Tiskový stroj

Předmětem projektu byla komplexní modernizace staršího osmibarevného tiskového stroje, jehož původní řídicí systém trpěl častými poruchami, nestabilní komunikací a vysokou mírou neplánovaných prostojů. Cílem byl kompletní přechod na moderní automatizační platformu Lenze, který měl zvýšit spolehlivost, servisovatelnost a technologickou přesnost zařízení. Stroj byl postaven na centrálním tlakovém válci, který tvořil hlavní synchronizovaný pohon celé linky. Jednotlivé barvy byly rozděleny do 8 sekcí, z nichž každá obsahovala 7 řízených pohonů. Součástí stroje byla také odvíjecí a navíjecí sekce vybavená 4 pohony. Technologické vybavení doplňovaly sušicí pece a ventilátory, které zajišťovaly správné sušení a stabilitu procesu. Stroj měl celkem 62 os, což z projektu činilo mimořádně náročnou modernizaci.

POŽADAVKY ZÁKAZNÍKA

• Výměna stávajícího řídicího systému za novou platformu Lenze (C520) a kompletní přeprogramování tiskového stroje
• Výměna stávajících frekvenčních měničů Lenze 9300 za nové pohonné jednotky
• Náhrada zastaralé komunikace CANopen novou sítí EtherCAT
• Instalace nových HMI panelů Lenze v430, vývoj nové vizualizace a zavedení dálkového ovládání stroje
• Úprava bezpečnostního zapojení, reorganizace rozvaděče a odpojení/demontáž všech nepotřebných komponent (kabeláž, ochranné prvky, tlumivky, napájecí zdroje atd.)
• Zřízení sdíleného vzdáleného přístupu pro identifikaci, diagnostiku a servis stroje přes průmyslový router Teltonika
• Nová elektrodokumentace

BLOKOVÉ SCHÉMA

POUŽITÉ KOMPONENTY

Jak ukazuje blokové schéma, řídicí systém byl postaven na PLC Lenze C520. Pro vizualizaci a obsluhu byly použity dva HMI panely Lenze v430 o úhlopříčce 7" a 15". Dálkové ovládání stroje bylo realizováno přes mobilní zařízení s možností dalšího rozšíření funkcí. Dvouosé měniče Lenze i700 byly použity pro polohovací osy, zatímco tiskové a aniloxové válce řídí dvouosé měniče Lenze i750. Výhodou těchto měničů je jediný napájecí zdroj pro každou sekci pohonů a jejich propojení společnou stejnosměrnou sběrnicí (DC bus). Pohony v odvíjecí sekci byly nahrazeny jednotkami Lenze i950, které byly použity i pro hlavní centrální pohon stroje.

ROZVADĚČE

V rámci modernizace byly původní frekvenční měniče ve všech rozvaděčích kompletně nahrazeny novými pohonnými jednotkami. Pohony byly rozděleny do čtyř výkonových sekcí podle technologických částí stroje. Nasazením měničů řady Lenze i700/i750 se výkonová architektura rozvaděčů výrazně zjednodušila, protože každá sekce potřebovala jen jeden napájecí zdroj, jednu síťovou tlumivku a jeden hlavní jistič, přičemž jednotlivé pohony jsou propojeny společnou DC sběrnicí. Toto propojení přes DC sběrnici navíc příznivě ovlivňuje přenos rekuperované energie při brzdění pohonů a snižuje celkové tepelné zatížení systému.

Původní řídicí systém tvořený dvěma PLC byl nahrazen jediným PLC Lenze C520 s decentralizovanými I/O moduly. Komunikační sběrnici CANopen nahradila deterministická síť EtherCAT, což přineslo vyšší rychlost řízení a lepší spolehlivost. Během rekonstrukce byly z rozvaděčů odstraněny všechny nepoužívané komponenty, bezpečnostní architektura byla zjednodušena a celkové rozvržení kabeláže optimalizováno. Složitost kabeláže i servisní přístupnost se tak oproti původní instalaci výrazně zlepšily.

Z hlediska hardwarové architektury byl stroj rozdělen do tří hlavních rozvaděčů:

• Hlavní rozvaděč - obsahuje čtyři sekce měničů Lenze i700 a i750, měnič i950 pro hlavní centrální pohon, další pohony pro ventilátory a ohřívače sušení a také ochranné a rozvodné prvky.

