Maszyna drukarska

Zakres projektu obejmował kompleksową modernizację starszej ośmiokolorowej maszyny drukarskiej, której pierwotny system sterowania cechował się częstymi awariami, niestabilną komunikacją i wysokim poziomem nieplanowanych przestojów. Celem była pełna migracja na nowoczesną platformę automatyki Lenze w celu zwiększenia niezawodności, łatwości serwisowania i dokładności technologicznej urządzenia. Maszyna opierała się na centralnym cylindrze dociskowym, który pełnił rolę głównego synchronizowanego napędu całej linii. Poszczególne kolory były podzielone na 8 sekcji, z których każda zawierała 7 sterowanych napędów. Maszyna obejmowała również sekcję odwijania i nawijania wyposażoną w 4 napędy. Wyposażenie technologiczne uzupełniały piece grzewcze i wentylatory zapewniające prawidłowe suszenie i stabilność procesu. Łączna liczba osi maszyny wynosiła 62, co czyniło z niej bardzo złożony projekt modernizacyjny.

WYMAGANIA KLIENTA

• Wymiana istniejącego systemu sterowania na nową platformę Lenze (C520) i kompletne przeprogramowanie maszyny drukarskiej
• Wymiana istniejących przemienników częstotliwości Lenze 9300 na nowe jednostki napędowe
• Zastąpienie przestarzałej komunikacji CANopen nową siecią EtherCAT
• Instalacja nowych paneli HMI Lenze v430, opracowanie nowego interfejsu wizualizacji i wdrożenie zdalnego sterowania maszyną
• Modyfikacja obwodów bezpieczeństwa, reorganizacja szafy sterowniczej oraz odłączenie i demontaż wszystkich zbędnych elementów (okablowanie, zabezpieczenia, dławiki, zasilacze itp.)
• Wdrożenie wspólnego zdalnego dostępu do identyfikacji, diagnostyki i serwisu maszyny za pomocą przemysłowego routera Teltonika
• Nowa dokumentacja elektryczna

SCHEMAT BLOKOWY

ZASTOSOWANE KOMPONENTY

Jak pokazuje schemat blokowy, system sterowania oparto na sterowniku PLC Lenze C520. Do wizualizacji i obsługi zastosowano dwa panele HMI Lenze v430 w rozmiarach 7" i 15". Zdalne sterowanie maszyną zrealizowano za pomocą urządzenia mobilnego z możliwością dalszej rozbudowy funkcji. Dwuosiowe napędy Lenze i700 zastosowano dla osi pozycjonujących, natomiast wałki drukujące i aniloksowe sterowane są przez dwuosiowe napędy Lenze i750. Zaletą tych napędów jest zastosowanie jednego zasilacza na sekcję napędową z połączeniem przez wspólną szynę DC. Napędy w sekcji odwijania zmodernizowano do jednostek Lenze i950, które wykorzystano również dla głównego napędu centralnego maszyny.

SZAFY STEROWNICZE

W ramach modernizacji pierwotne przemienniki częstotliwości zainstalowane we wszystkich szafach sterowniczych zostały w całości zastąpione nowymi jednostkami napędowymi. Napędy podzielono na cztery sekcje mocy zgodnie z częściami technologicznymi maszyny. Dzięki zastosowaniu przemienników serii Lenze i700/i750 architektura zasilania szaf została znacznie uproszczona, ponieważ każda sekcja wymagała tylko jednego zasilacza, jednego dławika sieciowego i jednego wyłącznika głównego, a poszczególne napędy połączono wspólną szyną DC. Sprzężenie przez szynę DC korzystnie wpływa również na przekazywanie energii odzyskanej podczas hamowania napędów, co zmniejsza całkowite obciążenie cieplne systemu.

Pierwotny system sterowania składający się z dwóch sterowników PLC zastąpiono jednym sterownikiem PLC Lenze C520 wraz z rozproszonymi modułami we/wy. Magistralę komunikacyjną CANopen zastąpiono deterministyczną siecią EtherCAT, co zapewniło wyższą szybkość sterowania i lepszą niezawodność. Podczas przebudowy z szaf usunięto wszystkie nieużywane komponenty, uproszczono architekturę bezpieczeństwa i zoptymalizowano cały układ okablowania. W rezultacie zarówno złożoność okablowania, jak i dostępność serwisowa uległy znacznej poprawie w porównaniu z pierwotną instalacją.

Z punktu widzenia architektury sprzętowej maszynę podzielono na trzy główne szafy sterownicze:

• Szafa główna - zawiera cztery sekcje napędów Lenze i700 i i750, przemiennik i950 dla głównego napędu centralnego, dodatkowe napędy wentylatorów i nagrzewnic, a także elementy zabezpieczające i rozdziału zasilania.

• Szafa nawijaka i odwijaka - przeznaczona do sterowania naprężeniem oraz regulacji procesów nawijania i odwijania. Szafa ta zawiera trzy jednostki napędowe Lenze i950.

