Beckhoff Applicaties:

Perfecte rondloop met EtherCAT plus Safety


De internationale concurrentie in de machinebouw is hard en ook voor een nichespeler als Seichter uit Hannover is innovatie een vanzelfsprekende zaak. Deze fabrikant van banden- en velgentestmachines investeert in innovatie met pc-besturingstechniek van Beckhoff. Dankzij deze besturingstechniek zijn de machines van Seichter compacter dan vergelijkbare installaties en hebben zij minimale cyclustijden, met een maximale nauwkeurigheid. Belangrijk aspect hierbij is het communicatiesysteem EtherCAT, dat - in combinatie met de safety-techniek -op de toekomst is ingesteld.

Seichter GmbH in Hannover is van oorsprong een bedrijf waar banden- en velgentestmachines werden gereviseerd en gemoderniseerd, met als basis de geometrische meting van banden, ofwel het controleren van de oppervlakken op deuken en uitstulpingen of vernauwingen. Tot voor kort bouwde Seichter zijn geometrische meetsysteem alleen in bij machines die door anderen werden geproduceerd. Deze machines dienden voor de geometrische meting van banden of de aanvullende meting van de krachtenbalans tussen band en wegdek, de zogeheten uniformiteit.




Met de ontwikkeling van een eigen Tyre Uniformity Machine (TU) heeft Seichter met succes de stap gezet naar zelfstandige bouw van complete installaties. De machine drukt met een grote drukplaat op een opgepompte band, simuleert daarmee het wegdek en meet tijdens het draaien van de band bij 60 min-1 (standaard; 120 min-1 optioneel) de krachten en fluctuaties die daarbij ontstaan. De hele machine wordt aangestuurd met Beckhoff-componenten; te beginnen met de industriŰle PC C6150, HMI bedieningsinterface, servoversterker AX2000 en TwinSAFE safety-techniek tot en met de netwerkkoppeling met EtherCAT.

Trots
Seichter is trots op zijn TU-machine die volgens haar op de markt zijn gelijke niet kent. Onderscheidend kenmerk is bijvoorbeeld de machineconstructie. Zij bestaat uit ÚÚn eenheid, wat zowel bij het transport - de installatie past zelfs in een container - als bij de inbedrijfstelling enorm veel tijd bespaart. De compacte besturingtechniek heeft hier sterk aan bijgedragen. Vergeleken met de concurrentie is de schakelkast maar half zo groot. Hij kan daarom direct aan de machine worden aangebouwd. Een ander belangrijk punt is dat de machine geen gebruik maakt van hydrauliek; het ontbreken van een olietoevoersysteem is een duidelijk voordeel. De drie servoassen van de machine worden aangestuurd via de Beckhoff-servoversterker AX2000 en de TwinCAT NC PTP-software. Met deze besturingstechniek kunnen de assen zeer nauwkeurig en snel bewegen en de velg die de band opneemt ook bij extreem korte draaiingen uiterst nauwkeurig worden gepositioneerd. Afgezien van de dure hydrauliek wordt bij de besturing ook nauwelijks gebruik gemaakt van lucht, bijvoorbeeld voor het losmaken van de banden van de velgen na de test. Het totale 'bandenmanagement' wordt uitgevoerd door de drie NC-drives: de band wordt in de machine getransporteerd en op de velg gezet; vervolgens wordt de velg gesloten en de draaiende beweging voor de testprocedure gestart. Via dezelfde NC-as wordt zonodig de zogeheten muilbreedte van de band exact ingesteld. Daardoor is de machine, ondanks de hoge precisie en herhalingsnauwkeurigheid, relatief eenvoudig te besturen - en dat bij een testcyclus van 20 seconden per band en 3.000 banden per etmaal.




