Mit der SPS in die Kurve

Motion Control - Das Führen in einer Kreisbahn beim Laserschweißen läuft einfach über eine SPS mit Motion-Control. Geschweißt wird auf fünf hundertstel Millimeter genau - und das sehr kostengünstig.

31. August 2006

Präzises Laserschweißen auf einer kreisförmigen Bahn und verschiedene lineare Spielarten exakter Bewegungsführung waren in der Serienfertigung bei Danfoss A/S (Nordborg/Dänemark) gefordert. Das Unternehmen zählt zu den weltweit führenden Herstellern von Kompressoren und Komponenten für die Kälte- und Klimaanlagenindustrie - dabei speziell für Sensoren und Ventile. Seine Marktposition ist auch das Ergebnis einer streng qualitätsorientierten und zugleich sehr wirtschaftlichen, weil hochautomatisierten, flexiblen Fertigung und Montage. Die technischen Einrichtungen dazu beziehen die Dänen auch beim Bremer Werk für Montagesysteme (bwm), das zu Hella-Verbund gehört.

Deren Kerngeschäft ist schon seit den 1970er-Jahren die Entwicklung und der Bau kundenspezifischer Montagesysteme für unterschiedlichste Anwendungen und Branchen, woraus umfassendes Know-how und vielschichtige Erfahrungen in diversen Fertigungstechniken resultieren. In puncto Steuerungs- und Antriebstechnik haben die Bremer Hanseaten beste Erfahrungen mit Produkten und Support von Siemens gemacht, die auch im Rahmen des hier beschriebenen Projekts eine tragende Rolle spielen.

Montage mit System

»Von unserer Kompetenz in diesen Dingen muss wohl auch Danfoss überzeugt gewesen sein, so dass die Dänen mehrere Zellen für die Vor- und Endmontage thermostatischer Expansionsventile in Auftrag gegeben haben«, so Projektleiter Andreas Kebbel von bwm. Ein wesentlicher Teil davon sind vier über Förderbänder miteinander verbundene Rundtische für automatisierte Kalibrierungs- und Montagearbeiten an Ventilkörpern, Federpaketen und an den Druckstücken.

Der zentrale Rundtisch

Der zentrale Rundtisch zählt 28 Stationen, die drei Satelliten jeweils sechs Stationen. Hier geht es vorwiegend um das Positionieren, also das ›Pick-and-Place‹ von Komponenten und Fertigteilen über zwei dreiachsige und ein zweiachsiges Portal, jeweils mit zusätzlicher Drehachse. Den anspruchsvolleren Part bilden jedoch zwei von insgesamt sechs bwm-Stationen für die Endmontage, um genau zu sein: zum automatisierten Fügen und Laserschweißen unterschiedlicher Temperatursensoren aus Edelstahl beziehungsweise von Deckeln für verschiedene Ventilgehäuse aus Messing.

Die zwei für die Entmontage

Die Automaten der Bremer sind auch steuerungstechnisch (via Ethernet) integriert in einen Montageverbund, der weitere Aggregate anderer Zulieferer umfasst. Konkrete Qualitätsanforderungen des Kunden für das Schweißen: Die Laser beider Stationen müssen mit einer Genauigkeit von ±0,1 mm auf einer Kreisbahn zu verfahren und zu fokussieren sein, Bahnmittelpunkt und Durchmesser mit noch geringerer Toleranz reproduzierbar eingehalten werden. Außerdem sollten alle geometrischen Daten unter Berücksichtigung der mechanischen Grenzwerte an einem Bedienpanel eingestellt werden können.

Mit diesen Kernforderungen im Pflichtenheft hatte bwm sich an Siemens Bremen gewandt und die dortige Fachberatung hat in Zusammenarbeit mit der Applikationsentwicklung am Stammsitz in Nürnberg ein individuelles Automatisierungspaket geschnürt. Keine große Herausforderung sind die ›normalen‹ Steuerungsaufgaben gewesen, die sich durchgängig mit SPS-Controllern der Baureihe Simatic S7-300 mit der profibusfähigen Standard-CPU 317 2 DP realisieren ließen.

Kreisrund und konstant schnell per SPS

Für die darüber hinaus gehenden Anforderungen in puncto Motion Control mussten die Ingenieure erst eine technisch und wirtschaftlich optimale Lösung finden.

Die Kernfrage dabei war: Mit welchen Mitteln und welchem Aufwand lässt sich die geforderte Präzision für die Kreisbahn und vor allem eine konstante Verfahrgeschwindigkeit für den/die Laser realisieren? Zu klären war, ob dafür die seinerzeit neu eingeführte Simatic Technologie-CPU ›317T-2 DP‹ genutzt werden kann.

Motion Control im Paket

Diese neue Zentraleinheit baut auf der oben genannten Standard-CPU auf und integriert neben den üblichen SPS-Funktionen auch solche für Motion-Control- und Technologieaufgaben, so dass sich auf einem Controller auch anspruchsvolle Motion-Control-Aufgaben ohne zusätzliche Hardware, sprich kostengünstiger als bislang, umsetzen lassen. Die erweiterte Funktionalität stellt das Optionspaket ›Simatic S7-Technology‹ zur Verfügung, eine umfangreiche Bibliothek eigens für die Bewegungsführung entwickelter, PLCopen-konformer Funktionsbausteine. Das Softwarepaket umfasst aufeinander abgestimmte Bausteine für Aufgaben wie Getriebe- und Kurvengleichlauf, lagegeregeltes Positionieren (in den Betriebsarten absolut, relativ, additiv und überlagert), Fahren auf Festanschlag, Druckmarkenkorrektur über Messtaster sowie weg- oder zeitabhängiges Nockenschalten.

