS-Performance mit CNC-Funktionalität

Hochwertige Türzargen möglichst schnell und variantenreich bis hin zur Losgröße 1 zu fertigen – das war die Forderung eines großen Türenherstellers an den Maschinenbauspezialisten Kraft.

Umgesetzt wurde sie mit einer komplexen Fertigungslinie, die für alle SPS- und CNC-Anforderungen durchgängig auf skalierbare Steuerungs- und Antriebstechnik von Beckhoff setzt. 

STEFAN SIEBER 

 

Die G. Kraft Maschinenbau GmbH, Rietberg-Mastholte, ist Spezialist für Sondermaschinen in unterschiedlichsten Bereichen. Das Angebotsspektrum reicht von der Planung über die Errichtung bis hin zur Programmierung und Inbetriebnahme von Automatisierungssystemen, einzelnen Maschinen und kompletten, voll automatisierten Produktionsanlagen. Besonders umfangreiches Know-how wurde im Bereich Türen- und Zargenfertigung aufgebaut, wie Tobias Walkenfort, Leiter Automatisierungstechnik bei Kraft, betont: „Unser Kunde profitiert davon, dass er aus einer Hand die Mechanik und die Automatisierungstechnik erhält, kombiniert mit langjähriger Erfahrung. Die fein skalierbare, durchgängige Steuerungs- und Antriebstechnik von Beckhoff unterstützt hierbei ideal die Umsetzung der individuellen Anforderungen.“


Aktuelles Beispiel ist eine neue Türzargen-Fertigungslinie für einen großen, westfälischen Hersteller von Türen mit Echtholzfurnier. Bei dieser Linie handelt es sich um eine komplexe, circa 46 m breite und 110 m lange Anlage, die im Vergleich zu kompakt aufgebauten Bearbeitungszentren auf ein Optimum aus Taktleistung und Produktflexibilität ausgerichtet ist. Dazu Walkenfort: „Die Taktzeit liegt bei 20 Sekunden, das heißt pro Minute liefert die Anlage drei komplette Türzargen – das sogenannte Loch aus zwei Längszargen und einem Querteil.“ Andreas Wapelhorst, Technischer Leiter bei Kraft, ergänzt: „Die hohe Leistungsfähigkeit der Produktionslinie wird klar, wenn man bedenkt, dass es hier nicht um eine Standardloch- Fertigung geht. Vielmehr lässt sich damit eine sehr flexible, gemischte Produktion mit großer Teile- beziehungsweise Produktvarianz bis Losgröße 1 umsetzen. Das betrifft nicht nur die Zargengröße, sondern auch unterschiedliche Ausgangsmaterialien, Dekore, Dichtungsarten oder Beschläge.“

 

Auf Flexibilität und hohe Stückzahlen ausgelegtes Anlagenlayout


Typische Bearbeitungszentren, bei denen eine einzelne Maschine den kompletten Bearbeitungsprozess übernimmt, eignen sich vor allem für die Fertigung von Sondertüren in kleinen Stückzahlen. Eine dezentralisierte Anlage wie die aktuelle Zargen-Fertigungslinie verteilt hingegen die verschiedenen Bearbeitungsschritte auf mehrere Maschinen und ist somit prädestiniert für die hohen Stückzahlen einer Serienproduktion. Dass sich dennoch eine hohe Produktvarianz bis hin zur Einzelfertigung abbilden lässt, erreicht Kraft mit einem individuell ausgelegten Anlagenlayout sowie durchgängiger Steuerungs- und Antriebstechnik. Der Bearbeitungsprozess beginnt mit dem Einfahren und Vereinzeln der gestapelten Futterbretter. Hierbei identifiziert ein Barcode-Leser jedes Teil, damit es sich mit der passenden Falz- und Zierbekleidung kombinieren lässt. Die in zwei parallelen Bearbeitungslinien entstandenen Rohteile werden dann auf drei Linien aufgeteilt – für ein Zargenquer- und zwei Längsteile. So wird mit Blick auf die zeitaufwändigere Enden-, Band- und Schließblechbearbeitung sowie die automatische Band- und Schließblechmontage auch im weiteren Verlauf eine hohe Taktrate sichergestellt. Nach dem Einziehen und Kappen der Dichtungen folgt dann das Demontieren der einzelnen Zargenteile für das abschließende Verpacken an Handarbeitsplätzen.

