Mașină de tipar

Proiectul a cuprins modernizarea completă a unei mașini de tipar mai vechi, cu opt culori, al cărei sistem de comandă original se confrunta cu defecțiuni frecvente, comunicație instabilă și un nivel ridicat de opriri neplanificate. Obiectivul a fost migrarea completă pe o platformă modernă de automatizare Lenze, pentru a crește fiabilitatea, mentenabilitatea și precizia tehnologică a echipamentului. Mașina se baza pe un cilindru central de imprimare, care funcționa ca acționare principală sincronizată a întregii linii. Culorile erau împărțite în 8 secțiuni, fiecare cu 7 acționări comandate. Mașina includea, de asemenea, o secțiune de derulare și rebobinare echipată cu 4 acționări. Echipamentul tehnologic era completat de cuptoare de încălzire și ventilatoare care asigurau uscarea corectă și stabilitatea procesului. Numărul total de axe ale mașinii era de 62, ceea ce a făcut din aceasta un proiect de modernizare deosebit de complex.

CERINȚELE CLIENTULUI

• Înlocuirea sistemului de comandă existent cu o nouă platformă Lenze (C520) și reprogramarea completă a mașinii de tipar
• Înlocuirea convertizoarelor de frecvență Lenze 9300 existente cu noi unități de acționare
• Înlocuirea comunicației CANopen învechite cu o nouă rețea EtherCAT
• Instalarea de noi panouri HMI Lenze v430, dezvoltarea unei noi interfețe de vizualizare și implementarea comenzii de la distanță a mașinii
• Modificarea circuitelor de siguranță, reorganizarea tabloului de comandă și deconectarea/demontarea tuturor componentelor inutile (cablaje, protecții, bobine de reactanță, surse de alimentare etc.)
• Implementarea accesului la distanță partajat pentru identificarea, diagnosticarea și service-ul mașinii prin intermediul unui router industrial Teltonika
• Documentație electrică nouă

SCHEMĂ BLOC

COMPONENTE UTILIZATE

Așa cum arată schema bloc, sistemul de comandă a fost construit pe baza unui PLC Lenze C520. Pentru vizualizare și operare au fost utilizate două panouri HMI Lenze v430, în dimensiunile 7" și 15". Comanda de la distanță a mașinii a fost realizată printr-un dispozitiv mobil, cu posibilitatea extinderii ulterioare a funcțiilor. Acționările Lenze i700 cu două axe au fost folosite pentru axele de poziționare, iar cilindrii de imprimare și anilox sunt comandați de acționări Lenze i750 cu două axe. Avantajul acestor acționări constă în utilizarea unei singure surse de alimentare pentru fiecare secțiune de acționare, cu interconectare printr-o magistrală DC comună. Acționările din secțiunea de derulare au fost modernizate la unități Lenze i950, care au fost folosite și pentru acționarea centrală principală a mașinii.

TABLOURI DE COMANDĂ

În cadrul modernizării, convertizoarele de frecvență originale instalate în toate tablourile de comandă au fost înlocuite complet cu noi unități de acționare. Acționările au fost împărțite în patru secțiuni de putere, conform părților tehnologice ale mașinii. Prin utilizarea convertizoarelor din seria Lenze i700/i750, arhitectura de alimentare a tablourilor a fost simplificată semnificativ, deoarece fiecare secțiune a necesitat o singură sursă de alimentare, o singură bobină de rețea și un singur întrerupător principal, iar acționările individuale au fost interconectate printr-o magistrală DC comună. Cuplarea prin magistrala DC are și un efect pozitiv asupra transferului energiei recuperate la frânarea acționărilor, reducând sarcina termică totală a sistemului.

Sistemul de comandă original, format din două PLC-uri, a fost înlocuit cu un singur PLC Lenze C520, împreună cu module I/O distribuite. Magistrala de comunicație CANopen a fost înlocuită cu o rețea EtherCAT deterministă, ceea ce a adus o viteză de comandă mai mare și o fiabilitate îmbunătățită. În timpul reconstrucției, toate componentele neutilizate au fost îndepărtate din tablouri, arhitectura de siguranță a fost simplificată, iar dispunerea generală a cablajului a fost optimizată. Ca rezultat, atât complexitatea cablajului, cât și accesibilitatea pentru service s-au îmbunătățit semnificativ față de instalația originală.

Din punctul de vedere al arhitecturii hardware, mașina a fost împărțită în trei tablouri de comandă principale:

• Tabloul principal - conține patru secțiuni de acționări Lenze i700 și i750, un convertizor i950 pentru acționarea centrală principală, acționări suplimentare pentru ventilatoarele de încălzire și încălzitoare, precum și componente de protecție și de distribuție a energiei.