Applikationsentwickler Bernhard Brehm konnte die ursprünglich noch fehlenden Interpolationsmöglichkeiten allein mit diesen Bordmitteln der Technologie-CPU ›entwickeln‹. Ausschließlich durch geschicktes Kombinieren einer virtuellen Masterachse und zweier realer Gleichlaufachsen sowie (zwei sinusförmigen, um 90 Grad zueinander phasenverschobenen) Kurvenscheiben. Er hat die neu geschaffene Funktionalität in einen eigenen Baustein überführt, der sich vom Maschinenbauer oder Anwender einfach parametrieren und so sehr komfortabel nutzen lässt. Zur Eingabe der geometrischen Eck-daten, wie des Durchmessers der zu schweißenden Kreisbahn (8 bis 16 mm), der Teile-Drehzahl (20 bis 80 min-1) und eines Korrekturfaktors wurde unter dem Prozessvisualisierungssystem WinCC flexible auch ein einfaches Bedientemplate für das ›Multi Panel MP370 Touch‹ aus dem eigenen Haus entwickelt.

Engineering integriert, Handling vereinfacht

Die Projektierung und Programmierung von Steuerungs- und Antriebsteil der Technologie-CPU erfolgen in der vertrauten Simatic-Umgebung, was dem Anwender das Erlernen einer speziellen Motion-Control-Sprache erspart und den Einstieg erleichtert. Er kann die Bewegungsabläufe in den bekannten Simatic-Sprachen (KOP, FUP, AWL und allen anderen Engineering-Tools) programmieren und über Motion-Control-Funktionsaufrufe aus dem SPS-Anwenderprogramm heraus nutzen.

Intuitive Dialoge in der Programmiersprache Step7

Auch für die Konfiguration und Parametrierung der Antriebe gibt es neu entwickelte, intuitive Dialoge in der Programmiersprache ›Step7‹. Entscheidender Vorteil der SPS-Technik im allgemeinen sind die vielfältigen Diagnosemöglichkeiten, die mit dem oben erwähnten Optionspaket ›S7-Technology‹ um eine Steuertafel und ein Echtzeit-Trace erweitert wurden. Das verkürzt auf der einen Seite die Inbetriebnahme und Optimierung, im laufenden Betrieb lassen sich damit Fehler schneller lokalisieren und beheben, was die Verfügbarkeit hoch hält. Mit der anfänglichen Unterstützung des Ausrüsters konnte bwm die vielfältigen Möglichkeiten flexibler Bewegungsführung auch mehrerer gekoppelter Achsen am taktsynchron und äquidistant betriebenen Profibus DP voll ausschöpfen. Die Programmierer des Bremer Werks für Montagesysteme haben während der Projektierung und Inbetriebnahme so schnell gelernt und beherrschen die für sie neue Technologie-CPU mittlerweile virtuos. Programmierer Michael Müller von bwm: »Das Handling der neuen Motion-Control-Funktionsbausteine und der Technologie-CPU im allgemeinen ist so einfach wie das der bekannten Simatic-Pendants, so dass wir auch Service und Wartung dafür in eigener Regie leisten können.«

Auf Bewährtes gesetzt

»Um die Ersatzteilhaltung und auch die Wartung im laufenden Betrieb zu vereinfachen«, formuliert Matthias Becker, der Leiter der Elektrokonstruktion von bwm, »haben wir an unseren Montagezellen durchgängig in vielen Anwendungen bewährte Frequenzumrichter der Baureihe Simodrive sowie Servomotoren von Siemens eingesetzt.« An die integrierte Profibus-DP-(Drive)-Schnittstelle der Technologie-CPUs sind in diesem Fall bis zu zehn Antriebe angeschlossen, maximal können daran bis zu 32 DP-Slaves einzeln oder gekoppelt betrieben werden.

Auch zum Bedienen und Beobachten bevorzugt bwm Geräte aus dem Simatic-HMI-Spektrum. Insgesamt gibt es acht ›Multi Panel MP370 Touch‹ mit einer Bedienoberfläche unter dem Prozessvisualisierungssystem WinCC flexible; die kontinuierliche Anzeige von Messwerten in der Maschine ist über vier ›Touch Panel TP170A‹ realisiert. Und für Wartungs- und Einstellarbeiten sind zwei tragbare ›Mobile Panel MP177‹ im Einsatz, für deren optimale Nutzung und bestmögliche Zugänglichkeit der weitläufigen Anlage mehrere Anschlussboxen gesetzt wurden.

Die partnerschaftliche Zusammenarbeit und die offene Kommunikation zwischen Danfoss, bwm und Siemens haben zu einer zügigen Integration sämtlicher Montagezellen in die laufende Produktion ermöglicht.

Bei Danfoss ist man sowohl mit der Ausbringung als auch mit der Qualität der von bwm realisierten Montagesysteme rundum zufrieden. Insbesondere die mit der Technologie-CPU erzielte Bahngenauigkeit beim Laserschweißen von ±0,05 mm hat überzeugt, so dass weiteren Anwendungen der Simatic-Technologie-CPUs nach den Aussagen beider Projektpartner nichts im Weg steht.

Matthias Kißmer, Siemens Automation and Drives, Industrial Automation Systems

Erschienen in Ausgabe: 01/2006