Flexibel panel
Het operator-panel CP7021 is een combinatie van touchscreen en extra hardwaretoetsen voor het initiŰren van gewenste acties. Voor het gebruiksgemak is het heel belangrijk dat dit panel flexibel kan worden ingebouwd. Door de scheiding van bedieningspanel en industriŰle PC kan het Beckhoff-systeem op verschillende manieren worden ingebouwd, bijvoorbeeld vrijstaand of op een zwenkarm. Het moet tenslotte mogelijk zijn, tijdens de inbedrijfstelling of bij onderhoudswerkzaamheden, bewegingen van de machine goed waar te nemen. Met name voor machinebouwers heeft dat zijn voordelen. Met de CP-verbinding kan het panel tot op 100 meter afstand worden opgesteld, wat een optimale plaatsing mogelijk maakt. Dat het panel, dankzij de CP-verbinding met een coaxkabel direct in het besturingscircuit kan worden opgenomen, is een groot voordeel. De vereiste bekabeling blijft daardoor tot een minimum beperkt. Bij andere aanbieders van panels moeten de hardwaretoetsen meestal nog afzonderlijk worden aangesloten. Andere voordelen ontstaan door de BC2000-busklemcontroller, die als lokale PLC de luchtdruk in de band regelt. Omdat de krachten uiterst nauwkeurig moeten worden gemeten, moet ook de luchtdruk in de band nauwgezet worden gecontroleerd. Het voordeel van de Beckhoff-oplossing is de lightbus-interface, die zich op de lokale controller bevindt, die heel gemakkelijk via de realtime PC-kaart (eveneens met lightbus-interface), binnen het tot stand gebrachte meetsysteem kan worden ge´ntegreerd.

Snelle test
Om volledig te kunnen profiteren van de NC-assen is een even snelle databus nodig. Dit betekent normaal gesproken dat een machine moet beschikken over een separaat communicatiesysteem voor het NC-gedeelte en een separaat communicatiesysteem voor de besturingstechniek. Deze extra uitrusting is bij de TU-machine van Seichter niet nodig, omdat EtherCAT - dankzij de hoge overdrachtssnelheid - beide applicaties zeer goed aankan. "Voor onze machine is het van belang, dat deze in alle opzichten snel kan worden bestuurd. Want bij een cyclustijd van minder dan 20 seconden per band, moet elke besturingstaak optimaal worden uitgevoerd. En met NC-assen kunnen meerdere bewegingen beter geco÷rdineerd en gecontroleerd worden uitgevoerd. Dit blijkt onder meer bij het instellen van de belasting. Dat vergt weliswaar slechts een geringe beweging, maar die moet uiterst nauwkeurig zijn. Hier biedt een snel gestuurde NC-as duidelijk voordelen. Bij onze machine wordt de PLC-taak in een cyclustijd van slechts 2 ms uitgevoerd. Dat kan nog sneller als daaraan behoefte bestaat." Ook voor andere bewegingen, zoals het plaatsen van de band in de machine met een snelheid van 1 m/s, is een snelle en betrouwbare gegevenscommunicatie nodig. De band moet aan het einde van de beweging - via een zeer snel aftastende foto-elektrische cel - exact worden gepositioneerd om de gewenste nauwkeurigheid te bereiken. Uiteindelijk waren het dus voor Johann Klassen (engineer bij Seichter) uiteenlopende factoren die tot een "pro-EtherCAT" beslissing hebben geleid. Ook omdat andere ethernetsystemen vanuit zijn optiek niet dezelfde prestaties konden leveren. Rekening houden met verdere ontwikkelingen in de toekomst was mede doorslaggevend. EtherCAT is uiterst eenvoudig te implementeren en het biedt een krachtige gegevensoverdracht. Bij meettechnische toepassingen is dat duidelijk ingewikkelder dan bij besturingstechniek. Het is daarom met het oog op de toekomst een goede beslissing om de machine met EtherCAT uit te rusten. Johann Klassen ziet bovendien een ander belangrijk voordeel in de flexibiliteit en open structuur van EtherCAT ten opzichte van andere veldbussen: "De druk om in de meettechniek van component te wisselen wordt steeds groter. Zo zijn inmiddels sommige meetversterkers niet meer verkrijgbaar. Die ontwikkelen wij nu zelf, gebaseerd op de CAN-bus. Eerst komt er een met lightbus compatibele oplossing. Op langere termijn komen we met een EtherCAT-koppeling. Zo kunnen wij zeer compacte meetversterkers ontwikkelen, omdat de CAN-interface al in de betreffende microcontrollers is ge´ntegreerd." De scheiding tussen de beproefde, op lightbus gebaseerde meettechniek en de nieuwe EtherCAT-besturingstechniek is wat betreft Johann Klassen straks niet meer nodig. "Met een algemeen bussysteem is alles veel gemakkelijker te realiseren. Vooral ook omdat de machine dankzij de snelheid van EtherCAT eenvoudiger, sneller en nauwkeuriger wordt. Ook nu hebben we al een korte cyclustijd; nog korter zou ten koste gaan van de precisie en herhalingsnauwkeurigheid. Nauwkeurigheid en een korte cyclustijd, in combinatie met gemakkelijker onderhoud doordat we ons concentreren op servoaandrijvingen, zijn voor ons belangrijke verkoopargumenten."

