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Prozesstechnik mit PC-SPS und Ethercat

01  Die Dimensionen des von Aixcon entwickelten „Netzteils“ sind beachtlich: Insgesamt drei Schaltschrankfelder

02  Überblick über die Hardwarearchitektur

Aixcon Powersystems ist Spezialist für Regelungstechnik in der Leistungselek­tronik. Seit der Gründung des Unternehmens im Jahr 1994 beschäftigen sich die Aixcon -Ingenieure mit der Entwicklung leistungsfähiger Stromversorgungen für Schweißanlagen zur Metallbearbeitung oder für die Mikrowellentechnik in der Halbleiterindustrie. Eine Optimierung der Prozesse gelang mit PC-Steuerungen und Ethercat.

Das aktuelle Projekt von Aixcon Powersystems, eine Stromversorgung für einen Hotstretcher zu entwickeln und zu fertigen, war in jeder Hinsicht eine Herausforderung. Ein Hotstretcher ist eine Anlage, in der Titanprofile unter Einwirkung von Hitze bearbeitet und verformt werden, ­ohne dass deren Materialeigenschaften beeinträchtigt werden. ­Dazu werden die Profile in den Hotstretcher ein­gespannt und unter Einhaltung einer definierten Temperatur­kurve erhitzt, verformt und abgekühlt. Die Vorgaben ­müssen genau eingehalten werden, da sonst die Eigenschaften des ­Titans, wie Festigkeit, Stärke und Dehnbarkeit, verloren ­gehen.
Die Erwärmung des Materials in einem Hotstretcher nach definierten Profilen erfolgt mithilfe von Strom. Um ein Titanprofil von circa 4 m Länge und einem Querschnitt von circa 50 cm 2 in 60 s auf 620 °C zu erhitzen, werden etwa 17.320 A benötigt. Die Aufgabe von Aixcon war es, diese Stromquelle zu entwickeln und zu fertigen. Die Dimensionen dieses „Netzteils“ sind beachtlich: Insgesamt drei Schaltschrank­felder liefern zusammen maximal 30.000 A (Bild 1). Jedes Feld verfügt über insgesamt zehn Leistungsteile mit jeweils einem eigenen Controller und Gleichrichter für drei Leistungstransistoren à 333 A. Eingespeist werden 480/400 A dreiphasig.

Automatisierungs- und Bedienkonzept
An die Automatisierung und Bedienung dieser Anlage werden vielschichtige Anforderungen gestellt:

  • Erstellung, Parametrierung und Archivierung der ­Rezepte (Stromkurven) in einer Datenbank,
  • Archivierung der realen Prozessdaten (Qualitätsnachweis),
  • Sollwertgenerierung für die Controller der Stromquellen,
  • Echtzeitübertragung der Sollwerte von der SPS zu den Controllern,
  • schnelle Online-Visualisierung des Prozesses sowie eine
  • plattformunabhängige Visualisierung der Prozess- und Produktionsdaten für iPad und iPhone.

Gelöst und umgesetzt werden diese Anforderungen mit einem innovativen Automatisierungs- und Bedienkonzept, basierend auf folgenden Komponenten (Bild 2): Datenbank­server, Twincat-SPS auf dem Industrie PC C6920, Ethercat und Ethercat-IO-Klemmen zur Übertragung der Sollwerte und der restlichen Prozessdaten, Panel PC CP6202 mit CP Link 3 zur Darstellung der Online-Prozessinformationen an der Maschine sowie einem Webserver für Datenbankserver und Twincat-PLC-Server. Die webbasierte, plattform­unabhängige Visualisierung wurde mit Java-Script erstellt.
Die Twincat-SPS generiert aus den auf dem Datenbankserver vorliegenden Rezepten die Sollwerte für den Prozess. Deren Übertragung an die Aixcon -Controllerplatinen sowie die Erfassung der zur Anlagensteuerung und -überwachung relevanten Signale, wie Temperaturen und Stati, erfolgen via Ethercat. Pro Feld ist dafür eine Ethercat-IO-Station installiert. Die Online-Visualisierung des gesamten ­Prozesses geschieht direkt an der Anlage über einen CP-Link-3-Client. Diese Technologie ersetzt die bisher gebräuchliche Bildübertragung via DVI durch eine störsichere, einfach zu installierende und preisgünstige Ethernet-Leitung und bietet darüber hinaus optionale Eigenschaften. Beispielsweise können insgesamt bis zu neun Clients mit unterschiedlichen Auf­lösungen, Displaygrößen und Inhalten angeschlossen werden. Am Hotstretcher wird die CP-Link-3-Technologie genutzt, um am anderen Ende der weitläufigen Maschine ein weiteres Panel für spezielle Diagnosezwecke platzieren zu können.

