03/01/2017
Door Bart Driessen
Soms is het industriële eindproduct zo speciaal dat de fabrikant de machines daarvoor zelf maakt. Een voorbeeld is Mosman Laser in Haaksbergen. Dit bedrijf maakt roestvaste pillowplate warmtewisselaars. Maar ook de laserlasmachines die daarvoor nodig zijn. Voor de automatisering van de laserlasmachines gebruikt Mosman besturingen en componenten van Beckhoff.
De sleutelfiguur in dit verhaal is Henk-Jan Keppels, ontwerper en machinebouwer van de pillowplate laserlasinstallaties. In 2009 heeft hij met het op de markt komen van de IPG Fiberlaser de eerste laserlasmachine gebouwd. Henk-Jan Keppels: “Na de derde machine zijn de mechanische en besturingstechnische problemen opgelost en de machines uitgevoerd met Beckhoff PC-PLC en andere apparatuur. Tevens zijn de lange doorbuigende klembalken vervangen door 32 hydraulische klem-units waarmee veel mechanische problemen zijn opgelost. Elke machine wordt steeds met de nieuwste Beckhoff apparatuur en componenten uitgevoerd.” De realisatie van de laserlasmachines is mogelijk gemaakt met de besturingstechnische en programmeerkennis van Rogier van Stapele, software-architect en engineer van Soft-O-Matic. Hij is sinds het allereerste begin door Keppels betrokken bij de bouw en besturing van de laserlasmachines. Rogier van Stapele: “Ik heb in diverse projecten met TwinCAT gewerkt, onder meer bij Stork MPS, en zag toen al de voordelen van Beckhoff voor de pillowplate machine. Een belangrijke reden om met Beckhoff te werken is wat mij betreft de eenvoud en compleetheid van hun oplossingen. De productie door de laserlasmachines van Mosman Laser bestaan uit veel bewerkingen. Dat vereist een hoge dynamiek en kwaliteitsniveau wat weer goed aansluit bij het Beckhoff systeem.”
Lean and mean machine
Inmiddels worden de pillowplate machines (of dimple jacket laser welding machines) wereldwijd verkocht aan tank- en apparatenbouwers. “Een van de doelstellingen bij ontwerp en bouw van de pillowplate machine is het reduceren van het aantal onderdelen en leveranciers. Samen met een modulaire besturing waarmee de machineconfiguratie kan worden gemodelleerd levert dat een 'lean and mean designed machine'” volgens Keppels en Van Stapele. Lean met Beckhoff-componenten betekent dat alles voor de machinebesturing op een DIN-rail van een meter wordt gemonteerd met daarop PLC, IO tot en met UPS en netwerkaansluitingen. Keppels: “Wij kijken uit naar power over EtherCAT om de machine nog eenvoudiger te maken”. Welke eisen stelt Mosman Laser aan de bediening van de laserlasmachines? Keppels: “De operator wilt een bediening die gemakkelijk en intuïtief werkt zodat alle aandacht gericht is op de productkwaliteit. Om te voorkomen dat de machinebediener fouten maakt, hebben onze machines een beeldscherm dat alle informatie in de vorm van een live beeld weergeeft. Dus niet in de vorm van tekst. De operator moet ook zonder specifieke kennis van CNC-besturing de HMI kunnen bedienen. Daarbij mag het niet uitmaken of de werkopdracht eenvoudig of complex is.”
UML en TwinCAT sterk koppel
Rogier van Stapele: “Dezelfde eenvoud geldt voor de bouw van de machinebesturing.” De, op zich complexe, besturing is uit zelfstandige, eenvoudige modules opgebouwd zodat de software stabiel en beheersbaar blijft voor toekomstige ontwikkelingen. De software is ontwikkeld met behulp van UML. UML staat voor Unified Modeling Language, een modelleertaal, ontstaan in de jaren ’90. Er wordt in de industriële automatisering nog maar weinig gebruik gemaakt van dit soort tools. De UML-omgeving helpt om de software gestructureerd op te bouwen en daarbij het overzicht te behouden. Een UML-tool biedt een groot aantal mogelijkheden om een machinebesturing te beschrijven. De specificaties en requirements worden vastgelegd en gelinked aan onderdelen in het softwareontwerp. Het gedrag van de machine wordt beschreven door middel van dynamische modellen zoals activiteiten, diagrammen en state-machines. Het structurele ontwerp wordt vastgelegd in deployment-diagrammen en klassenmodellen. Tevens biedt een UML-omgeving de nodige tools om het softwareontwerp te documenteren en de ontwikkeling te managen.
Source code
De source code in de TwinCAT-ontwikkelomgeving wordt initieel gegenereerd vanuit de UML-omgeving zodat het detailcoderen in TwinCAT conform het ontwerp gebeurt. En het voorkomt dat de tijd die in het UML-ontwerp is gestoken opnieuw verloren gaat tijdens het coderen. Rogier van Stapele: “Momenteel werken wij aan een nieuwe ontwikkeltool die een volledig tweezijdige koppeling legt tussen de TwinCAT source code en het UML-ontwerp. Dit heet een “complete roundtrip”. Het wordt dan mogelijk de PLC-code te genereren. En het maakt ook mogelijk naderhand aanpassingen vanuit het ontwerp in de code te pushen. Ook de actuele stand van de code weer inlezen om het ontwerp te updaten is daarmee mogelijk.” Het in bedrijf stellen van een TwinCAT-systeem is tegenwoordig een efficiënte 'happening'. Het IO-systeem beschrijft zichzelf tijdens het scannen vanuit TwinCAT. De servodrives laten zich dankzij OCT (One Cable Technique), TwinSAFE module en het “Elektronische Typeplaatje” in korte tijd in bedrijf stellen. Rogier van Stapele: “In deze machine wordt een forse lineaire servo gebruikt die door een derde partij is aangeleverd. De AX50xx drive had hier geen problemen mee en liet zich dan ook vlot inregelen. Dat maakte wel indruk.”