Veiligheid ge´ntegreerd
Om veilig te kunnen werken met de TU-machine is deze afgeschermd met een hekwerk en vergrendelingen. Deze afscherming is ge´ntegreerd in het TwinSAFE-systeem. TwinSAFE is de safety-oplossing van Beckhoff, waarbij de beveiligingsfuncties zijn ge´ntegreerd in de besturingsarchitectuur. Door deze integratie wordt duidelijk bespaard op kosten voor engineering en hardware. De beveiligingsfuncties worden via de automatiseringssoftware op een handige manier geconfigureerd. In combinatie met het TwinSAFE-protocol zijn flexibele totaaloplossingen conform SIL3 mogelijk. De TU-machine beschikt over de functies Noodstop en Hekbewaking, waardoor bewegingen van de machines alleen mogelijk zijn als het hek gesloten is. De beveiligingscomponenten en het EtherCAT-netwerk zijn gekoppeld via TwinSAFE-busklemmen in een kleine aan het beveiligingshek gemonteerde schakelkast. Van daaruit lopen nog slechts een paar kabels naar de machine. Via extra veiligheidsklemmen kan bijvoorbeeld een signaalzuil worden aangesloten. De benodigde logische verbinding tussen in- en uitgangen wordt tot stand gebracht door de TwinSAFE-Logic-klem KL6904.

EÚn softwarepakket
Toekomstmuziek ziet Johann Klassen ook in de veiligheidsklemmen, vooral wanneer de machines in de toekomst groter worden en met meer beveiligingsfuncties worden uitgerust: "Momenteel bestaan de voordelen vooral uit de simpeler bekabeling. De veldbus vervangt een ingewikkelde meeraderige kabel. Daarbij komt dat, dankzij de aansluiting op het EtherCAT-netwerk, ook achteraf op elke gewenste plaats bijvoorbeeld een noodstopschakelaar kan worden aangebracht. Het gebeurt vaak dat het noodstopcircuit tevoren wordt gepland en dat dan bij inbedrijfstelling van de machine blijkt dat nog veranderingen nodig zijn. Dat kan in dit geval gemakkelijk worden gedaan. Het is een kostenbesparing die niet uit het oog verloren mag worden." Ook de open structuur van de TwinCAT-omgeving biedt kostenbesparingen door vereenvoudiging: de editor voor het weergeven van de veiligheidsfunctionaliteit is in deze tool heel comfortabel ge´ntegreerd. Johann Klassen: "Het is een stuk gemakkelijker als je niet met twee, maar met ÚÚn softwarepakket kunt werken. Omdat wij de TwinCAT-software al kenden, was een aantal eenvoudige instructies voldoende. Daarna konden wij de beveiligingsfuncties zelf programmeren. Ook al zijn die in ons geval niet bijzonder ingewikkeld, daaruit blijkt toch hoe gemakkelijk de beveiligingsweergave met TwinCAT kan worden gemaakt."

Seichter GmbH