60% mehr Performance...

…ergab das steuerungstechnische Retrofit einer mechanisch noch gut erhaltenen Etikettenstanzmaschine. Getragen wird der enorme Leistungsschub von einer Komplett-SPS mit integriertem Operator Panel für komfortables Einrichten, einem modernen Umrichter­system sowie einer vom Automatisierer speziell entwickelten analogen Schrittmotorsteuerkarte.

Viele Maschinenbetreiber aus den unterschiedlichsten Branchen stehen früher oder später vor dem gleichen Problem: Die Mechanik ist noch bestens in Schuss, die Elektronik aber veraltet. Die Ersatzteilbeschaffung wird mit den Jahren immer schwieriger und kostspieliger. Kein auswegloser Fall, denn heute sind Retrofits, Runderneuerungen der Elektro- und/oder Automatisierungstechnik oft eine technisch und wirtschaftlich überzeugende Alternative zur Investition in völlig neue Maschinen – ganz zu schweigen vom Aufwand für die Entsorgung der alten.

Vor dieser Wahl stand auch ein Unternehmen aus dem Raum Karlsruhe, als sich an CNC-gesteuerten Etiketten-Brückenstanzmaschinen (Baujahr 1985) der Blumer Maschinenbau AG steuerungsbedingte Störungen zu häufen begannen. Die Produktion war schon vor mehreren Jahren eingestellt worden.  Ersatz für die CNC-Steuerung – noch mit einem der ersten Mikroprozessoren, dem MC 6800, sehr heißen EPROMS und Bildröhrenmonitor ausgestattet – ist heute kaum noch zu finden.

Es musste also ein neues Steuerungssystem entwickelt oder ein geeignetes gefunden und integriert werden. Natürlich ohne den laufenden Betrieb zu unterbrechen und ohne die eigentliche Stanzmaschine zu verändern. Der Betreiber stellte sich einen kompatiblen Steuerschrank auf neuestem Stand der Technik vor, der einfach den bisherigen ersetzt.

Weitere Wünsche: Der Hauptmotor für die per Getriebe und Exzenterwelle umgesetzte Stanzhubbewegung sollte künftig über einen modernen Frequenzumrichter angesteuert werden. Das Stanzwerkzeug wird mit einem 2‑Phasen-Schrittmotor und Zahnriemen in X‑Richtung bewegt. Ein zweiter Schrittmotor verfährt den Stanztisch mit den darauf liegenden Vorlagen in Y‑Richtung. Die SPS sollte ferner die optimale Ausnutzung der rechteckigen Vorlagen errechnen und 1.000 Stanzprogramme für diverse Stanzwerkzeuge und Vorlagenformate speichern können, um diese dann über fortlaufende Nummern abzurufen.

Komplette Standardsteuerung bevorzugt

Nach einem Kosten/Nutzen-Vergleich mit einer PC-basierten Lösung einschließlich entsprechender Ein-/Ausgabekarten, Stepper Motion Controller, Busleitungen und Schnittstellenmodulen entschied sich der Anwender letztlich für eine Komplettsteuerung Simatic C7 635 Key von Siemens.

Diese Kombination aus bewährter CPU S7‑314C‑2 DP und integriertem Operator Panel OP 170 mit Folientastatur und grafikfähigem Display bietet standardmäßig 24 digitale Eingänge, 16 digitale Ausgänge, 4 analoge Eingänge und 2 analoge Ausgänge. Dazu MPI- und Profibus-DP-Schnittstellen sowie technologische Funktionen. So waren für die Umsetzung der Aufgabe keinerlei Zusatzgeräte, Busleitungen und Kommunikationsprozessoren mehr erforderlich. Mit der Tastenbedienung der C7 635 Key konnten die vertrauten Bedienabläufe weitgehend fortgeführt werden, was die Einarbeitung des Bedienpersonals sehr erleichterte und verkürzte.

