Друкарська машина

Обсяг проєкту охоплював комплексну модернізацію старішої восьмифарбової друкарської машини, оригінальна система керування якої страждала від частих відмов, нестабільного зв’язку та високого рівня незапланованих простоїв. Метою був повний перехід на сучасну платформу автоматизації Lenze для підвищення надійності, ремонтопридатності та технологічної точності обладнання. Машина була побудована навколо центрального друкарського циліндра, що виконував роль головного синхронізованого приводу всієї лінії. Окремі фарби були розподілені на 8 секцій, кожна з яких містила 7 керованих приводів. Машина також мала секцію розмотування та намотування з 4 приводами. Технологічне обладнання доповнювали нагрівальні печі та вентилятори, що забезпечували належне сушіння та стабільність процесу. Загальна кількість осей машини становила 62, що робило цей проєкт модернізації надзвичайно складним.

ВИМОГИ ЗАМОВНИКА

• Заміна існуючої системи керування на нову платформу Lenze (C520) та повне перепрограмування друкарської машини
• Заміна існуючих перетворювачів частоти Lenze 9300 новими приводними блоками
• Заміна застарілого зв’язку CANopen новою мережею EtherCAT
• Встановлення нових панелей HMI Lenze v430, розробка нового інтерфейсу візуалізації та впровадження дистанційного керування машиною
• Модифікація кіл безпеки, реорганізація шафи керування та від’єднання/демонтаж усіх непотрібних компонентів (кабелі, захисні пристрої, дроселі, блоки живлення тощо)
• Впровадження спільного віддаленого доступу для ідентифікації, діагностики та сервісу машини через промисловий маршрутизатор Teltonika
• Нова електрична документація

БЛОК-СХЕМА

ВИКОРИСТАНІ КОМПОНЕНТИ

Як показано на блок-схемі, система керування була побудована на базі ПЛК Lenze C520. Для візуалізації та керування використано дві панелі HMI Lenze v430 розміром 7" і 15". Дистанційне керування машиною реалізовано через мобільний пристрій з можливістю подальшого розширення функцій. Двоосьові приводи Lenze i700 використано для позиціювальних осей, а друкарські та анілоксові вали керуються двоосьовими приводами Lenze i750. Перевага цих приводів полягає у використанні одного блока живлення на приводну секцію з об’єднанням через спільну шину постійного струму (DC). Приводи секції розмотування модернізовано до блоків Lenze i950, які також використано для головного центрального приводу машини.

ШАФИ КЕРУВАННЯ

У рамках модернізації оригінальні перетворювачі частоти, встановлені в усіх шафах керування, було повністю замінено новими приводними блоками. Приводи розподілено на чотири силові секції відповідно до технологічних частин машини. Завдяки використанню перетворювачів серії Lenze i700/i750 силову архітектуру шаф було значно спрощено, оскільки кожна секція потребувала лише одного блока живлення, одного мережевого дроселя та одного головного автоматичного вимикача, а окремі приводи були об’єднані спільною шиною DC. Таке з’єднання через шину DC також позитивно впливає на передачу рекуперованої енергії під час гальмування приводів, зменшуючи загальне теплове навантаження системи.

Оригінальну систему керування з двох ПЛК замінено одним ПЛК Lenze C520 разом із розподіленими модулями вводу/виводу. Комунікаційну шину CANopen замінено детермінованою мережею EtherCAT, що забезпечило вищу швидкість керування та кращу надійність. Під час реконструкції з шаф видалено всі невикористовувані компоненти, спрощено архітектуру безпеки та оптимізовано загальне компонування проводки. У результаті як складність кабельних з’єднань, так і доступність для сервісу значно покращилися порівняно з оригінальною інсталяцією.

З точки зору апаратної архітектури машину розділено на три основні шафи керування:

• Головна шафа - містить чотири секції приводів Lenze i700 та i750, перетворювач i950 для головного центрального приводу, додаткові приводи вентиляторів нагрівання та нагрівачів, а також компоненти захисту та розподілу живлення.

