Präzise und hocheffizient: PC-basierte Steuerungstechnik für die Druckindustrie

Offen, flexibel, skalierbar: mit PC-based Control steigern Sie die Produktivität und Flexibilität Ihrer Druckmaschine

PC-based Control ist die universelle Steuerungslösung für alle Anwendungen der Druckindustrie, vom Digitaldruck bis zum 3D-Druck. Die Flexibilität und Skalierbarkeit sowie die hohe Integrationsfähigkeit der PC- und EtherCAT-basierten Automatisierungsplattform von Beckhoff bilden die Grundlage zur durchgängigen Steuerung der gesamten Prozesskette: von der digitalen Bilderstellung bis zur Inspektion des fertigen Druckerzeugnisses. Durch Unterstützung standardisierter Schnittstellen, wie z. B. OPC UA, lässt sich die Maschinensteuerung problemlos in jede Produktionsumgebung einbinden, sodass sich der Integrationsaufwand auf ein Minimum reduziert. Besonders in Hinblick auf kurze Bearbeitungszeiten und kleine Auflagenhöhen, bis hin zum personalisierten Druckerzeugnis in Losgröße eins, sorgt PC-based Control für die optimale Lösung. Da alle Steuerungsfunktionen in Software abgebildet sind, erfordern Produktionsänderungen kein langwieriges Umrüsten der Maschine. Die Grundlage für PC-based Control bilden natürlich die Beckhoff Industrie- und Embedded-PCs, welche durch ihre Skalierbarkeit ein optimales Preis-Leistungsverhältnis bieten. Die umfangreiche Produktpalette an Industrie-PCs deckt das gesamte Leistungsspektrum ab: von der Steuerung des kleinsten 3D-Druckers, über Wickel- und Abwickelstationen bis hin zur kompletten Druckmaschine.

Die Vorteile von PC-based Control liegen klar auf der Hand:

• Integration der Maschinen in den kompletten Druckprozess durch standardisierte Schnittstellen
• Nutzung von bewährten und etablierten Betriebssystemen
• Alle Systemdaten des Druckprozesses stehen frei zur Verfügung.
• keine Insellösung − sondern problemlose Integration der Steuerung in die IT-Landschaften

EtherCAT als Kommunikationsstandard in der Druckindustrie

Als weltweit anerkannter, etablierter und vor allen Dingen extrem leistungsfähiger Systembus überzeugt EtherCAT in der Druckindustrie mit vielen Vorteilen. Von Beckhoff im Jahre 2003 auf den Markt gebracht und als offener Standard der Automatisierungstechnik zur Verfügung gestellt, haben sich bis heute über 6.000 Mitglieder in der EtherCAT-Nutzerorganisation ETG zusammengeschlossen.

Sie alle setzen auf den Kommunikationsstandard EtherCAT - sei es als Gerätehersteller, die EtherCAT in ihre Produkte, wie z. B. Antriebsverstärker, einbauen, sei es als Nutzer, die EtherCAT als Standard in ihrer Druckmaschine vorschreiben und von ihren Maschinenlieferanten fordern. Druckmaschinenhersteller ebenso wie Endkunden profitieren von einer unglaublich hohen Produktvielfalt EtherCAT-basierter Geräte am Markt: Eine Bindung an einen spezifischen Antriebshersteller oder an ein proprietäres Protokoll gehören damit der Vergangenheit an. Vielmehr besteht völlige Freiheit und Kontrolle über die eingesetzten Komponenten und damit ein Höchstmaß an Investitionssicherheit.

EtherCAT vereint die Feldbuskommunikation für IOs, die sichere Kommunikation für TwinSAFE und natürlich die Antriebskommunikation in einem System. Durch höchste Synchronisierungsgenauigkeit, kombiniert mit Zykluszeiten unter 1 ms, sichert EtherCAT eine maximale Maschinenperformance und somit größtmögliche Effizienz. Die in Kombination mit der XFC-Technologie zu erreichende Druckgenauigkeit sorgt auch in hoch performanten Anwendungen für ein exaktes Druckbild.

