Bei einer 11-Jahre-alten Tiefdrucklinie kommt es häufig zu Ausfällen im Registrierungssystem – wie kann man das ein für alle Mal beheben?
Das Unternehmen, für das ich arbeite, verfügt über eine Cerutti R960 Zehnfarben-Tiefdrucklinie, die seit etwa 11 Jahren in Betrieb ist. Die Linie ist mit einem Automec-Registrierungssystem ausgestattet, und nach jahrelangem Einsatz führt dieses System häufig zu Maschinenstillständen aufgrund von Kommunikationsfehlern während des Starts und der Produktion. Diese Probleme erhöhen nicht nur den Druckabfall, sondern beeinträchtigen auch die Produktqualität. In diesem Artikel analysiere ich die Ursachen für Kommunikationsausfälle im Registrierungssystem und fasse einige relevante Lösungen zusammen.
Prinzip der Registrierungssystemkommunikation
Das Kommunikationsdiagramm unseres Automec-Registrierungssystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Es nutzt eine vollständig integrierte Steuerungsplattform des deutschen Unternehmens Beckhoff, die einen PC und EtherCAT kombiniert. Der PC ist ein Beckhoff-Industriecomputer C6920-0050. EtherCAT integriert alle Automatisierungskomponenten, einschließlich IP67-zertifizierter EtherCAT-I/O, EtherCAT-Automatisierungssoftware und Servoantriebe, und dient als Feldbus für das Gesamtsystem. Die Kommunikation zwischen PC und EtherCAT-I/O erfolgt über den EK1100-Koppler, der das EtherCAT-Netzwerk mit den EtherCAT-I/O-Klemmen verbindet, um alle Betriebsfunktionen zu steuern, einschließlich der Bewegung von Druckfarbeinheiten, Datenaufzeichnung, Betrieb und Fernüberwachung. Die Systemkommunikation basiert auf der EtherCAT-Ringtopologie und bietet Leitungsredundanz, um den Normalbetrieb auch im Falle einer Unterbrechung sicherzustellen.
Abbildung 1 Kommunikationsübersicht über das Farbanpassungssystem
Dieses Design gewährleistet eine schnelle Einrichtung, da während der Konfiguration nur wenige Niederspannungskabel angeschlossen werden müssen. Sämtliche Systemüberwachungsaufgaben werden vom TwinCAT HMI-Tool übernommen, ohne dass Treiber oder andere Kommunikationsprotokolle erforderlich sind. Innerhalb des TwinCAT HMI-Tools werden Variablen als Programmlogik innerhalb derselben Software behandelt.
Fehleranalyse von Kommunikationsproblemen des Farbanpassungssystems
Das Oteme-Farbanpassungssystem verwendet einen Beckhoff-PC, der über CAT5 (Standard-Ethernet-Kabel der Kategorie 5) im Standard-100BASE-TX-Modus mit EtherCAT I/O kommuniziert. Dem EtherCAT-Buskoppler EK1100 folgen 59 EtherCAT-Klemmen und eine Busendklemme in Reihe. Der Buskoppler EK1100 wandelt Ethernet 100BaseTX-Telegramme in E-Bus-Signale zur Übertragung zwischen EtherCAT-Klemmenmodulen um. Im Wesentlichen handelt es sich beim E-Bus um EtherCAT, mit der Ausnahme, dass für die Übertragung Federklemmenkontakte auf der Rückwandplatine anstelle von Netzwerkkabeln verwendet werden. Das Konzept „ein Netzwerk bis zum Ende“ bedeutet, dass jedes I/O-Modul als EtherCAT-Slave fungiert. Jedes EtherCAT-Slave-Gerät verfügt über vier EtherCAT-Kommunikationsports: Port0 (A), Port1 (B), Port2 (C) und Port3 (D).
Die Modul-Slaves des Oteme-Sollwertsystems verfügen jedoch nur über zwei Kommunikationsanschlüsse, und der Signalfluss durch die Module von links nach rechts ist in Abbildung 2 dargestellt. Wenn ein EtherCAT-Frame einen Slave durchläuft, gelangt er über Port0 (A) in das Modul, durchläuft dann die EtherCAT-Verarbeitungseinheit und verlässt das Slave-Modul über Port1 (B). Tritt während des Vorgangs ein Kommunikationsproblem auf, sperrt das Vorgänger-EtherCAT-Modul des fehlerhaften Moduls automatisch seinen Port1, wodurch das EtherCAT-Telegramm zurückkommt.
Abbildung 2: EtherCAT-Nachrichtenrückgabe, wenn die Kommunikation fehlschlägt
Jedes EtherCAT-I/O-Modul verfügt über sechs Federkontakte. Da die Module in Reihe geschaltet sind, kommunizieren sie über den E-Bus über diese sechs Kontakte miteinander. Schließlich werden die Daten über die Kontakte jedes Moduls an den Koppler übertragen. Im aktuellen System ist ein Kopplermodul mit 60 in Reihe geschalteten I/O-Modulen hinterlegt. Aufgrund der Modulalterung wird der Kontaktwiderstand zu hoch oder die Eingangssignalspannung ist zu niedrig, was dazu führt, dass der Eingangsstrom nicht ausreicht, um die Eingangsschnittstellenschaltung der SPS anzusteuern, was zu Kommunikationsfehlern führt.
Fehlerbehebung bei Kommunikationsproblemen im Farbregistrierungssystem
(1) Wenn ein Kommunikationsfehler auftritt, kehrt das Signal vom vorherigen Modul zurück und das EtherCAT-Diagnosesystem zeigt das Modul an, bei dem der Fehler beginnt. Manchmal kann die Kommunikation vorübergehend wiederhergestellt werden, indem das fehlerhafte Modul abgezogen und erneut angeschlossen wird, die Kontakte des Moduls gereinigt werden, um Oxidation zu entfernen, oder das Modul ausgetauscht wird. Dies ist jedoch nur eine vorübergehende Lösung und es kann nach einiger Zeit erneut zu Kommunikationsproblemen kommen.
(2) Die Umstrukturierung der vorhandenen E/A-Module erfordert die Änderung des ursprünglichen 1-Master-1-Slave-Kommunikationsaufbaus in einen 1-Master-4-Slave-Aufbau (siehe Abbildung 3). Dazu gehört das Hinzufügen von drei weiteren EK1100-Kopplern, der Austausch der bisherigen drei Leistungsmodule EL9001 in der SPS durch Koppler-EK1100-Module mit integrierter Leistung sowie die Reihenschaltung der vier Koppler. Jeder Koppler verwaltet 15 I/O-Module, was den Signalrückweg für die nachgeschalteten Module erheblich verkürzt, die Kommunikationszuverlässigkeit zwischen Modulen verbessert und die Datenredundanz erhöht. Diese Methode wurde bei der Erneuerung unseres Farbregistrierungssystems getestet und seit fast einem Jahr gab es keine Kommunikationsfehler im System.
Abbildung 3 Aktuelle Netzwerktopologie und aktualisierte Netzwerktopologie
Dieser Artikel untersucht und analysiert die Kommunikationsprinzipien des Oerlikon-Farbregistrierungssystems, untersucht die Ursachen von Kommunikationsfehlern im System und fasst die Lösungen zusammen. Letztendlich wurden die Kommunikationsprobleme des Farbregistrierungssystems gelöst, wodurch die Auswirkungen auf die Produktion, die durch Kommunikationsprobleme im Farbregistrierungssystem der Anlage verursacht wurden, reduziert und die Effizienz der Anlage deutlich verbessert wurde. Kollegen mit ähnlicher Ausstattung können sich auf diesen Ansatz berufen.