Druckmaschine

Gegenstand des Projekts war die umfassende Modernisierung einer älteren Achtfarben-Druckmaschine, deren ursprüngliche Steuerung unter häufigen Ausfällen, instabiler Kommunikation und einem hohen Anteil ungeplanter Stillstände litt. Ziel war die vollständige Migration auf eine moderne Lenze-Automatisierungsplattform, um Zuverlässigkeit, Servicefreundlichkeit und technologische Genauigkeit der Anlage zu erhöhen. Die Maschine basierte auf einem Zentralzylinder, der als synchronisierter Hauptantrieb der gesamten Linie diente. Die einzelnen Farben waren auf 8 Sektionen mit jeweils 7 geregelten Antrieben aufgeteilt. Zur Maschine gehörte außerdem eine Ab- und Aufwickelsektion mit 4 Antrieben. Ergänzt wurde die technologische Ausstattung durch Trockenöfen und Ventilatoren, die eine einwandfreie Trocknung und Prozessstabilität sicherstellten. Insgesamt verfügte die Maschine über 62 Achsen – ein ausgesprochen komplexes Modernisierungsprojekt.

KUNDENANFORDERUNGEN

• Ersatz der bestehenden Steuerung durch eine neue Lenze-Plattform (C520) und komplette Neuprogrammierung der Druckmaschine
• Ersatz der vorhandenen Lenze-9300-Frequenzumrichter durch neue Antriebseinheiten
• Ablösung der veralteten CANopen-Kommunikation durch ein neues EtherCAT-Netzwerk
• Installation neuer HMI-Panels Lenze v430, Entwicklung einer neuen Visualisierung und Einführung einer Fernbedienung der Maschine
• Anpassung der Sicherheitsverdrahtung, Neuordnung des Schaltschranks sowie Abklemmen/Ausbau aller nicht benötigten Komponenten (Verkabelung, Schutzorgane, Drosseln, Netzteile usw.)
• Einrichtung eines gemeinsamen Fernzugriffs zur Identifikation, Diagnose und Wartung der Maschine über einen Teltonika-Industrierouter
• Neue Elektrodokumentation

BLOCKSCHALTBILD

EINGESETZTE KOMPONENTEN

Wie das Blockschaltbild zeigt, basiert die Steuerung auf einer Lenze C520 PLC. Für Visualisierung und Bedienung kommen zwei HMI-Panels Lenze v430 in den Größen 7" und 15" zum Einsatz. Die Fernbedienung der Maschine wurde über ein Mobilgerät umgesetzt und lässt sich funktional weiter ausbauen. Zweiachsige Lenze-i700-Umrichter treiben die Positionierachsen an, während Druck- und Rasterwalzen von zweiachsigen Lenze-i750-Umrichtern geregelt werden. Der Vorteil dieser Umrichter liegt in einer einzigen Einspeisung je Antriebssektion mit Kopplung über einen gemeinsamen Zwischenkreis (DC-Bus). Die Antriebe der Abwickelsektion wurden durch Lenze-i950-Einheiten ersetzt, die auch für den zentralen Hauptantrieb der Maschine verwendet werden.

SCHALTSCHRÄNKE

Im Zuge der Modernisierung wurden die ursprünglichen Frequenzumrichter in allen Schaltschränken vollständig durch neue Antriebseinheiten ersetzt. Die Antriebe wurden entsprechend den technologischen Maschinenteilen auf vier Leistungssektionen aufgeteilt. Durch den Einsatz von Umrichtern der Serie Lenze i700/i750 vereinfachte sich die Leistungsarchitektur der Schränke erheblich, denn jede Sektion benötigt nur eine Einspeiseeinheit, eine Netzdrossel und einen Hauptleistungsschalter, während die einzelnen Antriebe über einen gemeinsamen DC-Bus verbunden sind. Diese Zwischenkreiskopplung wirkt sich zudem positiv auf die Nutzung der beim Abbremsen rückgespeisten Energie aus und senkt die thermische Gesamtbelastung des Systems.

Die ursprüngliche Steuerung aus zwei SPSen wurde durch eine einzige Lenze C520 PLC mit dezentralen E/A-Modulen ersetzt. Der CANopen-Bus wurde durch ein deterministisches EtherCAT-Netzwerk abgelöst, was höhere Regelgeschwindigkeit und bessere Zuverlässigkeit brachte. Während des Umbaus wurden alle nicht genutzten Komponenten aus den Schränken entfernt, die Sicherheitsarchitektur vereinfacht und die Leitungsführung insgesamt optimiert. Verkabelungsaufwand und Servicezugänglichkeit haben sich gegenüber der ursprünglichen Installation dadurch deutlich verbessert.

Hardwareseitig wurde die Maschine auf drei Hauptschaltschränke aufgeteilt:

• Hauptschrank - mit vier Sektionen Lenze-i700- und i750-Antrieben, einem i950-Umrichter für den zentralen Hauptantrieb, weiteren Antrieben für Heizungsventilatoren und Heizungen sowie Schutz- und Energieverteilungskomponenten.