Productdefinitiebestand spil in productieproces
In tegenstelling tot veel CNC-machines werkt de operator niet direct met CNC-programma's. Het productieproces is hier gebaseerd op een productdefinitiebestand dat door de werkvoorbereiding is klaargezet. Het HMI is zoveel mogelijk product- en functiegeoriënteerd. Een operator heeft geen CNC-kennis nodig om de machine te bedienen. Op basis van de productdefinitie wordt voor de operator het gekozen product op het HMI-scherm gevisualiseerd en de machine ingesteld voor het gekozen product. Op het moment dat de startknop wordt ingedrukt genereert de machine, op basis van de gekozen product definitie, zelfstandig een nieuw CNC-programma en start de uitvoering hiervan. Bij de CNC-generatie wordt rekening gehouden met de status van het product en de machine. Een onaf product wordt afgemaakt, bewerkingen kunnen op verzoek van de operator worden herhaald of overgeslagen en bij een dubbele lasermachine wordt de actueel ingestelde configuratie (1 of 2 lasers, alleen laser 1 of 2) in het CNC-programma verwerkt. Dankzij deze technieken kan een pillowplate product na een storing of onderbreking van het proces door een operator in nagenoeg alle gevallen worden afgemaakt. Het gebruik van een productdefinitiebestand in plaats van een conventioneel CNC-programma maakt het ook mogelijk om producten, zonder aanpassingen, op verschillende generaties en uitvoeringen van de machine te produceren. De productdefinities zijn namelijk machine-onafhankelijk . De productdefinitie wordt, op basis van de gekozen productieparameters en een CAD-ontwerp, dat door de klant is aangeleverd, gegenereerd door middel van een CAM tool.
Proces laserlassen
In een laserlasmachine vinden veel processen plaats die nauwkeurig gecontroleerd moeten worden. Voor de kwaliteit van de laserlassen worden gassen als argon, stikstof en helium ingeschakeld. De fiberlasers mogen alleen laserlicht uitsturen als het beschermglas van het optiek schoon genoeg is. Daarom omvat de besturing ook een vervuilingsbewaking. Een ander belangrijk punt dat gecontroleerd moet worden, is de juiste oliedruk van de meervoudige hydraulische klemming. Deze klemming moet de roestvaststalen platen perfect klemmen en op de juiste positie houden tijdens het laserlassen. De controletaken worden vanuit TwinCAT realtime uitgevoerd waarbij de CPU van de CX2040 maar licht belast wordt.
Componenten in gebruik
- CX2040 met IO communicatie via EtherCAT
- UPS CX2900 voor de CX2040
- 7 x Servo drives AX5805, beveiligd door Beckhoff TwinSAFE
- 4 x Servo motor type AM50xx met OCT One Cable Technology
- Touchscreen HMI CP3919 met CPLink4 CU8803
- TwinCAT NC I voor twee motion CNC-systemen
Diagnose en remote maintenance
Nu de laserlasmachine is uitgerust met de CX2040 en communicatie via ethernet mogelijk is, zijn er veel nieuwe mogelijkheden bijgekomen. “Voor de communicatie met het veld gebruiken we natuurlijk EtherCAT. De software zorgt voor een scan van alle IO en bewaking van alle optredende events. Een database-applicatie logt alle diagnose- en eventdata die de PC/PLC van Beckhoff levert. Door deze data kunnen we alle event-regels teruglezen om eventuele fouten te traceren. Door de machine aan het internet te koppelen is de datalog beschikbaar. De opslag van de data verloopt geautomatiseerd.”
Keppels: “Natuurlijk is de machine online te monitoren en te programmeren via de Remote Service Module van Soft-O-Matic. Voor de veiligheid gebruiken we een VPN-verbinding. Met mijn eigen smartphone kan ik alles volgen wat er in de machine gebeurt. Dat is tegelijk een mooi voorbeeld van Internet of Things. Je ziet dus dat ook onze laserlasmachines deel uitmaken van IoT. Ze zijn bereikbaar via internet, maar niet voor iedereen!”
One Cable Technologie voor servosystemen
Om de bouw van slimme machines nog makkelijker en eenvoudiger te maken biedt Beckhoff de One Cable Technology voor servomotoren. Ook Mosman maakt hiervan gebruik. One Cable Technology wil zeggen dat zowel voeding als data via een en dezelfde kabel worden getransporteerd. Behalve de besparing op bekabeling en montage biedt dit type kabel het voordeel dat met het aansluiten van de kabel de identiteit van de aangesloten motor direct herkend wordt. De machinebouwer hoeft dus niet alle gegevens van motoren en sensoren in te voeren. En natuurlijk worden alle encoderdata, zoals positie van de rotor en temperatuur van de motor, via de digitale interface storingsvrij overgedragen.