• Szafa sterownicza - mieści pneumatyczne zawory sterujące, przyciski operatora i główny panel HMI.

​

PANELE HMI I WIZUALIZACJA

Na maszynie zainstalowano dwa operatorskie panele HMI. Mniejszy panel 7" umieszczono na szafie nawijania; służy on przede wszystkim do lokalnego sterowania i diagnostyki procesu nawijania. Główny panel 15" zamontowano na głównej szafie sterowniczej; zapewnia on pełną wizualizację technologii, w tym sterowanie maszyną, ustawianie parametrów i funkcje serwisowe.

Oba panele to jednostki Lenze v430 komunikujące się przez przemysłowy Ethernet. Kluczową zaletą tych paneli jest obsługa Power over Ethernet (PoE), dzięki której zasilanie i transmisja danych odbywają się jednym ekranowanym kablem FTP. Rozwiązanie to upraszcza okablowanie, zmniejsza liczbę zasilaczy w szafie i minimalizuje ryzyko zakłóceń lub błędów w okablowaniu.

Wizualizację zrealizowano w środowisku CODESYS WebVisu, w którym architektura warstwy wizualizacji jest bezpośrednio zintegrowana z aplikacją PLC. Dla każdego panelu HMI utworzono osobną konfigurację wizualizacji, zoptymalizowaną pod kątem rozdzielczości wyświetlacza i przeznaczenia danego ekranu. Lokalny panel 7" zapewnia operatorowi szybki dostęp do podstawowych funkcji nawijania, wskaźników stanu i funkcji diagnostycznych, natomiast główna wizualizacja 15" obejmuje rozszerzone ekrany technologiczne, menu parametryzacji, tryby serwisowe oraz szczegółowe komunikaty alarmowe i statusowe.

W celu uproszczenia ustawiania i obsługi maszyny dostarczono również rozwiązanie do zdalnego sterowania. Był to telefon komórkowy z samodzielnie opracowanym interfejsem wizualizacji. „Pilot” służy do regulacji poszczególnych sekcji drukujących, precyzyjnego ustawiania parametrów poślizgu oraz docisku do cylindra głównego. Dzięki połączeniu bezprzewodowemu operator może konfigurować maszynę praktycznie z dowolnego miejsca, także bezpośrednio zza kamery inspekcyjnej monitorującej proces drukowania.

PROGRAMOWANIE

W ramach modernizacji system sterowania został w całości przeprogramowany w środowisku Lenze PLC Designer, w którym wdrożono nową architekturę motion control opartą na koncepcji synchronizacji napędów master-slave. Jako infrastrukturę komunikacyjną między poszczególnymi częściami systemu sterowania zastosowano przemysłową magistralę EtherCAT, zapewniającą deterministyczną wymianę danych w czasie rzeczywistym między sterownikiem PLC, napędami i rozproszonymi modułami we/wy. Pierwszym krokiem wdrożenia była precyzyjna konfiguracja i przeliczenie impulsów enkodera inkrementalnego cylindra głównego, który stanowi oś odniesienia dla całego procesu technologicznego. Na podstawie tej wartości odniesienia zsynchronizowano następnie wszystkie pozostałe napędy.

Po ustawieniu enkodera kolejny etap skupił się na procesie nawijania i odwijania. Wykorzystano w tym celu moduł aplikacyjny Lenze FAST – Winder Tension Control, przeznaczony do precyzyjnej regulacji naprężenia w aplikacjach przetwarzania ciągłego. Moduł oblicza bieżącą średnicę nawoju na podstawie stosunku prędkości i modelu matematycznego, umożliwia dynamiczną regulację siły naciągu i obsługuje sterowanie naprężeniem według zdefiniowanej krzywej naprężenia w zależności od rosnącej średnicy roli.

W sekcji nawijania wdrożono również pomocniczy wałek ciągnący materiał, pracujący w trybie synchronicznej prędkości względem cylindra głównego. Napęd ten umożliwia kontrolowaną regulację poślizgu względem osi master, co pozwala precyzyjnie dostroić naprężenie materiału między sekcją drukującą a nawijającą bez wpływu na bazową prędkość linii.

Po udanych testach procesu nawijania i odwijania przystąpiono do wdrożenia samego sterowania drukiem. Maszyna drukarska składała się z ośmiu sekcji drukujących, z których każda stanowiła osobny zespół kolorowy. Mechanicznie każda sekcja składała się z wałka aniloksowego i cylindra drukującego – wałek aniloksowy dozuje farbę na cylinder drukujący, który następnie przenosi obraz bezpośrednio na folię prowadzoną po głównym centralnym cylindrze dociskowym.

