Wie man die richtige SPS für eine Verpackungsmaschine auswählt

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Viele Ingenieure reservieren bei Maschinen, die voraussichtlich geändert werden, zusätzliche E/A- und Bedienfeldkapazitäten von ca. 151 bis 251 TPS. Dies ist eine praxisorientierte Auslegungsreserve und keine allgemeingültige Herstellervorgabe. Die angemessene Reserve hängt davon ab, ob die Maschinenkonstruktion finalisiert ist, ob kundenspezifische Optionen hinzugefügt werden und wie aufwendig zukünftige Erweiterungen wären.

Erweiterung auf drei Ebenen prüfen:

1. Unterstützt die CPU genügend lokale und entfernte E/A-Module?
2. Können das Netzteil und der Systembus die vorgeschlagenen Module unterstützen?
3. Ist ausreichend Platz für DIN-Schienen, Klemmen, Kabelkanäle und Gehäuse vorhanden?

Ein Controller, der theoretisch acht weitere Module unterstützt, nützt nichts, wenn im Schaltschrank kein Platz dafür ist oder die gewählte Stromversorgung diese nicht bereitstellen kann.

3. Berechnen Sie die erforderliche Reaktionszeit, nicht nur die SPS-Abtastzeit.

Die Verpackungsgeschwindigkeit sollte in ein Reaktionszeitbudget umgerechnet werden. “Hohe Geschwindigkeit” ist keine Spezifikation.

Die Gesamtsteuerungsreaktion kann Folgendes umfassen:

Sensorreaktion und Eingangsfilterung + Aktualisierungszeit des Eingangsmoduls + Aktualisierungszeit des Netzwerks (falls entfernt) + SPS-Aufgaben- oder Scanzeit + Bewegungs- oder Logikverarbeitung + Aktualisierungszeit des Ausgangsmoduls + Aktor- oder Antriebsreaktion = Gesamtreaktion der Maschine

Die SPS-Abtastzeit ist nur ein Teil dieser Kette.

Angenommen, ein Film bewegt sich mit 1 m/s und die Registrierungskorrektur muss innerhalb von 2 mm nach Markierungserkennung beginnen. Das verfügbare Steuerfenster beträgt nur 2 ms, bevor Sensorverzögerung und Aktorverhalten berücksichtigt werden müssen. Ein normaler zyklischer Eingangslesevorgang ist bei einer stark ausgelasteten Aufgabe möglicherweise ungeeignet; stattdessen sind eine Hochgeschwindigkeitseingabe, ein Zeitstempel, eine Hardware-Verriegelung oder eine Bewegungsnetzwerkfunktion erforderlich.

Für jedes kritische Ereignis ist Folgendes zu protokollieren:

• Maximale Zeilen- oder Filmgeschwindigkeit
• Produktpräsentation
• Erforderliche Positionstoleranz
• Sensor Reaktionszeit und Eingangsfiltereinstellung
• Aktualisierungszeit für lokale oder vernetzte E/A
• Aufgabenperiode und maximale Ausführungszeit
• Antriebsbefehl und mechanische Reaktion

Fragen Sie den SPS-Lieferanten nach der maximalen oder konfigurierten Leistung, nicht nur nach der kürzesten veröffentlichten Befehlszeit. Kommunikationslast, Bewegungsaufgaben, Datenprotokollierung, HMI-Abfrage und Diagnosefunktionen beeinflussen die fertige Anwendung.

Vor der Veröffentlichung des Designs sollte ein Prototyp der schnellsten Sequenz mit der vorgesehenen CPU, E/A, dem Laufwerk, dem Netzwerkzyklus und einer realistischen Programmlast erstellt werden.

4. Einfache Positionierung von koordinierter Bewegung trennen.

Die Anzahl der Servomotoren allein definiert nicht die Bewegungsanforderungen. Vier unabhängige Indexachsen können einfacher zu realisieren sein als zwei Achsen, die bei hoher Geschwindigkeit elektronisch untersetzt bleiben müssen.

Erstellen Sie eine Achsentabelle mit diesen Feldern:

• Achsenfunktion
• Servo-, Schritt-, Frequenzumrichter- oder pneumatischer Aktor
• Unabhängige oder synchronisierte Bewegung
• Positions-, Geschwindigkeits- oder Drehmomentsteuerung
• Registrierungseingabe erforderlich
• Elektronische Getriebe oder Nocken
• Zielsuchverfahren
• Encodertyp und Rückkopplungspfad
• Sicherheitsfunktionen, die am Antrieb erforderlich sind
• Maximaler Aktualisierungszeitraum und Genauigkeitsanforderung

Wann die Positionierung mittels Pulszugmessung ausreichend sein kann

Die Puls- und Richtungssteuerung eignet sich für eine geringe Anzahl unabhängiger Achsen, sofern SPS und Antrieb die erforderliche Pulsfrequenz und den Signaltyp unterstützen. Sie kann beispielsweise für ein Indexierförderband, eine einfache Schnittlängenachse oder gelegentliche Umrüstungen sinnvoll sein.