EtherCAT optimiert die Steuerungsarchitektur in der Druckindustrie:

• weltweit etablierter Highspeed-Feldbus
• nur eine Kommunikationstechnologie für die gesamte Druckmaschine
• flexible Topologien
• lückenlose Diagnose
• hochpräzise Synchronisierung aller Prozesse dank eXtrem Fast Control
• Nachgewiesene Versionsstabilität bietet höchstmöglichen Investitionsschutz.

Vielfältige Achsen spielend bewältigen und platzsparend unterbringen

Kaum eine Maschine verfügt über so viele verschiedene Achsen wie eine Druckmaschine – ganz gleich, ob es sich um den klassischen Offsetdruck oder um Anwendungen im Digitaldruck handelt. 100 rotierende, stellende oder auch hebende Achsen sind keine Seltenheit. Deswegen ist es nicht verwunderlich, dass dezentrale und schaltschranklose Antriebskonzepte, wie Beckhoff sie realisiert, einen Siegeszug in der Druckindustrie feiern. Sie eröffnen gewaltige Vorteile hinsichtlich Platzeinsparung und Kostenreduktion − und zwar sowohl bei der Erstinstallation als auch bei der Wartung und Instandhaltung. Die von Beckhoff auf den Markt gebrachten, dezentralen Servoantriebe kombinieren Motor und Antriebsverstärker in kompakter Bauform in einem Gehäuse. Mithilfe des Standards EtherCAT P wird das dezentrale Servoantriebssystem über ein Kabel mit Leistung und Daten versorgt und damit Einbauraum im Schaltschrank eingespart; bei Einsatz eines Versorgungsmoduls lässt sich das gesamte System direkt an die Maschine verlagern. Hochdynamische Papierbahnregelungen können damit genauso umgesetzt werden wie stellende, schnell taktende Vorgänge an Druckköpfen oder aber komplexe Wickelapplikationen. Natürlich spielen die dezentralen Antriebe auch in allen 3D-Druck-Applikationen, z. B. in Kombination mit der TwinCAT CNC, ihre Stärken aus.

Die Vorteile sind klar ersichtlich:

• Reduzierung des Platzbedarfs im Schaltschrank
• Reduzierung der Kosten für Schaltschränke
• keine zusätzlichen Safety-Komponenten erforderlich durch integrierte TwinSAFE-Funktionalität
• schnelle und effiziente Installation durch standardisierte Leitungen und Steckertypen
• flexible Topologie
• extrem kompakte, platzsparende Bauform

Optimiert die M2M-Kommunikation: TwinCAT Connectivity

Leitmotiv der PC-based-Control-Philosophie ist ihre Offenheit. Mit einer Vielzahl an Softwarefunktionen unterstützt TwinCAT Connectivity nahezu alle gängigen Feldbussysteme, wie PROFINET, TCP/IP, Ethernet/IP, sodass die verschiedenen Maschinenmodulen einer Druckapplikation optimal miteinander kommunizieren können. Auf diese Weise lassen sich alle Prozessstufen innerhalb der Fertigung, von der Bildgenerierung über den Druckprozess bis zur Qualitätskontrolle, integrieren. Gleichzeitig ermöglicht TwinCAT Connectivity eine durchgängige Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud, in ERP-Systeme oder andere IT-Strukturen auf Basis standardisierter IoT-Protokolle und OPC UA. Damit bildet TwinCAT die Grundlage einer transparenten Datenverfolgung, integriert in beliebige Netzwerkstrukturen.

Dabei ist die Erstellung von Datenbanken genauso einfach handhabbar wie die Anbindung Ihres 3D-Druckers an beliebige Cloudsysteme mittels MQTT oder auch die Nutzung von http/HTTPS-Kommunikation. Die verschiedenen Softwarefunktionen der TwinCAT-Connectivity-Bibliothek bieten hier unglaubliche Freiheitsgrade. Sie ermöglicht die nahtlose Datenkommunikation innerhalb der Maschine sowie die Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud über standardisierte Protokolle.