• Rozvaděč navíječe a odvíječe - slouží k řízení tahu a regulaci navíjení a odvíjení. Obsahuje tři měniče Lenze i950.

• Ovládací rozvaděč - obsahuje pneumatické řídicí ventily, ovládací tlačítka obsluhy a hlavní HMI panel.

​

HMI PANELY A VIZUALIZACE

Na stroji jsou instalovány dva operátorské HMI panely. Menší 7" panel je umístěn na rozvaděči navíječe a slouží především k místnímu ovládání a diagnostice navíjení. Hlavní 15" panel je namontován na hlavním rozvaděči a poskytuje úplnou vizualizaci technologie včetně ovládání stroje, nastavení parametrů a servisních funkcí.

Oba panely jsou jednotky Lenze v430 komunikující přes průmyslový Ethernet. Klíčovou výhodou těchto panelů je podpora Power over Ethernet (PoE), díky níž napájení i datová komunikace vedou jediným stíněným kabelem FTP. Toto řešení zjednodušuje kabeláž, snižuje počet napájecích zdrojů v rozvaděči a minimalizuje riziko rušení či chyb v zapojení.

Vizualizace byla vytvořena v prostředí CODESYS WebVisu, kde je architektura vizualizační vrstvy přímo integrována s aplikací PLC. Pro každý HMI panel byla vytvořena samostatná konfigurace vizualizace, optimalizovaná podle rozlišení displeje a funkčního účelu daného panelu. Místní 7" panel nabízí obsluze rychlý přístup k základnímu ovládání navíjení, stavovým indikacím a diagnostickým funkcím, zatímco hlavní 15" vizualizace obsahuje rozšířené technologické obrazovky, parametrizační menu, servisní režimy a podrobná hlášení alarmů a stavů.

Pro snazší seřízení a obsluhu stroje bylo dodáno také řešení dálkového ovládání. Tvoří ho mobilní telefon se samostatně vyvinutou vizualizací. Tento „ovladač“ slouží k nastavení jednotlivých tiskových sekcí, jemnému doladění skluzu a nastavení přítlaku k hlavnímu válci. Díky bezdrátovému připojení může obsluha nastavovat stroj prakticky z libovolného místa, včetně pozice přímo za inspekční kamerou sledující tisk.

PROGRAMOVÁNÍ

V rámci modernizace byl řídicí systém kompletně přeprogramován v prostředí Lenze PLC Designer, kde byla implementována nová architektura řízení pohybu založená na konceptu synchronizace pohonů master-slave. Jako komunikační infrastruktura mezi jednotlivými částmi řídicího systému byla nasazena průmyslová sběrnice EtherCAT, která zajišťuje deterministickou výměnu dat v reálném čase mezi PLC, pohony a decentralizovanými I/O moduly. Prvním krokem implementace byla přesná konfigurace a přepočet pulzů inkrementálního snímače hlavního válce, který slouží jako referenční osa celého technologického procesu. Podle této referenční hodnoty byly následně synchronizovány všechny ostatní pohony.

Po nastavení snímače se další etapa zaměřila na navíjení a odvíjení. K tomu byl použit aplikační modul Lenze FAST – Winder Tension Control, určený pro přesnou regulaci tahu v kontinuálních zpracovatelských aplikacích. Modul vypočítává aktuální průměr návinu z poměru rychlostí a matematického modelu, umožňuje dynamicky měnit tahovou sílu a podporuje řízení tahu podle předem definované tahové křivky v závislosti na rostoucím průměru role.

V navíjecí sekci byl také realizován pomocný tažný válec materiálu, který pracuje v režimu synchronní rychlosti vůči hlavnímu válci. Tento pohon umožňuje řízené nastavení skluzu vůči řídicí ose, a tím jemné doladění tahu materiálu mezi tiskovou a navíjecí sekcí bez vlivu na základní rychlost linky.

Po úspěšném odzkoušení navíjení a odvíjení následovala implementace samotného řízení tisku. Tiskový stroj se skládal z osmi tiskových sekcí, z nichž každá představovala samostatnou barevnou jednotku. Mechanicky tvořil každou sekci aniloxový válec a tiskový válec: aniloxový válec dávkuje barvu na tiskový válec, který pak přenáší obraz přímo na fólii vedenou po hlavním centrálním tlakovém válci.