• Шафа намотувача та розмотувача - призначена для керування натягом і регулювання процесів намотування та розмотування. Ця шафа містить три приводні блоки Lenze i950.

• Шафа керування - вміщує пневматичні керувальні клапани, кнопки оператора та головну панель HMI.

​

ПАНЕЛІ HMI ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЯ

На машині встановлено дві операторські панелі HMI. Менша панель 7" розташована на шафі намотування і використовується переважно для локального керування та діагностики процесу намотування. Головна панель 15" змонтована на головній шафі керування та забезпечує повну візуалізацію технології, включно з керуванням машиною, налаштуванням параметрів і сервісними функціями.

Обидві панелі — це пристрої Lenze v430, що обмінюються даними через промисловий Ethernet. Ключовою перевагою цих панелей є підтримка Power over Ethernet (PoE), яка дозволяє передавати і живлення, і дані одним екранованим кабелем FTP. Таке рішення спрощує кабельні з’єднання, зменшує кількість блоків живлення в шафі та мінімізує ризик завад або помилок монтажу.

Візуалізацію реалізовано в середовищі CODESYS WebVisu, де архітектура рівня візуалізації безпосередньо інтегрована з додатком ПЛК. Для кожної панелі HMI створено окрему конфігурацію візуалізації, оптимізовану відповідно до роздільної здатності дисплея та функціонального призначення відповідного екрана. Локальна панель 7" надає оператору швидкий доступ до основних елементів керування намотуванням, індикаторів стану та діагностичних функцій, тоді як головна візуалізація 15" містить розширені технологічні екрани, меню параметризації, сервісні режими та детальні аварійні й статусні повідомлення.

Для спрощення налаштування та експлуатації машини також було поставлено рішення дистанційного керування. Воно складалося з мобільного телефона з самостійно розробленим інтерфейсом візуалізації. «Пульт» використовується для регулювання окремих друкарських секцій, точного налаштування параметрів проковзування та притиску до головного циліндра. Завдяки бездротовому з’єднанню оператор може налаштовувати машину практично з будь-якого місця, зокрема безпосередньо з-за інспекційної камери, що контролює процес друку.

ПРОГРАМУВАННЯ

У рамках модернізації систему керування було повністю перепрограмовано в середовищі Lenze PLC Designer, де впроваджено нову архітектуру motion control на основі концепції синхронізації приводів master-slave. Як комунікаційну інфраструктуру між окремими частинами системи керування впроваджено промислову шину EtherCAT, що забезпечує детермінований обмін даними в реальному часі між ПЛК, приводами та розподіленими модулями вводу/виводу. Першим кроком впровадження було точне налаштування та перерахунок імпульсів інкрементального енкодера головного циліндра, який слугує опорною віссю для всього технологічного процесу. На основі цього опорного значення потім синхронізовано всі інші приводи.

Після налаштування енкодера наступний етап був присвячений процесу намотування та розмотування. Для цього використано прикладний модуль Lenze FAST – Winder Tension Control, спеціально розроблений для точного регулювання натягу в застосуваннях безперервної обробки. Модуль обчислює поточний діаметр намотування на основі співвідношення швидкостей і математичної моделі, дозволяє динамічно регулювати силу натягу та підтримує керування натягом за заданою кривою залежно від зростання діаметра рулону.

У секції намотування також впроваджено допоміжний тяговий вал матеріалу, що працює в режимі синхронної швидкості відносно головного циліндра. Цей привід дозволяє контрольовано регулювати проковзування відносно осі master, що дає змогу точно налаштовувати натяг матеріалу між друкарською та намотувальною секціями без впливу на базову швидкість лінії.

Після успішного тестування процесу намотування та розмотування розпочалося впровадження власне керування друком. Друкарська машина складалася з восьми друкарських секцій, кожна з яких була окремою фарбовою секцією. Механічно кожна секція складалася з анілоксового вала та друкарського циліндра: анілоксовий вал дозує фарбу на друкарський циліндр, який потім переносить зображення безпосередньо на плівку, що проходить по головному центральному друкарському циліндру.