Die Vorteile von TwinCAT Connectivity:

• nahtlose M2M-Kommunikation auf Basis standardisierter Protokolle wie OPC UA, EtherCAT, Modbus, TCP/IP, PROFINET und viele mehr
• ermöglicht die durchgängige Kommunikation vom Sensor bis zur Cloud auf Basis von MQTT, AMQP, http/Rest und auch OPC-UA
• einfache Integration von Datenbankensystemen wie z. B. XML, CSV, No-SQL und SQL

Schaltschranklose Automatisierung mit dem MX-System

Das MX-System ermöglicht erstmals vollständig schaltschranklose Automatisierungslösungen im Maschinen- und Anlagenbau. Der aus einem Baukasten entstehende Verbund aus Baseplate und Funktionsmodulen vereint alle Aufgaben und Eigenschaften eines Schaltschrankes: Energieeinspeisung, -absicherung und -verteilung, Erzeugung und Überwachung von Hilfsspannungen, Ablaufsteuerung mit den Ein- und Ausgängen, Ansteuerung von Motoren und Aktuatoren sowie die Anschlussebene für die Feldgeräte. Die vollumfängliche Systemintegration aller Maschinenfunktionalitäten erfolgt über frei wählbare IPC-, Koppler-, I/O-, Drive-, Relais- und Systemmodule, die applikationsspezifisch konfiguriert und kombiniert werden können.

Der durchgehend systemische Ansatz ganzheitlich aufeinander abgestimmter und nach internationalen Standards zertifizierter Baugruppen verringert die Aufwände für Planung, Zusammenbau, Maschineninstallation sowie Instandhaltung enorm. Da erheblich weniger Komponenten als im klassischen Schaltschrankbau zur Realisierung der gleichen Anforderungen benötigt werden, wird das gesamte MX-System im Vergleich zu bisherigen Lösungen deutlich kompakter. Der Anlagen-Footprint wird reduziert, zudem erhöhen sich Anlagenverfügbarkeit und -flexibilität. In jeder Phase des Lebenszyklus einer Steuerungsanlage bietet das MX-System deutliche Vorteile gegenüber dem klassischen Schaltschrank.

Die Vorteile des MX-Systems für die Druckindustrie auf einen Blick:

• modular: vom Primer bis zum Finishing-Prozess
• exakt skalierbar: vom 3D-Druck bis zum Großformat
• IP67-Schutzart für Einsatz in anspruchsvollen Umgebungsbedingungen
• kompakte Bauweise
• hohe Signalvielfalt: vom einfachen I/O-Sensor bis zur GigE-Kamera

TwinCAT Vision integriert die Bildverarbeitung nahtlos in die Automatisierungsplattform

Durch die Integration der Bildverarbeitung in die Beckhoff Automatisierungssoftware werden essentielle Funktionen vereint. Die klassische Trennung zwischen bildverarbeitenden Experten und SPS-Programmieren wird aufgehoben und somit bleibt das Know-how für die Bildverarbeitung beim Maschinenbauer. Darüber hinaus können SPS und Bildverarbeitung in einem Tool komfortabel konfiguriert und programmiert werden.

Mit TwinCAT Vision werden die Bildverarbeitungsalgorithmen in der Echtzeit abgearbeitet und vollständig synchronisiert; Kommunikationsverzögerungen werden somit kompensiert bzw. eliminiert, was zu einer deutlichen Prozessoptimierung führt. Hier zeigt sich der enorme Qualitätsvorsprung der systemintegrierten Bildverarbeitung gegenüber herkömmlichen Vision-Lösungen: Ganz gleich, ob es sich um die Bahnkantenregelung oder die Druckkontrolle handelt, alle Funktionen sind in einem System integriert.

Bisher war es kaum möglich, die Bildinformationen einer in der Druckmaschine integrierten Kamera ohne den Einsatz aufwendiger, zusätzliche Hardware mit den Antriebs- bzw. Positionsinformationen zu synchronisieren. Dies gehört mit einer systemintegrierten Bildverarbeitungslösung der Vergangenheit an. Betrachtet man die Kamera wie einen weiteren Sensor im System, so können mittels EtherCAT sowohl Auslöse- als auch Bildaufnahmezeitpunkt mit den Positionsinformationen eines zu bedruckenden Mediums synchronisiert werden. Damit lassen sich über entsprechende Markierungen auf den Druckbahnen komfortabel und schnell die Geschwindigkeiten oder etwaige Schlupfvorgänge überwachen.