Auf dem Datenbankserver werden die Rezepte für Strom- und Temperaturkurven und Profiltypen verwaltet. Ebenso werden hier relevante Prozess- und Produktionsdaten archiviert und aufbereitet. Die gesamte Bedienung der Anlage ist webbasiert. Dadurch ist sie plattformunabhängig und kann auf einem Windows-PC, Linux, Apple, iPad und iPhone eingesetzt werden.
Das Herzstück der Prozessteuerung bilden die Datenbank und die Twincat-SPS. Auch diese Kommunikation basiert, wie die Visualisierung, auf Java Script; die hierfür erforderlichen Komponenten sind die jeweiligen Webserver sowie die Script-DLL. Im Falle der Twincat-SPS sind das der in Windows integrierte Internet Information Server (IIS) sowie die ADS-Script-DLL für den Zugriff auf die Twincat-SPS-Variablen.
Das Hauptbedienpanel ist ein direkt an der Anlage installierter Panel-PC CP6202 mit Windows-Betriebssystem. Da heute jeder Browser Java unterstützt, ist keine weitere Software mehr erforderlich. So kann der im Betriebssystem integrierte Browser als Framework zur Visualisierung genutzt werden. Das Bedienterminal ist über CP-Link 3 , via Ethernet, direkt mit der Twincat-SPS verbunden und dient damit vor allem der schnellen Online-Visualisierung von Prozessdaten. Darüber hinaus hat der hierfür autorisierte Bediener auch Zugriff auf die Datenbank bzw. die Rezepte. Vom Datenbankserver aus können qualitätsrelevante Daten archiviert oder kann auf die Diagnosedatenbank zugegriffen werden.
Mobile Geräte, wie iPad, iPhone oder auch entfernte Client-PC, werden via VPN durch das Internet geroutet. Sie greifen per Java-Script direkt auf den Webserver des Datenbankrechners zu und lassen sich die gewünschten Daten anzeigen. Analog zum Zugriff der Anlagensteuerung auf die Datenbank, funktioniert auch der umgekehrte Weg: So kann der Produktionsleiter nicht nur die auf der Datenbank gespeicherten Produktionsdaten anschauen, sondern auch aktuelle Prozesswerte, wie Ströme, Temperaturen oder Diagnosedaten, zum Beispiel auf einem iPad visualisieren.

Gesteigerter Wirkungsgrad sorgt für Einsparpotenzial
„Die von uns entwickelte Stromquelle setzt Maßstäbe in Sachen Leistungsfähigkeit, Regelbarkeit und Energieeffi­zienz“, so Aixcon -Geschäftsführer Karl Swiontek (Bild 3). „Beispielswiese konnten wir den Wirkungsgrad von circa 60 % der bisher verwendeten einphasigen Wechselstromquelle auf 98 % steigern. Das nützt nicht nur der Umwelt, sondern bietet auch echtes Einsparpotenzial. Die PC-­basierte Steuerungstechnik von Beckhoff hilft uns seit Jahren bei der Umsetzung solcher Projekte mit vielen individuellen Anforderungen. Mit leistungsfähigen Steuerungen und Highspeed-Ethercat sind wir in der Lage, eine optimierte Regelungs- und Prozesstechnik zu entwickeln und umzusetzen. Die Vielzahl der verfügbaren IO Schnittstellen machen das System wirklich offen und haben uns so zum Beispiel die Entwicklung einer plattform- und herstellerunabhängigen Bedienung ermöglicht, die von unserem Endkunden begeistert angenommen wurde.“ (mh)

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Autor: Ralf Stachelhaus ist Leiter der Beckhoff-Niederlassung Rhein-Ruhr.