• Tabloul bobinatorului și derulatorului - dedicat controlului tensiunii și reglării proceselor de bobinare și derulare. Acest tablou include trei unități de acționare Lenze i950.

• Tabloul de comandă - găzduiește supapele pneumatice de comandă, butoanele operatorului și panoul HMI principal.

​

PANOURI HMI ȘI VIZUALIZARE

Pe mașină sunt instalate două panouri HMI pentru operator. Panoul mai mic, de 7", se află pe tabloul de bobinare și este folosit în principal pentru comanda locală și diagnosticarea procesului de bobinare. Panoul principal, de 15", este montat pe tabloul de comandă principal și asigură vizualizarea completă a tehnologiei, inclusiv comanda mașinii, setarea parametrilor și funcțiile de service.

Ambele panouri sunt unități Lenze v430 care comunică prin Ethernet industrial. Un avantaj esențial al acestor panouri este suportul pentru Power over Ethernet (PoE), care permite transmiterea atât a alimentării, cât și a datelor printr-un singur cablu FTP ecranat. Această soluție simplifică cablajul, reduce numărul de surse de alimentare necesare în tablou și minimizează riscul de interferențe sau erori de cablare.

Vizualizarea a fost realizată în mediul CODESYS WebVisu, în care arhitectura stratului de vizualizare este integrată direct cu aplicația PLC. Pentru fiecare panou HMI a fost creată o configurație de vizualizare dedicată, optimizată în funcție de rezoluția afișajului și de scopul funcțional al ecranului respectiv. Panoul local de 7" oferă operatorului acces rapid la comenzile de bază ale bobinării, la indicatorii de stare și la funcțiile de diagnosticare, în timp ce vizualizarea principală de 15" include ecrane tehnologice extinse, meniuri de parametrizare, moduri de service și mesaje detaliate de alarmă și de stare.

Pentru a simplifica reglarea și operarea mașinii, a fost livrată și o soluție de comandă de la distanță. Aceasta a constat dintr-un telefon mobil cu o interfață de vizualizare dezvoltată independent. „Telecomanda” este folosită pentru reglarea secțiunilor de imprimare individuale, ajustarea fină a parametrilor de alunecare și setarea presiunii pe cilindrul principal. Datorită conexiunii wireless, operatorul poate configura mașina practic din orice poziție, inclusiv direct din spatele camerei de inspecție care monitorizează procesul de imprimare.

PROGRAMARE

În cadrul modernizării, sistemul de comandă a fost reprogramat complet în mediul Lenze PLC Designer, unde a fost implementată o nouă arhitectură motion control bazată pe conceptul de sincronizare master-slave a acționărilor. Magistrala industrială EtherCAT a fost implementată ca infrastructură de comunicație între părțile sistemului de comandă, asigurând schimbul determinist de date în timp real între PLC, acționări și modulele I/O distribuite. Primul pas al implementării a constat în configurarea precisă și recalcularea impulsurilor encoderului incremental al cilindrului principal, care servește drept axă de referință pentru întregul proces tehnologic. Pe baza acestei valori de referință au fost apoi sincronizate toate celelalte acționări.

După configurarea encoderului, etapa următoare s-a concentrat pe procesul de bobinare și derulare. În acest scop a fost utilizat modulul de aplicație Lenze FAST – Winder Tension Control, conceput special pentru reglarea precisă a tensiunii în aplicațiile de procesare continuă. Modulul calculează diametrul curent al bobinei pe baza rapoartelor de viteză și a unui model matematic, permite ajustarea dinamică a forței de tensionare și asigură controlul tensiunii după o curbă predefinită, în funcție de creșterea diametrului rolei.

În secțiunea de bobinare a fost implementat și un cilindru auxiliar de tragere a materialului, care funcționează în mod de viteză sincronă față de cilindrul principal. Această acționare permite reglarea controlată a alunecării față de axa master, ceea ce face posibilă ajustarea fină a tensiunii materialului între secțiunea de imprimare și cea de bobinare, fără a afecta viteza de bază a liniei.

După testarea cu succes a procesului de bobinare și derulare, a urmat implementarea comenzii propriu-zise a imprimării. Mașina de tipar era formată din opt secțiuni de imprimare, fiecare reprezentând o unitate de culoare. Mecanic, fiecare secțiune era alcătuită dintr-un cilindru anilox și un cilindru de imprimare: cilindrul anilox dozează cerneala pe cilindrul de imprimare, care transferă apoi imaginea direct pe folia ghidată peste cilindrul central principal de imprimare.