 

PC-Control als durchgängige, skalierbare Systemlösung


Die Fertigungslinie wird durchgängig PC-basiert gesteuert. Einen der Hauptgründe erläutert Walkenfort: „Die hohe Performance von PC-Control ist ein entscheidender Vorteil. Mit der zuvor eingesetzten SPS-Technik sind wir zunehmend an Grenzen gestoßen, sodass zusätzliche, überlagerte Steuerungen zum Beispiel für die Koordination der verschiedenen Teiletransporte notwendig gewesen wären. Hinzu kommt die gute Skalierbarkeit des Beckhoff- Steuerungssystems, auch hinsichtlich der Software. So erfordert die realisierte Produktionsanlage eine sehr hohe SPS-Funktionalität, beinhaltet aber auch ein gewisses Maß an CNC-Aufgaben. Dies ließ sich durch die hohe Skalierbarkeit von PC-Control und der Software TwinCAT optimal umsetzen.“


Einen weiteren Vorteil sieht Walkenfort in der leistungsfähigen, durchgängigen Kommunikationstechnik von PC-Control: „EtherCAT ist als I/O- und Antriebsbus sehr performant, einfach in Betrieb zu nehmen und auch bei Drittanbietern weit verbreitet. Die Kommunikation über TwinCAT ADS von der Steuerungs- zur Fertigungsleitebene bietet zudem den großen Vorteil, dass geänderte Steuerungsdaten automatisch gemeldet werden. Damit entfällt das bei der SPSTechnik notwendige Datenpolling, was die Netzwerklast reduziert und die Reaktionszeiten deutlich verkürzt. Hinzu kommt die Realtime-Ethernet-Kommunikation zwischen den einzelnen Steuerungen, inklusive der Übertragung sicherheitsrelevanter Daten. Mit ihr lassen sich zum Beispiel Prozessfreigaben zwischen den einzelnen Produktionsbereichen komfortabel realisieren.“


Außerdem profitiert Kraft laut Walkenfort von der Offenheit des Beckhoff- Systems, etwa bei der Realisierung eines einheitlichen Bedienkonzepts für SPS, CNC und Fertigungsleitrechner. Schließlich müsse gerade eine Anlage mit solch hohem Komplexitätsgrad einfach bedienbar bleiben. Die Offenheit sei zudem entscheidend bei der Einbindung in das Unternehmensnetzwerk: zum einen für eine komfortable Fernwartung, zum anderen für die individuelle Kopplung des Fertigungsleitrechners an die zentrale Dateninfrastruktur des Kunden. Für den zweiten Punkt hat Kraft als Dienstleistung auch den entsprechenden Datenaustausch realisiert.

 

Dynamische, effizient installierbare Servoantriebstechnik


So komplex die gesamte Anlage sich darstellt, so umfangreich ist auch die notwendige Antriebstechnik. So sorgen in den einzelnen Linienbereichen je Steuerungsrechner teilweise über 30 Beckhoff-Servoachsen für präzise und dynamische Prozessabläufe, die sich – so Walkenfort – problemlos über TwinCAT ansteuern lassen: „Bei der zuvor eingesetzten SPS-Technik wären wir hier erneut an technische Grenzen gestoßen. Zumal die von den Kunden geforderten Anlagen zunehmend komplexer werden. Hier bietet PC-Control deutlich mehr Möglichkeiten und Flexibilität.“


Verbaut sind in der Anlage 126 Beckhoff- Servomotoren der Serie AM8000. Zusammen mit rund 90 Servomotoren eines Drittanbieters werden sie von insgesamt 213 Servoverstärkern der Baureihe AX5000 angesteuert. Wapelhorst dazu: „Aufgrund der zahlreichen Antriebe profitieren wir hier in besonderem Maße von der One Cable Technology. Diese Einkabelanschlusstechnik spart Zeit bei der Installation, ermöglicht kleiner dimensionierte Schleppketten und reduziert gerade bei unseren meist großen Kabellängen deutlich die Kosten. Außerdem wirkt die Anlage durch die geringere Kabelanzahl aufgeräumter.“