Ausschlag gebende Argumente für das Siemens-Produkt waren für den Maschinenbetreiber auch die schnelle Verfügbarkeit sowie die zu erwartende Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Hinzu kam der günstige Preis des seinerzeit angebotenen Pakets, das neben der Steuerung auch sämtliche Hardwarekomponenten wie Steckerklemmen, PC-Adapter und RS232-Kabel, eine Micro Memory Card sowie die Softwaretools Step 7, ProTool/Lite und die Dokumentation enthielt. Der beauftragte Automatisierer profitierte zudem von der Simatic-typischen Durchgängigkeit bei der Projektierung/Programmierung, Kommunikation und Datenhaltung im Zusammenspiel mit dem Siemens-Umrichter Micromaster 420.

Mit der Ausführung wurde die Tirron-Elektronik GmbH aus Rheinau betraut. Das kleine, seit 1987 aktive Unternehmen hat sich auf Elektronik, Automatisierungs- und Antriebstechnik, eigene Hardwareentwicklungen, Schaltschrankbau, Reparaturen und Troubleshooting spezialisiert. Die Bandbreite der Anwendungen reicht von Förder- über Dosier- und Mischanlagen bis hin zu Entfettungs- und Destillationsanlagen, auch im Ex-Bereich. Neu ist die Entwicklung und Herstellung von Transversalflussmaschinen. Tirron-Elektronik wurde in diesem Fall hinzugezogen, nachdem ein lokaler Dienstleister die Ursache der sich häufenden sporadischen Störungen nicht lokalisieren konnte.

Von Tirron-Elektronik stammt auch der zweite wesentliche Teil dieser Retrofit-Applikation, eine neu entwickelte Schrittmotorsteuerkarte, die die Bewegungen des Stanzwerkzeugs und des Tischs mit den vorhandenen Schrittmotoren deutlich schneller als bisher ausführt. Die Karte im Europaformat erzeugt nicht-lineare, dem Drehmoment von Schrittmotoren angepasste Beschleunigungs- und Verzögerungskurven. Außerdem sind darauf ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), Digitaleingänge für Start/Stopp, Beschleunigung/Verzögerung und Einzelschritt sowie die Begrenzung der maximalen Frequenz/Drehzahl durch einen Analogeingang von 0‑10 V für zwei Schrittmotoren integriert. Die Startfrequenz lässt sich von 300 bis 600 Hz einstellen, die maximale Frequenz beträgt in diesem Fall 6 kHz.

Tirron hat das Zusammenspiel von Komplettsteuerung und Schrittmotorsteuerkarte denkbar einfach organisiert. Funktionen, die sich leichter in Analogtechnik aufbauen ließen, wie die Rampe für Beschleunigung und Verzögerung oder der spannungsgesteuerte Oszillator, sind auf der Schrittmotorsteuerkarte zu finden. Digitale Funktionen, wie das Zählen, Vergleichen, Speichern, Rechnen und Verknüpfen, werden dagegen beim zyklischen Abarbeiten des Anwenderprogramms in der CPU der Komplettsteuerung ausgeführt. So sind insgesamt nur sechs Verbindungen zwischen beiden Komponenten erforderlich: Die digitalen Ausgänge „Start/Stop“, „Beschleunigen/Verzögern“, „Einzelschritt“, sowie die digitalen Eingänge „Stoppen möglich“ und „Takteingang“, außerdem ein Analogausgang für die Begrenzung der Maximaldrehzahl. Die Drehrichtungsbefehle gehen direkt zu den Leistungsendstufen der Schrittmotoren.

Von den integrierten technologischen Funktionen der Simatic C7 635 werden nur zwei der vier 60 kHz schnellen Zähler für die Erfassung der Schrittfrequenz, beziehungsweise der Positionen der beiden Schrittmotoren genutzt. Bei Bedarf könnten also zwei weitere Achsen darüber erfasst und gesteuert werden. Die ebenfalls in die Steuerung integrierten Möglichkeiten der Pulsweitenmodulation, der Frequenzmessung, für gesteuertes Positionieren sowie für Regelungsaufgaben wurden in diesem Fall nicht benötigt.

Schneller und komfortabler eingerichtet denn je

Mit der Projektierungssoftware ProTool/Lite generierte der Automatisierer eine einfache Bedienoberfläche, die alle Erfordernisse des Stanzbetriebes abdeckt. Vom Übersichtsbild kann über Funktionstasten auf Bedienbilder für Handbetrieb, Referenzfahren, Automatikbetrieb, Stanzprogrammeingabe und Maschinendaten umgeschaltet werden.