Din perspectiva motion control, fiecare secțiune de imprimare a fost proiectată ca un sistem multiax independent. Atât cilindrul anilox, cât și cilindrul de imprimare au fost echipate cu o pereche de acționări de poziționare pentru mișcarea radială spre și dinspre cilindrul principal, permițând reglarea precisă a presiunii și a distanței de lucru în timpul funcționării tehnologice. Cilindrul de imprimare a fost echipat suplimentar cu o acționare liniară dedicată pentru mișcarea axială, folosită pentru corecția fină a registrului lateral (stânga–dreapta) în timpul funcționării mașinii. În total, fiecare secțiune de imprimare includea șapte axe de acționare comandate.

Din punctul de vedere al sincronizării, cilindrii de imprimare trebuiau sincronizați precis cu cilindrul principal, pentru a elimina întinderea imprimării cauzată de defazaje sau de instabilitatea vitezei. În timpul programării a fost folosit în acest scop blocul Lenze FAST Sync & Correction. Este un modul de mișcare de aplicație conceput pentru sincronizarea precisă a axelor și corecția dinamică a poziției în timpul funcționării mașinii. Este utilizat în principal în liniile de imprimare, ambalare și prelucrare (converting), unde mai multe acționări trebuie să urmeze o axă de referință (master), permițând totodată ajustări fine fără întreruperea producției.

Pentru cilindrii anilox nu a fost necesară o sincronizare precisă; aceștia au funcționat în mod de viteză ca axe subordonate, urmând viteza cilindrilor de imprimare. În cadrul implementării a fost programată și o secvență de referențiere (homing), care definește poziția tehnologică de bază a mașinii. După pornirea ciclului de referențiere, toate axele se deplasau automat în pozițiile inițiale. Pentru cilindrii de imprimare și anilox, aceasta însemna rotirea în poziția unghiulară superioară, permițând montarea simplă și sigură a plăcilor de imprimare și manipularea mai ușoară a componentelor de imprimare.

Acționările responsabile de mișcarea radială a cilindrilor și de reglarea fantei de imprimare își efectuau referențierea pe baza senzorilor de poziție. Fiecare axă avea un punct de referință definit precis, derivat de la senzor, care stabilea poziția zero pentru mișcările tehnologice ulterioare.

După testarea cu succes a tuturor acționărilor, a ciclurilor de referențiere și a legăturilor de sincronizare, a fost pornită o imprimare de probă în regim de funcționare tehnologică. În timpul rulării de probă, cerințele specifice ale clientului au fost implementate treptat în programul de comandă, în special funcțiile de corecție a imprimării, diferitele poziții de lucru ale secțiunilor față de poziția de imprimare, pozițiile de service pentru curățare și secvențele automatizate pentru înlocuirea componentelor de imprimare. În același timp, în aplicația PLC a fost integrată gestionarea completă a intrărilor și ieșirilor sistemului tehnologic, inclusiv comanda încălzitoarelor cuptoarelor, a ventilatoarelor și a sistemelor de evacuare, a butoanelor operatorului, a sistemului de ghidare a marginii și a unității de tratament corona pentru folie. Funcțiile tehnologice individuale au fost legate de vizualizarea HMI, permițând comanda, diagnosticarea și parametrizarea centralizată direct în timpul funcționării mașinii

ACCES LA DISTANȚĂ

În cadrul proiectului a fost implementat accesul la distanță la mașină prin intermediul unui router industrial Teltonika. Soluția permite identificarea clară a echipamentului, diagnosticarea de la distanță a defecțiunilor, parametrizarea sistemului de comandă și efectuarea intervențiilor de service fără prezența fizică a unui tehnician la fața locului. Implementarea accesului la distanță a redus semnificativ timpii de reacție în operațiunile de service.

​

DOCUMENTAȚIE ELECTRICĂ

După reconstrucția cu succes a tablourilor de comandă și finalizarea programării sistemului de comandă, pasul următor a fost elaborarea unei documentații electrice complet actualizate, care reflectă noua configurație a cablajului mașinii. Obiectivul a fost asigurarea unei identificări clare a circuitelor, simplificarea diagnosticării defecțiunilor și crearea unei baze structurate pentru service-ul viitor și extinderea tehnologiei. Documentația electrică a fost realizată în EPLAN Electric P8 și a inclus scheme detaliate, pe mai multe pagini, ale circuitelor de putere și de comandă, acoperind interconectarea acționărilor, a componentelor de siguranță, a modulelor I/O distribuite și a infrastructurii de comunicație EtherCAT. Pe lângă schemele de conexiuni, au fost create planuri de montaj 2D ale fiecărui tablou de comandă, care arată amplasarea exactă a componentelor. Documentația oferă astfel o referință digitală completă pentru service, diagnosticare și eventualele modificări viitoare ale mașinii.