Vorteile der nahtlosen Integration von Echtzeit-Bildverarbeitung:

• Neuartige Maschinenkonzepte: Die nahtlose Integration von TwinCAT Vision in die klassische Steuerungswelt reduziert bisherige Schnittstellen und ermöglicht die Realisierung einer Gesamtsteuerung, wodurch gänzlich neue Maschinenkonzepte mit erhöhter Performance möglich sind.
• Erhöhte Produktionseffizienz: Hochpräzise Echtzeit-Vermessung sowie eine optische Inspektion sichern die Prozessqualität des Druckprozesses.
• Know-how-Schutz durch Funktionsverschmelzung: Die klassische Trennung zwischen bildverarbeitenden Experten und SPS-Programmieren wird aufgehoben, wodurch das Know-how für die Bildverarbeitung beim Maschinenbauer verbleibt.

Der C60xx punktet durch skalierbare Leistung und ultrakompakte Bauform

Die ultrakompakten Industrie-PCs der Serie C60xx sind universell in jeder Druckanwendung für Automatisierungs-, Visualisierungs- und Kommunikationsaufgaben einsetzbar. Die Produkt-Familie besteht aus fünf Geräten mit skalierbarer Prozessorleistung von Intel^®-Atom^™-1-Kern-CPUs bis zu Intel^®-Core i7-Prozessoren mit acht Kernen. So lässt sich die Steuerungsplattform für das jeweilige Anforderungsprofil exakt skalieren.

• Der C6015 sowie der C6017 sind ausgestattet mit einer Intel^®-Atom^™-CPU, mit bis zu vier Kernen mit je 1,91 GHz. Die geringen Abmessungen von 82 x 82 x 40 mm bzw. 82 x 82 x 66 mm und die flexiblen Montagemöglichkeiten machen die lüfterlosen Multi-Core-PCs daher zu idealen Steuerungen für kompakte Druck-Anwendungen bei minimalem Einbauraum wie beispielsweise im 3D-Druck. Weiterhin eignen sich beide PCs ideal für den Einsatz als Edge-Device zur Realisierung von Industrie-4.0-Szenarien. Die Datensammlung, erste Datenverarbeitung und der Datenweitertransport an übergeordnete IT-Strukturen können durch die extrem platzsparenden PCs übernommen werden. Dies ermöglicht die Gestaltung neuer digitalisierter Prozesse und erleichtert die Gestaltung neuer datengetriebener Dienstleistungen. Der C6017 erweitert den Funktionsumfang des C6015 durch weitere Schnittstellen (bis zu 2 x RJ45, 2 x USB 2.0) sowie eine optionale 1-Sekunden-USV.
• Der C6025 eignet sich als Steuerungsplattform für anspruchsvolle Anwendungen. Die Grundlage dafür bilden die leistungsstarken Prozessoren der Intel^® Core-i-U-Serie; durch ihre geringe Energieaufnahme ist trotz hoher Rechenleistung ein lüfterloser Aufbau möglich. Somit unterstützt der C6025 trotz hoher Rechenlast den Green-IT-Aspekt innerhalb des Maschinenparks.
• Mit dem C6030 stehen Vorteile, wie geringer Platzbedarf, universelle Einsetzbarkeit sowie flexible Montage auch für komplexe Applikationen mit höchsten Leistungsanforderungen zur Verfügung.
• Der C6032 verfügt über eine weitere Platinen-Ebene für modulare Schnittstellen- und Funktionserweiterungen. Durch die Verwendung von kompakten PCIe-Modulen lässt er sich perfekt an die jeweilige Druckanwendung anpassen.

Die Vorteile der C60xx-Serie auf einen Blick:

• universelle Steuerung für jede Anwendung: vom Edge-Device bis zu klassischen Maschinensteuerung
• ultrakompakte und skalierbare Steuerungen: von der Intel^®-Atom-CPU- bis zu Core-i-U-Many-Core-Leistung
• optionale Erweiterung von Schnittstellen und USV-Funktionalitäten

TwinCAT, die durchgängige Softwareplattform für Engineering und Runtime

Mit der modularen und skalierbaren Steuerungssoftware TwinCAT integriert Beckhoff bedarfsgerecht sämtliche Engineering- und Runtime-Prozesse auf einer zentralen Softwareplattform. Die TwinCAT-Integration in Microsoft Visual Studio bietet dem Entwickler die optimale Infrastruktur, um TwinCAT mit den bestehenden Tool-Landschaften zu verknüpfen, und somit den Engineering-Prozess, beispielsweise durch automatische Code-Generierung, optimal und effizient zu unterstützen.