 

Architektur mit einem Leit- und zehn Steuerungsrechnern


Neben den vielen Servomotoren verdeutlicht die große Anzahl an digitalen Ein- und Ausgängen die Komplexität der Gesamtanlage: Mehr als 3 700 Ein- und 2 100 Ausgänge sind über EtherCAT-Klemmen realisiert. Hierzu zählen auch über 400 fehlersichere TwinSAFEEin- und 100 TwinSAFE-Ausgänge. Zusammen mit den sicheren Servoantrieben wurden damit sämtliche Sicherheitsfunktionen umgesetzt. Beispiele sind Not-Halt und die Überwachung von Schutztüren, Lichtgittern sowie der Rotorscanner der in der Anlage fahrenden Querwagen.


Zentral gesteuert wird all das über einen als Fertigungsleitrechner fungierenden Schaltschrank C6930 mit Intel-Core-i7-Prozessor und über ein Multitouch-Control-Panel CP3921 mit 21,5-Zoll-Widescreen-Display und Tastererweiterung. Zum Bedienpanel sagt Walkenfort: „Die Optik ist für uns ein wichtiger Aspekt, und das Control Panel vermittelt einen sehr wertigen und designorientierten Eindruck. Hinzu kommen der Vorteil der gehärteten Glasfront und die Möglichkeiten, die Multitouch für die Zukunft bietet.“ Erforderlich sei auch die hohe Rechenleistung des C6930, da der Leitrechner insgesamt zehn verteilte Steuerungsrechner betreut. Dies sind gleichfalls Schaltschrank-PCs vom Typ C6930, ausgestattet mit Intel-Core-i3- und -i5-Prozessoren, im CNC-Umfeld auch mit der i7-Ausführung.

 

Integrierte Automatisierungssoftware für SPS- und CNC-Aufgaben


Als Automatisierungssoftware setzt Kraft TwinCAT 3 ein, was aus Sicht von Walkenfort verschiedene Vorteile mit sich bringt: „Zunächst profitieren wir von der Integration in Visual Studio, da wir mit diesem Standard- IT-Tool ohnehin unsere eigene Visualisierung und Fertigungsleitrechnerapplikationen erstellen. Durch die Integration von TwinCAT 3 in das Visual Studio kommt nun der für uns noch fehlende Baustein der IEC-61131-3-Programmierung hinzu und komplettiert somit alle zur Automatisierung von Maschinen und Anlagen erforderlichen Programmiersprachen in einem Tool. Außerdem können wir auf einfache Weise leistungsfähige Sourcecode-Verwaltungstools nutzen. In unserem Fall ist das der Microsoft Team Foundation Server, der von TwinCAT 3 vollständig unterstützt wird.“


Weitere Vorteile ergeben sich bei der Integration der unterschiedlichen Funktionsbereiche in die Steuerungssoftware. So nutzt Kraft bei allen CNC-Bearbeitungsmaschinen die umfassende Multi-Core-Unterstützung von TwinCAT 3, um SPS, NC, CNC und Visualisierung jeweils getrennt auf einem eigenen Prozessorkern ablaufen zu lassen. „Daraus ergeben sich wesentlich bessere Zugriffszeiten auf die Antriebsregler“, sagt Walkenfort. „Zu Beginn hatten wir alle Funktionen auf einem Core realisiert, was aber im Bereich der Antriebstechnik beziehungsweise CNC aufgrund der zu langen Lageregeltaktzeiten problematisch war. Diese sind nun wesentlich kürzer, sodass die Schwierigkeiten nicht mehr auftreten.“ Und auch die Leistungsfähigkeit der Software erfüllt die hohen Anforderungen: „Bei den Mehrkanal- CNC-Maschinen setzen wir die TwinCAT 3 CNC Channel Packs ein. So ist es uns möglich, unsere Maschinen mit bis zu 12 CNC-Kanälen auszustatten“, so der Leiter Automatisierungstechnik.

www.beckhoff.de  
www.kraft-maschinenbau.de

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