• Schrank für Auf- und Abwickler - für die Zugspannungsregelung beim Auf- und Abwickeln. Dieser Schrank enthält drei Lenze-i950-Antriebe.

• Bedienschrank - mit pneumatischen Steuerventilen, Bedientastern und dem Haupt-HMI-Panel.

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HMI-PANELS UND VISUALISIERUNG

An der Maschine sind zwei Bediener-HMI-Panels installiert. Das kleinere 7"-Panel sitzt am Wickelschrank und dient vor allem der lokalen Bedienung und Diagnose des Wickelprozesses. Das 15"-Hauptpanel ist am Hauptschaltschrank montiert und bietet die vollständige Visualisierung der Technologie einschließlich Maschinenbedienung, Parametrierung und Servicefunktionen.

Bei beiden Panels handelt es sich um Lenze v430, die über Industrial Ethernet kommunizieren. Ein wesentlicher Vorteil ist die Unterstützung von Power over Ethernet (PoE): Stromversorgung und Datenkommunikation laufen über ein einziges geschirmtes FTP-Kabel. Das vereinfacht die Verkabelung, reduziert die Anzahl der Netzteile im Schrank und minimiert das Risiko von Störungen oder Verdrahtungsfehlern.

Die Visualisierung wurde in CODESYS WebVisu umgesetzt, wobei die Visualisierungsebene direkt in die SPS-Applikation integriert ist. Für jedes HMI-Panel wurde eine eigene Visualisierungskonfiguration erstellt, optimiert auf die Displayauflösung und den Einsatzzweck des jeweiligen Bildschirms. Das lokale 7"-Panel bietet dem Bediener schnellen Zugriff auf die grundlegenden Wickelfunktionen, Statusanzeigen und Diagnosefunktionen, während die 15"-Hauptvisualisierung erweiterte Technologiebilder, Parametriermenüs, Servicemodi sowie detaillierte Alarm- und Statusmeldungen umfasst.

Zur einfacheren Einrichtung und Bedienung der Maschine wurde außerdem eine Fernbedienungslösung geliefert. Sie besteht aus einem Mobiltelefon mit einer eigens entwickelten Visualisierung. Mit diesem „Controller“ werden die einzelnen Druckwerke eingestellt, Schlupfparameter feinjustiert und die Anstellung an den Zentralzylinder eingestellt. Dank der drahtlosen Verbindung kann der Bediener die Maschine praktisch von jeder Position aus einrichten – auch direkt hinter der Inspektionskamera, die den Druck überwacht.

PROGRAMMIERUNG

Im Rahmen der Modernisierung wurde die Steuerung in der Umgebung Lenze PLC Designer komplett neu programmiert und eine neue Motion-Control-Architektur nach dem Master-Slave-Prinzip der Antriebssynchronisation umgesetzt. Als Kommunikationsinfrastruktur zwischen den Teilen der Steuerung dient der Industrie-Feldbus EtherCAT, der einen deterministischen Echtzeit-Datenaustausch zwischen SPS, Antrieben und dezentralen E/A-Modulen gewährleistet. Der erste Schritt war die exakte Konfiguration und Umrechnung der Impulse des Inkrementalgebers am Zentralzylinder, der als Referenzachse für den gesamten technologischen Prozess dient. Auf diesen Referenzwert wurden anschließend alle übrigen Antriebe synchronisiert.

Nach der Gebereinrichtung konzentrierte sich die nächste Phase auf das Auf- und Abwickeln. Dafür wurde das Applikationsmodul Lenze FAST – Winder Tension Control eingesetzt, das speziell für die präzise Zugspannungsregelung in kontinuierlichen Verarbeitungsprozessen entwickelt wurde. Das Modul berechnet den aktuellen Wickeldurchmesser aus Drehzahlverhältnissen und einem mathematischen Modell, ermöglicht die dynamische Anpassung der Zugkraft und unterstützt die Zugspannungsregelung nach einer vordefinierten Kennlinie in Abhängigkeit vom wachsenden Rollendurchmesser.

In der Wickelsektion wurde zudem eine Hilfszugwalze realisiert, die drehzahlsynchron zum Zentralzylinder läuft. Dieser Antrieb erlaubt eine gezielte Schlupfeinstellung gegenüber der Masterachse und damit die Feinjustierung der Bahnspannung zwischen Druck- und Wickelsektion, ohne die Grundgeschwindigkeit der Linie zu beeinflussen.

Nach erfolgreichem Test des Auf- und Abwickelns folgte die Umsetzung der eigentlichen Drucksteuerung. Die Druckmaschine bestand aus acht Druckwerken, von denen jedes eine eigene Farbeinheit darstellte. Mechanisch setzte sich jedes Druckwerk aus einer Rasterwalze (Anilox) und einem Druckzylinder zusammen: Die Rasterwalze dosiert die Farbe auf den Druckzylinder, der das Druckbild direkt auf die über den Zentralzylinder geführte Folie überträgt.

