Steuerungsplattform

Frischzellenkur

Skalierbare Automatisierungsplattform steuert Roboter samt Peripherie
Bei Packtech im Einsatz: Lenzes Inverter Drives 8400 StateLine. (Fotos: Lenze)
Mit einem skalierbaren Automatisierungssystem auf Basis des abgestimmten und modernen Produktportfolios von Lenze kann Packtech gebrauchte Roboter mit einer neuen Steuerung ausstatten und zu einem Preis anbieten, der etwa 30 bis 40 Prozent unter dem Neupreis eines vergleichbaren Roboters liegt.

Während die Mechanik eines Roboters selbst nach jahrelangem Betrieb oft noch keine Abnutzungserscheinungen zeigt, ist seine Steuerung meist heillos veraltet. Entsprechend schwierig gestalten sich Ersatzteilversorgung und Einbindung in moderne Fertigungsanlagen. Der Spezialist für Verpackungsmaschinen Packtech konnte mit dem Know-how und dem Produktportfolio von Lenze eine skalierbare Steuerungsplattform mit einheitlichem Bedienkonzept entwickeln; sie dient als maßgeschneiderter Ersatz für diverse alte Robotersteuerungen und fungiert bei Bedarf auch als Liniensteuerung.

Als Richard van Zoelen bei einem Kunden auf zwei sechsachsige Roboter stieß, die wegen ihrer veralteten Steuerung nicht mehr effizient arbeiteten, hatte er eine zündende Idee: Warum nicht die mechanisch tadellosen Maschinen kaufen und mit einer neuen Steuerung ausgestattet wieder auf den Markt bringen! Dem Geschäftsführer der Unternehmen Packtech und Z Industriële Automatisering schwebte allerdings mehr vor, als die Robotersteuerung einfach nur zu ersetzen: „Ich hatte eine Lösung vor Augen, die nicht nur unterschiedliche Robotertypen wie Tripod oder Sechsachsroboter, sondern gleich die gesamte Verpackungslinie steuern kann. Außerdem habe ich mir vorgestellt, dass für die Bedienung des Roboters beziehungsweise der Linie nicht mehr als eine Taste für Start, Stopp und Reset erforderlich sein sollte.“

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Das Konzept

Bei der Umsetzung setzte Richard van Zoelen auf den bewährten Partner Lenze. In Kooperation wurde ein durchgängiges Automatisierungskonzept auf Basis von Lenze-Technik erarbeitet. Da sich die Hard- und Softwareanforderungen zum Beispiel eines Tripods (Dreiachsroboters) sehr von einem Palettierer oder einem sechsachsigen Roboter unterscheiden, entschlossen sich die Verantwortlichen dazu, drei verschiedene Ausprägungen des Konzeptes zu nutzen. So war eine preislich und funktionell auf die jeweilige Anwendung optimal zugeschnittenes System zu realisieren.

Packtech setzt für Anwendungen, bei denen beispielsweise Produkte wie Kekspackungen präzise und schnell von einem Förderband aufgenommen und umgesetzt werden sollen, häufig einen Tripod ein. Herzstück des Automatisierungssystems hierfür ist ein Schaltschrank-PC aus der Gerätefamilie CPC 2700 von Lenze, auf dem die Steuerungssoftware samt Laufzeitsystem L-force Logic und L-force Logic Motion läuft. Über Ethernet ist ein Touchscreen-Gerät aus der EL-110-Familie angebunden, das als Mensch-Maschine-Schnittstelle fungiert. Ebenfalls über Ethernet mit der Steuerung verbunden ist der separate Engineering-PC. Somit ist eine Programmierung und Diagnose der Steuerung vor Ort (Intranet) oder aus der Ferne (Internet) möglich. Die Ansteuerung der restlichen Systemkomponenten wie I/Os, Umrichter und Servos erfolgt über CAN, da die Leistungsfähigkeit des erprobten Industriebusses für die von Packtech adressierten Anwendungen vollkommen ausreicht. Zudem ist diese Variante kostengünstiger als die ebenfalls bei Lenze erhältlichen Echtzeit-Ethernet-Varianten.
Der Schaltschrank-PC wurde daher mit einer CAN-Karte mit zwei Ports ausgestattet, womit Logik- und Motion-Komponenten getrennt angesteuert werden können. Das erhöht die erreichbare Bandbreite, Übersichtlichkeit und Zuverlässigkeit der Anlage. Über den Logik-CAN sind die Frequenzumrichter L-force Inverter Drives 8400 StateLine, die die Motoren der Förderbänder versorgen, vernetzt. Ebenfalls am Logik-CAN hängt eine I/O-Station (I/O-System 1000) zum Anschluss der Sensoren und Aktoren, etwa Ventile. Über den Motion-CAN werden die drei zeitkritischen Motion-(Roboter-)Achsen mit einer Zykluszeit von einer Millisekunde von ECS-Servo-Antrieben angesteuert. Dabei handelt es sich um Multiachsantriebe von Lenze, die über eine zentrale Versorgungseinheit gespeist werden.

Eine weitere Spezialität von Packtech und Z Industriële Automatisering sind sechsachsige Roboter sowie Palettierer. Anders als beim Tripod sind bei dem hier eingesetzten Automatisierungssystem die Steuerungs- und die Visualisierungsfunktionalität in einem Panel-PC aus der Embedded-Line (EL 1700s) von Lenze vereint. Das verringert den Aufwand für die Installation und Inbetriebnahme. Die Geräte sind für den Einbau in Schaltschränke, Maschinenverkleidungen oder sonstige Einbauausschnitte konzipiert. Sie haben einfache Montagevorrichtungen und gewährleisten die sichere Abdichtung (frontseitig IP65) in rauen Industrieumgebungen. Bei ausgedehnten Anlagen mit Sechsachsrobotern besteht aber immer wieder der Wunsch oder die Notwendigkeit, die Fertigungslinie abgesetzt vom Schaltschrank oder von mehreren Orten aus bedienen zu können. Für diese Fälle hat Packtech eine weitere Variante des Automatisierungssystems entwickelt. An einem Schaltschrank-Industrie-PC sind über Ethernet mehrere HMIs (Thin Clients) angeschlossen.
Für die Ansteuerung der Achsen haben die Ingenieure auf die entsprechenden Motion-Bibliotheken zurückgegriffen. Sie umfassen auch ein 3-D-Modell, das für die Berechnung der Transformation, also der Ableitung der erforderlichen Achsstellungen für eine bestimmte Position des Werkzeugarbeitspunktes beziehungsweise der Werkzeugspitze, benötigt wird. Für den sechsachsigen Roboter musste das 3-D-Modell erst entwickelt werden – keine triviale Aufgabe, denn das Modell muss mehr berücksichtigen, als nur die Position beziehungsweise Encoder-Werte der Servomotoren. Die Schwierigkeit steckt vor allem in den verschiedenen mechanischen Einschränkungen des Roboters. Denn nicht in allen Positionen des Roboters sind auch alle Bewegungen möglich. Hinzu kommt, dass die Bewegung möglichst flüssig sein soll – das ist vorteilhafter für die mechanische Belastung der Maschine. Durch Programmierung eines flüssigen Verlaufs werden alle Bewegungen gleichzeitig und damit insgesamt deutlich schneller ausgeführt. Folglich reduziert sich die Belastung der Mechanik, was gerade bei gebrauchten Robotern besonders wichtig ist. Marcel Toonen/pb

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