Be(ein)druckende Präzision

Elektronische Registersteuerungen, beispielsweise die der jüngsten Eltromat-Generation Registar 20, sind zur Erfassung der Druckmarken mit faseroptischen Abtastköpfen oder CCD-Matrix-Kameras ausgestattet. Sie gewährleisten die vollständige Erfassung und Vermessung hochkomplexer Druckmarken auch bei Geschwindigkeiten von bis zu 1000 m/min. Die Komplexität der Aufgaben lässt die hohen Anforderungen erahnen. Die alte Steuerung war zwar sehr leistungsfähig, doch die Systemarchitektur war sehr auf die spezielle Aufgabe zugeschnitten und mittlerweile 20 Jahre alt, sie passte also nicht mehr in das moderne Automatisierungsumfeld eines Zulieferers.

Aufgrund der veränderten Anforderungen stand man bei Eltromat vor der Entscheidung, entweder erneut eine proprietäre Lösung komplett im eigenen Hause zu entwickeln oder auf offene Standards zu setzen. Nach Volker Reinholdt, Projektleiter Produktentwicklung bei Eltromat, wären Eigenentwicklungen daher zu komplex und für Kleinserien nicht rentabel: „Schwieriger fiel die Entscheidung, welches Betriebssystem auf dem Industrie-PC eingesetzt werden sollte, ein Linux-Derivat mit Echtzeiterweiterung oder eine Windows-Plattform mit entsprechenden Software-Automatisierungskomponenten.“

Ausschlaggebend war letztendlich der beim Technologiewechsel zu erwartende Aufwand: Beim Einsatz von Linux hätte man selbst ein komplettes Framework entwickeln müssen. Ziel sei daher gewesen, die Entwicklung auf einer stabilen und offenen Plattform aufzubauen und so ohne großen Aufwand von der einfachen Integration beliebiger I/O-Hardware oder von Feldbussen ohne zusätzliche Treiber zu profitieren sowie bei der Integration neuer Funktionen extrem flexibel zu sein. Volker Reinholdt bestätigt, dass die damalige Entscheidung richtig war: „Wir haben bislang keinerlei Nachteile durch die Verwendung von Windows und der darauf aufsetzenden Software-SPS TwinCAT gehabt. Und sogar der ursprüngliche Wunsch, neben den klassischen SPS-Programmiersprachen der IEC 61131-3 auch in C/C++, nach vollständig objektorientierten Prinzipien programmieren zu können, lässt sich mit der Beckhoff-Automatisierungssoftware TwinCAT 3 demnächst problemlos realisieren – wenn es diesen Wunsch bei unseren Entwicklern nach den guten Erfahrungen mit der SPS-Programmierung heute überhaupt noch gibt.“ Leicht fiel den Eltromat-Experten wiederum die Entscheidung für EtherCAT als Bussystem: 2007 wurden die wenigen damals verfügbaren Ethernet basierenden Bussysteme evaluiert, mit dem Ergebnis, dass lediglich EtherCAT die erforderliche Performance leisten konnte.

Grundsätzlich reicht für viele Regelungsprozesse ein strenger Determinismus aus. Diese Verfahren sind Grundprinzipien der Regelungstechnik und unter TwinCAT seit vielen Jahren Standard. Bei der Registerregelung kommt aber hinzu, dass den durch die Druckmarkensensoren erfassten Druckmarken hochgenaue Winkelpositionen der Druckwerke zugeordnet werden müssen, um dann die Positionsdifferenzen zwischen den Druckmarken zu ermitteln. Die erforderliche zeitliche Exaktheit für die Druckmarken- und Positionserfassung der Druckwerke wird durch hochgenaue Uhren in den I/O-Komponenten unterstützt. Jeder EtherCAT-Teilnehmer verfügt über eine eigene lokale Uhr, die automatisch über EtherCAT laufend untereinander synchronisiert werden. Unterschiede in der absoluten Zeit der betroffenen EtherCAT-Teilnehmer werden ausgeglichen, so dass die maximale Abweichung aller im System verteilten Uhren untereinander immer unter 100 ns liegt. Nachdem die Entscheidung für eine offene, windowsbasierte Lösung gefallen war, musste dies bei Eltromat konkret umgesetzt werden. Die anfängliche Skepsis habe sich jedoch dank der deutlichen Vorteile, d. h. ein stabiles Umfeld bzw. Framework, leicht integrierbare Peripherie-Hardware sowie umfangreiche Tools zur Diagnose, schnell gelegt. Ein weiterer Vorteil war der kontrollierbare Entwicklungsfortschritt, der nur mit dem offenen System möglich war.

Basis für die per Standardtechnik erreichte Flexibilität und Kommunikationsfähigkeit zum Automatisierungsumfeld bilden die folgenden Beckhoff- Komponenten:

Entscheidender Erfolgsfaktor für das Projekt war die schnelle Integration der EtherCAT-Schnittstelle in den von Eltromat entwickelten optischen Sensor. Der Sensor – mit optischer Ex-Zulassung – analysiert das Farbspektrum des von der Bahn reflektierten Lichts, um automatisch das zuverlässige Erfassen aller Registermarken zu ermöglichen. Dank der großen Tiefenschärfe der Lichtleiteroptik muss der Anwender weder Signalverstärkung noch Abtastwinkel ändern – die sichere Markenerfassung ist also ein absolut eingriffsfreier Vorgang. Der für den Registar 20 konzipierte Sensor unterstützt mit seiner vollautomatischen Abtasttechnik das patentierte Einkopf-Messverfahren. Diese Technik ermöglicht sowohl das sequenzielle Regeln für einen schnellen Produktionsstart als auch die Standfarbenregelung für eine bestmögliche Produktionsqualität. Durch die prozessabhängige automatische Umschaltung zwischen sequenzieller und Standfarbenregelung oder durch den Einsatz der unterschiedlichen Mess- und Regelverfahren in beliebiger Kombination wird ein Höchstmaß an Makulatur und Kostenreduzierung erzielt. Neben den technologischen Vorzügen des Farbsensors kommt, so Volker Reinholdt, nicht zuletzt auch die höhere Systemflexibilität zum Tragen: „Was wir bei Beckhoff nach wie vor sehr schätzen ist, dass man alle auf dem Markt verfügbaren Feldbusse über eine Gateway-Klemme erreichen kann. Darin liegt für uns ein Vorteil, da unsere Kunden verschiedenste Automatisierungstechniken nutzen und somit auch immer Wünsche nach besonderen Schnittstellen an uns herantragen.“

Stefan Ziegler Chefredakteur der Schwesterzeitschrift Elektro Automation, Leinfelden