Aus Sicht der Bewegungssteuerung wurde jedes Druckwerk als eigenständiges Mehrachssystem ausgelegt. Sowohl Rasterwalze als auch Druckzylinder verfügen über ein Paar Positionierantriebe für die radiale Bewegung zum Zentralzylinder hin und von ihm weg, was eine präzise Einstellung von Anpressdruck und Arbeitsabstand im Betrieb ermöglicht. Der Druckzylinder besitzt zusätzlich einen eigenen Linearantrieb für die axiale Bewegung, mit dem das Seitenregister (links–rechts) während des Betriebs feinkorrigiert wird. Insgesamt umfasste jedes Druckwerk sieben geregelte Antriebsachsen.

Für die Synchronisation mussten die Druckzylinder exakt mit dem Zentralzylinder synchronisiert werden, um ein Verschmieren des Drucks durch Phasenverschiebung oder Drehzahlschwankungen auszuschließen. Bei der Programmierung kam dafür der Lenze-FAST-Baustein Sync & Correction zum Einsatz. Es handelt sich um ein Motion-Applikationsmodul für die genaue Achssynchronisation und dynamische Positionskorrektur im laufenden Betrieb. Eingesetzt wird es vor allem in Druck-, Verpackungs- und Converting-Linien, in denen mehrere Antriebe einer Referenzachse (Master) folgen und dennoch Feinkorrekturen ohne Produktionsunterbrechung möglich sein müssen.

Für die Rasterwalzen war keine exakte Synchronisation erforderlich; sie liefen drehzahlgeregelt als Folgeachsen der Druckzylinder. Im Rahmen der Umsetzung wurde außerdem eine Referenzfahrt (Homing) programmiert, die die technologische Grundstellung der Maschine definiert. Nach dem Start des Referenzzyklus fahren alle Achsen automatisch in ihre Ausgangspositionen. Für Druck- und Rasterwalzen bedeutet das eine Drehung in die obere Winkelposition, was eine einfache und sichere Montage der Druckplatten und eine leichtere Handhabung der Druckkomponenten ermöglicht.

Die Antriebe für die radiale Bewegung der Walzen und die Einstellung des Druckspalts referenzierten anhand von Positionssensoren. Jede Achse hatte einen genau definierten, vom Sensor abgeleiteten Referenzpunkt, der die Nullposition für die nachfolgenden technologischen Bewegungen festlegte.

Nach erfolgreichem Test aller Antriebe, Referenzfahrten und Synchronisationsverknüpfungen wurde im technologischen Betrieb ein Probedruck gestartet. Während des Probelaufs wurden kundenspezifische Anforderungen schrittweise in das Steuerungsprogramm eingearbeitet, insbesondere Druckkorrekturfunktionen, verschiedene Arbeitspositionen der Druckwerke zur Druckposition, Servicepositionen für die Reinigung und automatisierte Abläufe für den Wechsel der Druckkomponenten. Gleichzeitig wurde die gesamte Verwaltung der Ein- und Ausgänge der Anlage in die SPS-Applikation integriert, einschließlich der Ansteuerung von Ofenheizungen, Ventilatoren und Absaugung, Bedientastern, Bahnkantensteuerung und der Corona-Vorbehandlung der Folie. Die einzelnen technologischen Funktionen wurden mit der HMI-Visualisierung verknüpft, was eine zentrale Bedienung, Diagnose und Parametrierung direkt im laufenden Maschinenbetrieb ermöglicht.

FERNZUGRIFF

Im Rahmen des Projekts wurde ein Fernzugriff auf die Maschine über einen Teltonika-Industrierouter eingerichtet. Die Lösung ermöglicht die eindeutige Identifikation der Anlage, Ferndiagnose von Störungen, Parametrierung der Steuerung und die Durchführung von Serviceeinsätzen, ohne dass ein Techniker vor Ort sein muss. Der Fernzugriff hat die Reaktionszeiten im Service deutlich verkürzt.

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ELEKTRODOKUMENTATION

Nach dem erfolgreichen Umbau der Schaltschränke und dem Abschluss der Programmierung folgte die Erstellung einer vollständig aktualisierten Elektrodokumentation, die die neue Verdrahtung der Maschine abbildet. Ziel war eine übersichtliche Kennzeichnung der Stromkreise, eine einfachere Fehlerdiagnose und eine strukturierte Grundlage für künftigen Service und Erweiterungen der Anlage. Die Elektrodokumentation wurde in EPLAN Electric P8 erstellt und umfasst detaillierte mehrseitige Schaltpläne der Leistungs- und Steuerstromkreise einschließlich der Verbindungen von Antrieben, Sicherheitskomponenten, dezentralen E/A-Modulen und der EtherCAT-Kommunikationsinfrastruktur. Neben den Schaltplänen wurden 2D-Aufbaupläne der einzelnen Schaltschränke mit der genauen Anordnung der Komponenten erstellt. Die Dokumentation bildet damit eine vollständige digitale Referenz für Service, Diagnose und mögliche künftige Änderungen an der Maschine.