Prüfen Sie die genauen Transistorausgangs-CPU- und Achsengrenzen. Relaisausgänge können keine Hochgeschwindigkeits-Positionierungsimpulse erzeugen, und in einer Produktbroschüre werden möglicherweise Funktionen beschrieben, die nur auf bestimmten CPUs oder Erweiterungsmodulen verfügbar sind.

Wann ein Echtzeit-Bewegungsnetzwerk die bessere Wahl ist

Verwenden Sie eine bewegungsfähige SPS oder Maschinensteuerung, wenn die Maschine koordinierte Achsen, elektronische Nockenprofile, Registrierungskorrektur, Interpolation, Hochgeschwindigkeitsdiagnose oder eng synchronisierte E/A benötigt. Plattformen können EtherCAT, PROFINET IRT, Sercos, SSCNET oder ein anderes deterministisches, herstellerunterstütztes Netzwerk verwenden.

Bitte prüfen Sie, ob die folgende Angabe für die genaue CPU und Lizenz gilt:

• Maximale physikalische, gesteuerte und synchronisierte Achsen
• Unterstützte Servoantriebsfamilien
• Minimaler konfigurierbarer Bewegungszyklus
• Nocken-, Getriebe-, Interpolations- und Registrierungsfunktionen
• Hochgeschwindigkeits-Eingangsintegration
• Kompatibilität von Sicherheitskommunikation und sicheren Bewegungsabläufen
• Axis-Inbetriebnahme- und Diagnosewerkzeuge

Gehen Sie nicht davon aus, dass die herkömmliche Ethernet-Kommunikation mit einem Servoantrieb eine deterministische, koordinierte Bewegung gewährleistet. Steuerung, Antrieb, Protokoll und Engineering-Software müssen als System die erforderliche Echtzeit-Bewegungsarchitektur unterstützen.

5. Die Risikobewertung soll das Sicherheitssystem definieren

Sicherheit ist keine optionale SPS-Funktion, die erst nach Fertigstellung der Elektropläne hinzugefügt werden kann.

Beginnen Sie mit einer Maschinenrisikoanalyse. Identifizieren Sie Gefahren im Bereich von Dichtungsbacken, Messern, Förderschnecken, Förderbändern, pneumatischen Mechanismen, Robotern und gespeicherter Energie. Definieren Sie jede erforderliche Sicherheitsfunktion, wie z. B. Not-Aus, Schutzverriegelung, Verhinderung unerwarteten Anlaufens, sicherer Stopp oder sichere Drehzahlbegrenzung.

Das erforderliche Leistungsniveau bzw. Sicherheitsintegritätsniveau muss anhand der geltenden Normen und Marktanforderungen ermittelt werden. ISO 13849-1:2023 regelt die Konstruktion und Integration sicherheitsrelevanter Teile von Steuerungssystemen. IEC 62061:2021, einschließlich der entsprechenden Änderungen, behandelt die funktionale Sicherheit von Maschinensteuerungssystemen. In Nordamerika ist ANSI/PMMI B155.1-2023 speziell für Verpackungs- und Verarbeitungsmaschinen relevant.

Erst nach dieser Arbeit sollten Sie sich zwischen Sicherheitsrelais, einer separaten Sicherheitssteuerung oder einer integrierten Sicherheits-SPS mit Sicherheits-E/A und sicherer Netzwerkkommunikation entscheiden.

Eine integrierte Sicherheits-SPS ist oft attraktiv, wenn die Maschine über mehrere Schutzeinrichtungen, Zonen, Antriebe oder Betriebsarten verfügt. Sie kann die Diagnose verbessern und den Verdrahtungsaufwand reduzieren. Eine kleine Maschine mit wenigen, einfachen Sicherheitsfunktionen kann durch geeignet ausgewählte Sicherheitsrelais ausreichend versorgt werden. Keine der beiden Optionen ist jedoch per se richtig.

Implementieren Sie eine erforderliche Sicherheitsfunktion in einer Standard-SPS nur dann, wenn die gesamte Konstruktion gemäß der geltenden Sicherheitsarchitektur zulässig und validiert ist. Auch eine Steuerung mit Sicherheitskennzeichnung macht die Maschine allein nicht konform. Sensoren, Aktoren, Verdrahtung, Diagnose, Software, Verifizierung und Validierung gehören alle zur Sicherheitsfunktion.