З точки зору motion control кожну друкарську секцію спроєктовано як незалежну багатоосьову систему. І анілоксовий вал, і друкарський циліндр оснащено парою позиціювальних приводів для радіального руху до головного циліндра та від нього, що дозволяє точно налаштовувати притиск і робочу відстань під час технологічної роботи. Друкарський циліндр додатково оснащено окремим лінійним приводом для осьового руху, який використовується для точної корекції бічної приводки (ліворуч–праворуч) під час роботи машини. Загалом кожна друкарська секція мала сім керованих приводних осей.

З точки зору синхронізації друкарські циліндри мали бути точно синхронізовані з головним циліндром, щоб усунути розмазування друку, спричинене фазовими зсувами або нестабільністю швидкості. Під час програмування для цього використано блок Lenze FAST Sync & Correction. Це прикладний модуль руху, призначений для точної синхронізації осей і динамічної корекції положення під час роботи машини. Він застосовується переважно в друкарських, пакувальних і переробних (converting) лініях, де кілька приводів мають слідувати за опорною віссю (master), водночас дозволяючи точні коригування без переривання виробництва.

Для анілоксових валів точна синхронізація не була потрібна; вони працювали в режимі швидкості як підпорядковані осі, слідуючи за швидкістю друкарських циліндрів. У рамках впровадження також запрограмовано послідовність виходу в нуль (homing), що визначає базове технологічне положення машини. Після запуску референтного циклу всі осі автоматично переміщувалися у вихідні положення. Для друкарських і анілоксових валів це означало поворот у верхнє кутове положення, що дозволяє просто й безпечно встановлювати друкарські форми та полегшує роботу з друкарськими компонентами.

Приводи, відповідальні за радіальний рух валів і налаштування друкарського зазору, виконували вихід у нуль за датчиками положення. Кожна вісь мала точно визначену опорну точку, отриману від датчика, яка встановлювала нульове положення для подальших технологічних рухів.

Після успішного тестування всіх приводів, циклів виходу в нуль і синхронізаційних зв’язків було запущено пробний друк у режимі технологічної роботи. Під час пробного запуску до програми керування поступово впроваджувалися специфічні вимоги замовника, зокрема функції корекції друку, різні робочі положення секцій відносно позиції друку, сервісні положення для очищення та автоматизовані послідовності заміни друкарських компонентів. Водночас у додаток ПЛК інтегровано повне керування входами та виходами технологічної системи, включно з керуванням нагрівачами печей, вентиляторами та витяжними системами, кнопками оператора, системою напрямлення кромки та установкою коронної обробки плівки. Окремі технологічні функції пов’язано з візуалізацією HMI, що забезпечує централізоване керування, діагностику та параметризацію безпосередньо під час роботи машини

ВІДДАЛЕНИЙ ДОСТУП

У рамках проєкту впроваджено віддалений доступ до машини через промисловий маршрутизатор Teltonika. Рішення забезпечує однозначну ідентифікацію обладнання, віддалену діагностику несправностей, параметризацію системи керування та виконання сервісних втручань без фізичної присутності техніка на місці. Впровадження віддаленого доступу значно скоротило час реагування під час сервісних робіт.

​

ЕЛЕКТРИЧНА ДОКУМЕНТАЦІЯ

Після успішної реконструкції шаф керування та завершення програмування системи керування наступним кроком стала підготовка повністю оновленої електричної документації, що відображає нову конфігурацію електропроводки машини. Метою було забезпечити чітку ідентифікацію кіл, спростити діагностику несправностей і створити структуровану основу для майбутнього сервісу та розширення технології. Електричну документацію розроблено в EPLAN Electric P8; вона містить детальні багатосторінкові схеми силових і керувальних кіл, що охоплюють з’єднання приводів, компонентів безпеки, розподілених модулів вводу/виводу та комунікаційної інфраструктури EtherCAT. Окрім схем з’єднань, створено 2D-креслення монтажу окремих шаф керування з точним розташуванням компонентів. Таким чином, документація є повним цифровим довідником для сервісу, діагностики та можливих майбутніх модифікацій машини.