Z pohledu řízení pohybu byla každá tisková sekce navržena jako samostatný víceosý systém. Aniloxový i tiskový válec byly vybaveny dvojicí polohovacích pohonů pro radiální přísuv k hlavnímu válci a odsun od něj, což umožňuje přesné nastavení přítlaku a pracovní vzdálenosti během provozu. Tiskový válec měl navíc vlastní lineární pohon pro axiální pohyb, používaný k jemné boční korekci soutisku (vlevo–vpravo) za chodu stroje. Celkem tak každá tisková sekce zahrnovala sedm řízených os.

Z hlediska synchronizace musely být tiskové válce přesně synchronizovány s hlavním válcem, aby se vyloučilo rozmazání tisku způsobené fázovým posunem nebo nestabilitou rychlosti. Při programování byl k tomu použit blok Lenze FAST Sync & Correction. Jde o aplikační modul řízení pohybu určený pro přesnou synchronizaci os a dynamickou korekci polohy za chodu stroje. Používá se hlavně v tiskových, balicích a konvertingových linkách, kde musí více pohonů sledovat referenční (master) osu a zároveň umožnit jemné korekce bez přerušení výroby.

U aniloxových válců přesná synchronizace nutná nebyla; pracovaly v rychlostním režimu jako podřízené osy a sledovaly rychlost tiskových válců. V rámci implementace byla naprogramována také referenční sekvence (homing), která definuje základní technologickou polohu stroje. Po spuštění referenčního cyklu najedou všechny osy automaticky do výchozích poloh. U tiskových i aniloxových válců to znamenalo natočení do horní úhlové polohy, což umožňuje jednoduchou a bezpečnou montáž tiskových desek a snazší manipulaci s tiskovými komponentami.

Pohony zajišťující radiální pohyb válců a nastavení tiskové mezery prováděly referování podle polohových snímačů. Každá osa měla přesně definovaný referenční bod odvozený od snímače, který stanovil nulovou polohu pro následné technologické pohyby.

Po úspěšném otestování všech pohonů, referenčních cyklů a synchronizačních vazeb byl v technologickém režimu spuštěn zkušební tisk. Během zkušebního provozu byly do řídicího programu postupně zapracovány specifické požadavky zákazníka, zejména funkce korekce tisku, různé pracovní polohy sekcí vůči tiskové poloze, servisní polohy pro čištění a automatizované sekvence pro výměnu tiskových komponent. Současně byla do aplikace PLC začleněna kompletní obsluha vstupů a výstupů technologie, včetně řízení ohřevu pecí, ventilátorů a odsávání, ovládacích tlačítek obsluhy, systému vedení hrany a koronační jednotky pro úpravu fólie. Jednotlivé technologické funkce byly propojeny s HMI vizualizací, což umožňuje centralizované ovládání, diagnostiku a parametrizaci přímo za provozu stroje.

VZDÁLENÝ PŘÍSTUP

V rámci projektu byl zřízen vzdálený přístup ke stroji přes průmyslový router Teltonika. Řešení umožňuje jednoznačnou identifikaci zařízení, vzdálenou diagnostiku poruch, parametrizaci řídicího systému a provádění servisních zásahů bez nutnosti fyzické přítomnosti technika na místě. Zavedení vzdáleného přístupu výrazně zkrátilo dobu reakce při servisu.

​

ELEKTRODOKUMENTACE

Po úspěšné rekonstrukci rozvaděčů a dokončení programování řídicího systému následovalo vypracování kompletně aktualizované elektrodokumentace odpovídající novému zapojení stroje. Cílem bylo zajistit přehlednou identifikaci obvodů, zjednodušit diagnostiku poruch a vytvořit strukturovaný podklad pro budoucí servis a rozšiřování technologie. Elektrodokumentace byla zpracována v EPLAN Electric P8 a obsahuje podrobná vícestránková schémata výkonových i řídicích obvodů, včetně propojení pohonů, bezpečnostních prvků, decentralizovaných I/O modulů a komunikační infrastruktury EtherCAT. Kromě schémat zapojení byly vytvořeny 2D montážní výkresy jednotlivých rozvaděčů s přesným rozmístěním komponent. Dokumentace tak představuje kompletní digitální podklad pro servis, diagnostiku a případné budoucí úpravy stroje.