Offene Schnittstellen unterstützen die Integration in bestehende Visualisierungs-, Leit- und Datenbanksysteme und ermöglichen somit auch eine schrittweise Umstellung bestehender Maschinen. Mit der IEC 61131-3, inklusive der objektorientierten Erweiterungen, C/C++, MATLAB^® und Simulink^® stehen die wichtigsten Programmiersprachen für Echtzeitanwendungen frei zur Verfügung. Ein umfangreicher Baukasten an Funktionsmodulen und Werkzeugen erleichtert die Erstellung auch komplexer Applikationen. Von den Simulationen und der Inbetriebnahme der Maschine bis zu den klassischen SPS-, Motion- und Safety-Anwendungen unterstützt TwinCAT auch bei der Datenanalyse, Datenkommunikation und der Visualisierung.

Zusätzlich vereint TwinCAT die Echtzeit-Bildverarbeitung mit der klassischen Maschinenautomatisierung, wodurch Druckprozesse optimiert werden; ganz gleich, ob es sich um die Bahnkantenregelung oder die Druckkontrolle handelt. Mittels dem Feldbus EtherCAT und der Automatisierungssuite TwinCAT können die Bildinformationen der Kamerasysteme mit den Positionsinformationen der Antriebssysteme exakt synchronisiert werden, wodurch präzise Druckbilder einfacher und komfortabler entstehen.

Die Vorteile von TwinCAT auf einen Blick:

• nur eine Software für die gesamte Programmierung und Konfiguration: von klassischen SPS-Anwendungen über Sicherheitsapplikation, die Bildverarbeitung bis zur Datenkommunikation in die Cloud oder die Erstellung der HMI
• TwinCAT ist in die Visual-Studio-Systemlandschaft integriert und bietet damit die notwendige Offenheit zur Integration in sämtliche Toollandschaften.
• Freiheitsgrade bei der Wahl der Programmiersprache: Von der IEC 61131-3 über C/C++ bis zur Verarbeitung von MATLAB^® und Simulink^®, wird alles in Echtzeit verarbeitet.
• aktive Unterstützung von Multi-Core- und 64-Bit-Systemen auch für komplexe Maschinen

AX8000 bringt Ihre gewünschte Multiachs-Konfiguration kompakt in jeden Schaltschrank

Mit dem modularen Multiachs-Servosystem lassen sich ein- und mehrkanalige Antriebslösungen optimal aufbauen. An das zentrale Einspeisemodul werden − ganz nach Anforderungsprofil − die Achsmodule angereiht. Wickelapplikationen können ebenso umgesetzt werden wie kontinuierliche, rotierende Bewegungen installierter Druckzylinder. Schnelle Installation und minimale Installationskosten werden durch die One Cable Technology (OCT) von Beckhoff mit dem AX8000 optimal unterstützt.

Durch die Unterstützung der Oversampling-Technologie können die Prozessdaten bei Bedarf sogar mehrmals innerhalb eines Kommunikationszyklus abgetastet und über EtherCAT an die Steuerung übertragen werden, sodass selbst hochpräzise Motion-Applikationen keine Herausforderungen darstellen. Natürlich lässt sich das AX8000 System nahtlos in TwinCAT und TwinCAT CNC integrieren und somit können selbst komplexeste Achskombination geregelt werden.

Die Vorteile auf einen Blick:

• kompaktes und modulares Multi-Achssystem individuell adaptierbar an die jeweilige Druckanwendung
• Unterstützung sämtlicher Infrastrukturkomponenten: Kondensatormodul und Energierückspeisung
• einfache Verkabelung dank OCT
• Unterstützung von hochaufgelösten Prozessdaten dank Oversampling-Technologie

Many-Core Control: Server-Rechenleistung mit Intel^®-Xeon^®-D-Prozessoren

Mit den Embedded-PCs der Serie CX20x2 bietet Beckhoff skalierbare Many-Core-Rechenleistung für die Hutschienenmontage. Diese Leistungsklasse nutzt Intel^®-Xeon^®-D-Prozessoren mit vier, acht und zwölf CPU-Kernen und ermöglicht äußerst leistungsfähige Steuerungen in kompakter Bauform. Ausgestattet mit bis zu 32-GB-Arbeitsspeicher sorgt zusätzlich eine dezidierte Grafikkarte mit separatem 2-GB-RAM-Speicher für eine weitere Leistungssteigerung bei hoch komplexen Druckanwendungen.