Z punktu widzenia motion control każdą sekcję drukującą zaprojektowano jako niezależny system wieloosiowy. Zarówno wałek aniloksowy, jak i cylinder drukujący wyposażono w parę napędów pozycjonujących do ruchu promieniowego w kierunku cylindra głównego i od niego, co umożliwia precyzyjne ustawienie docisku i odległości roboczej podczas pracy technologicznej. Cylinder drukujący wyposażono dodatkowo w osobny napęd liniowy do ruchu osiowego, służący do precyzyjnej korekty pasowania bocznego (lewo–prawo) podczas pracy maszyny. Łącznie każda sekcja drukująca obejmowała siedem sterowanych osi napędowych.

Z punktu widzenia synchronizacji cylindry drukujące musiały być precyzyjnie zsynchronizowane z cylindrem głównym, aby wyeliminować rozmazywanie druku spowodowane przesunięciami fazy lub niestabilnością prędkości. Podczas programowania wykorzystano w tym celu blok Lenze FAST Sync & Correction. Jest to aplikacyjny moduł ruchu przeznaczony do dokładnej synchronizacji osi i dynamicznej korekty położenia podczas pracy maszyny. Stosuje się go głównie w liniach drukujących, pakujących i przetwórczych, w których wiele napędów musi podążać za osią odniesienia (master), a jednocześnie możliwe są precyzyjne korekty bez przerywania produkcji.

W przypadku wałków aniloksowych precyzyjna synchronizacja nie była wymagana; pracowały one w trybie prędkościowym jako osie podrzędne, podążając za prędkością cylindrów drukujących. W ramach wdrożenia zaprogramowano również sekwencję bazowania, definiującą podstawową pozycję technologiczną maszyny. Po uruchomieniu cyklu referencyjnego wszystkie osie automatycznie przejeżdżały do pozycji początkowych. W przypadku wałków drukujących i aniloksowych oznaczało to obrót do górnej pozycji kątowej, co umożliwia prosty i bezpieczny montaż form drukowych oraz łatwiejszą manipulację elementami drukującymi.

Napędy odpowiedzialne za ruch promieniowy wałków i ustawianie szczeliny drukowej wykonywały bazowanie na podstawie czujników położenia. Każda oś miała precyzyjnie zdefiniowany punkt odniesienia wyznaczony przez czujnik, który ustalał pozycję zerową dla kolejnych ruchów technologicznych.

Po udanych testach wszystkich napędów, cykli bazowania i powiązań synchronizacyjnych uruchomiono wydruk próbny w trybie pracy technologicznej. Podczas rozruchu próbnego stopniowo wdrażano do programu sterującego specyficzne wymagania klienta, w szczególności funkcje korekty druku, różne pozycje robocze sekcji względem pozycji drukowania, pozycje serwisowe do czyszczenia oraz zautomatyzowane sekwencje wymiany elementów drukujących. Jednocześnie do aplikacji PLC zintegrowano pełną obsługę wejść i wyjść systemu technologicznego, w tym sterowanie grzałkami pieców, wentylatorami i układami wyciągowymi, przyciskami operatora, systemem prowadzenia krawędzi oraz jednostką obróbki koronowej folii. Poszczególne funkcje technologiczne powiązano z wizualizacją HMI, co umożliwia scentralizowane sterowanie, diagnostykę i parametryzację bezpośrednio podczas pracy maszyny

ZDALNY DOSTĘP

W ramach projektu wdrożono zdalny dostęp do maszyny za pomocą przemysłowego routera Teltonika. Rozwiązanie umożliwia jednoznaczną identyfikację urządzenia, zdalną diagnostykę usterek, parametryzację systemu sterowania oraz wykonywanie interwencji serwisowych bez konieczności fizycznej obecności technika na miejscu. Wdrożenie zdalnego dostępu znacznie skróciło czas reakcji w działaniach serwisowych.

​

DOKUMENTACJA ELEKTRYCZNA

Po udanej przebudowie szaf sterowniczych i zakończeniu programowania systemu sterowania kolejnym krokiem było przygotowanie w pełni zaktualizowanej dokumentacji elektrycznej, odzwierciedlającej nową konfigurację okablowania maszyny. Celem było zapewnienie przejrzystej identyfikacji obwodów, uproszczenie diagnostyki usterek oraz stworzenie uporządkowanej podstawy dla przyszłego serwisu i rozbudowy technologii. Dokumentację elektryczną opracowano w EPLAN Electric P8; obejmowała ona szczegółowe wielostronicowe schematy obwodów mocy i sterowania, w tym połączenia napędów, elementów bezpieczeństwa, rozproszonych modułów we/wy i infrastruktury komunikacyjnej EtherCAT. Oprócz schematów połączeń utworzono rysunki montażowe 2D poszczególnych szaf sterowniczych, pokazujące dokładne rozmieszczenie komponentów. Dokumentacja stanowi zatem kompletne cyfrowe źródło odniesienia dla serwisu, diagnostyki i ewentualnych przyszłych modyfikacji maszyny.