Zur Eingabe von Stanzprogrammen gibt es eine einfache Bildmaske, in die nur wenige Eckdaten eingetragen werden müssen: Formatlänge und ‑breite, Stanzwerkzeuglänge und ‑breite, Randbreiten an allen Seiten, Anzahl der Formate nebeneinander sowie die Stanzprogrammnummer mit einer Werkzeugbezeichnung. Die Eingabe eines kompletten Stanzprogramms an der C7-635 dauert so nur noch gut eine Minute. Mit der alten Steuerung mussten sämtliche Verfahrwege immer von Hand berechnet und eingegeben, teilweise sogar jede einzelne Stanzposition in eine Tabelle eingetragen werden, was jeweils 20 Minuten und mehr in Anspruch nahm.

Neben der Einrichtzeit reduzierte sich auch die Datenmenge, und dies in erheblichem Umfang, sodass die 1.000 vom Betreiber geforderten Stanzprogramme in Datenbausteinen auf einer steckbaren Micro Memory Card (MMC) mit 128 kB Speicher (ausbaufähig bis 8 MB) Platz finden. Von dort könnten sie bei Engpässen auch auf eine andere Maschine mit gleicher Steuerung übertragen werden.

Nach Eingabe einer Stanzprogrammnummer und Bestätigung durch die Eingabetaste (Enter) wird das Stanzprogramm aus der MMC geholt und angezeigt. Alle Daten können dann editiert werden, wobei das System die resultierenden Folgewerte sofort zur Kontrolle anzeigt. Beim Verlassen der Stanzprogrammeingabe werden die Stanzdaten im aktuellen Datenbaustein gespeichert und zurück auf die MMC übertragen. Die Berechnung der ersten Stanzposition und der Verfahrwege für die Schrittmotoren erfolgt dann im Step‑7-Programm. Ergebnisse werden in einem Globaldatenbaustein gespeichert und im Automatikbetrieb verwendet.

Schneller und sanfter

Ein auf die Performance durchschlagender Vorteil der neuen Lösung ist, dass das Stanzjoch bei sehr großen Verfahrwegen der Schrittmotoren von bis zu 300 mm nicht mehr bei jedem Stanzhub über Kupplung und Bremse kurz angehalten werden muss. Stattdessen reduziert der Frequenzumrichter lediglich die Drehzahl des Hauptmotors. Der Asynchron-Motor hat eine Nenndrehzahl von 1.405 U/min bei 50 Hz und kann mit einer variablen Frequenz von bis zu 80 Hz (oder 2.248 U/min) betrieben werden. Die jeweiligen Drehzahl als Funktion der Verfahrwege der Schrittmotoren wird im Step‑7-Programm in der CPU 314C‑2 DP errechnet und über den zweiten Analogausgang der Steuerung direkt zum Frequenzumrichter übertragen.

Durch all diese Maßnahmen konnte die Zahl der Stanzhübe im Vergleich zur bisherigen Lösung um bis zu 60% erhöht werden – bei deutlich reduziertem Verschleiß von Kupplung und Bremse und ohne feststellbare Mehrbelastung der anderen mechanischen Komponenten.

Die Modernisierung der Stanzmaschinen mit Simatic C7‑635, Micromaster 420 und Sicherheitstechnik von Siemens sowie der Schrittmotorsteuerkarte von Tirron-Elektronik ist zwischenzeitlich keine Einzellösung mehr. Der Betreiber ist mit der neuen Steuerung derart zufrieden, dass er inzwischen die Umrüstung von zwei weiteren Stanzmaschinen nach gleichem Muster in Auftrag gegeben hat.

„Wir sind überzeugt,“ so Dipl.-Ingenieur Hans Schütz, Inhaber der Tirron-Elektronik GmbH, „dass diese Lösung Modellcharakter für ähnliche Anwendungen im Bereich einfacher, numerisch gesteuerter CNC-Maschinen mit bis zu vier Achsen hat.“ Auch die Blumer Maschinenbau AG, die bei der Umrüstung unterstützend zur Seite stand, hat sich bereits positiv über das neue Steuerungssystem geäußert und will bei gegebenem Anlass auf das mittlerweile erprobte Konzept zurückgreifen.