Die Embedded-Controller CX20x2 bauen auf dem modularen Konzept der Serie CX2000 auf und verfügen über eine große Anzahl an Schnittstellen: Eine ab Werk belegbare Multi-Options-Schnittstelle für verschiedene Feldbussysteme sowie ein auf PCI-Express basierender Erweiterungsbus ermöglichen die Integration zusätzlicher Druck-Peripherien, wie Scanner- und Kamerasysteme.

Damit eignen sich die Many-Core-Embedded-PCs vor allem für komplexe Druckmaschinen mit vielen Maschinenmodulen und rechenintensiven Prozessschritten. Das Verteilen der Steuerungsprozesse auf die jeweiligen CPU-Kerne wird optimal durch die Automatisierungssoftware TwinCAT 3 unterstützt, und erlaubt eine feingranular projektierte Rechenlast. Somit können beispielweise die komplexen Motion-Anwendungen der Wickelprozesse oder der Druckkopfbewegungen von den rechenintensiven Bildverarbeitungsanwendungen einer möglichen Qualitätskontrolle getrennt werden, um eine Leistungssteigerung der Maschine zu ermöglichen.

Many-Core-Leistung auf der Hutschiene − Ihre Vorteile:

• skalierbare Leistung: von 4 Kernen @ 1,3 GHz bis zu 12 Kernen @ 1,5 GHz
• Multi-Core-Unterstützung zur Leistungssteigerung Ihrer Druckprozesse
• Dezidierte Grafikkarten: die Separation von CPU-RAM und GPU-RAM vermeidet hemmende Einflüsse.
• Erweiterung verschiedener PCIe-Schnittstellen, wie z. B. USB, Gbit-Ethernet, RS232 zur Integration von Peripherie-Geräten, wie Kameras, Laser-Scanner, etc.
• Ab-Werk-Integration von Slave- und Master-Feldbusschnittstellen, bspw. für PROFINET oder Ethernet IP, zur Integration von Fremdsystemen.

Integration der präzisen Messwerterfassung in die Steuerung

Schnelle und sichere Erfassung der Bahnspannung? Kontinuierliche und hochpräzise Regelung? Feuchte und staubige Umgebung? Für die EtherCAT Box EP3356-0022 mit Auswertungsmöglichkeit für Kraftmesswalzen und Standard-DMS-Messzellen stellt dies alles kein Problem dar. Ausgeführt in Schutzart IP67 lässt sich die EP3356, in Kombination mit entsprechenden Sensoren, in einer Walze zur Erfassung und anschließenden Regelung der Bahnspannung in einer Druckmaschine nutzen. Hochpräzise Signalauswertung und eine unterstützte Abtastrate von bis zu 100 µs, kombiniert mit robuster Bauweise zur Montage direkt an der Maschine, erlauben eine schnelle und langlebige Messung ohne großen Aufwand. Die Erhaltung der Bahnspannung ist beim Digitaldruck genauso wichtig wie beim Offsetdruck, da geringste Abweichungen zu Fehldrucken führen und das Druckergebnis nachhaltig beeinflussen.

Mit EtherCAT bis in die Klemme bzw. Box wird die EP3356 − genauso wie jedes andere Beckhoff EP-Modul − einfach in das I/O-System eingebunden, sodass alle Mess- und Diagnosewerte zu 100 % zur Verfügung stehen. Die einfache Installation, schnelle Inbetriebnahme, zuverlässige Technologie und präzise Messwerterfassung sind eindeutige Faktoren für Ihren Erfolg.

• kompakte und robuste Messwerterfassung für die Bahnspannung
• 24-Bit-Auflösung
• 2 Messkanäle in einer Box
• alternativ auch als EL3356 für den Schaltschrank erhältlich