Echtzeit-Kommunikation mit Varan für Stickereimaschinen
Stich für Stich
Edle Stickereien verleihen Stoffen und Kleidungsstücken ein exklusives und individuelles Aussehen. In diesem Sinne entwickelt und produziert das Schweizer Unternehmen Lässer seit 1982 Stickmaschinen. Für die Systemkommunikation in harter Echtzeit setzt das Unternehmen auf das Echtzeit-Ethernet-Bussystem Varan.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGErfunden haben die Schweizer die Stickerei zwar nicht - das waren die Ägypter und Chinesen schon rund 5.000 v. Chr - aber die erste automatische Stickmaschine kam aus der Schweiz, die sogenannte Schifflimaschine. Sie wurde im Zuge der ersten industriellen Revolution Mitte des 19. Jahrhunderts von Isaak Groebli entwickelt. Deren Prinzip ähnelt dem einer klassischen Nähmaschine und ist bis heute praktisch unverändert, der Begriff Schiffli wird in der Branche längst weltweit verwendet. Das Portfolio von Lässer reicht von kleinen Stickmaschinen bis zu großen Anlagen mit vielen Extraoptionen. Dabei setzt Lässer durchgängig auf ein modulares Automatisierungssystem von Sigmatek mit schneller und sicherer Systemkommunikation über den Echtzeit-Ethernet-Bus Varan.
Hohe Performance
Für die bis zu 30m lange Hochleistungsstickmaschine MVD71 Multidrive wird als Hauptrechner ein PC-341-L von Sigmatek eingesetzt. Mit Dual-Core-Prozessor verfügt er über die hohe Performance, die für den aufwändigen Stickprozess benötigt wird. Die Steuerung beinhaltet zwei Varan-Echtzeit-Ethernet-Manager. Einerseits für die Kommunikation mit den dezentralen I/Os und anderseits für das Antriebssystem. Speziell bei solch dynamischen Anwendungen kann das Protokoll seine Vorteile ausspielen. Mit Varan ist es möglich, Drives mit je 16 Byte Ist- und Soll-Werten mit einem einzigen Schreib/Lese-Befehl in 5s zu aktualisieren. Eine MVD71-Stickmaschine erledigt bis zu 720 Stiche pro Minute. Auf die Zykluszeit gerechnet bedeutet dies, dass der Stickprozess gerade mal 80ms dauert. In den ersten 40ms wird der schwere Stickrahmen positioniert, auf dem der Stoff aufgespannt ist. In der zweiten Hälfte des Zyklus wird der Stich ausgeführt. Dazu müssen sich Nadel und das Schiffli synchron bewegen. Die Positionierung muss exakt erfolgen. Ungenauigkeiten würde man im Stickmuster mit bloßem Auge erkennen. Der Hauptantrieb, der ebenfalls mehrere Servoachsen umfasst, bewegt Nadeln und Schiffli. Weiter werden der Stoffdrücker, die Fadenwalze und der Bohrer von einem oder mehreren Drives angetrieben. Zudem sind zwei Antriebe für das Aufwellen des Stoffes im Einsatz. Bei einer Maschine mit zusätzlichen Optionen kommen weitere Antriebe dazu. Je nach Maschinenlänge und Konfiguration spielen bis zu 16 Drives zusammen, die über Varan präzise angesteuert und synchronisiert werden.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGSicherer Datenaustausch
Mit Varan erfolgt der Datenaustausch nicht nur schnell sondern auch sicher. Jedes vom Manager gesendete Datenpaket wird unmittelbar vom Client rückbestätigt. Antwortet dieser innerhalb der vereinbarten Timeout-Zeit nicht, oder ist die Antwort fehlerhaft, wiederholt der Manager bis zum Erhalt einer gültigen Rückbestätigung den Befehl, ohne den Nachrichtenzähler zu erhöhen. Dadurch erkennt der Client den Befehl als Wiederholung. Diese Vorgangsweise stellt sicher, dass am Ende des Buszyklus alle Prozessdaten konsistent sind. Die permanente Überprüfung der Datengültigkeit wird durch die kleinen Daten-Frames möglich - selbst bei Zykluszeiten unter 100s.
Schnelle Reaktion
Damit die MVD71 von Lässer ihre Stickmission einwandfrei erfüllt, sind bis zu 1200 I/Os im Einsatz. Jeder Faden wird überwacht. Bei Fadenbruch stoppt die Maschine augenblicklich. Anhand der Fehlermeldung und einer LED, die den Zustand jedes Fadens farblich darstellt, erkennt die Bedienperson sofort, welcher Faden gerissen ist. Für die Überwachung der Fäden ist eine von Sigmatek für Lässer entwickelte Platine mit eigenem Controller zuständig. Auf dieser werden jeweils mehrere Stickstellen zu einer Einheit zusammengefasst und überwacht.
Nahtlose Integration
Die für den Betrieb einer modernen Stickmaschine geforderte Funktionalität ist sehr vielfältig. "Bei der Sigmatek-Lösung sind alle für die Applikation nötigen Funktionen nahtlos integriert", erklärt Reto Spirig, Entwicklungsleiter Steuerungssystem bei Lässer. "Diese Durchgängigkeit von Steuerung, Visualisierung, Motion Control, Safety, Engineering und Echtzeitkommunikation über Varan vereinfacht und verkürzt die Realisierung des Maschinenkonzeptes." Mit Einsatz des Bussystems kann auf aufwändige, diskrete Verkabelungen für Sicherheitskreise verzichtet werden. Die sicherheitsrelevanten Signale werden zeitgleich mit den Prozessdaten übertragen. Das Varan-Protokoll dient dabei als Container für die Safety-Telegramme und arbeitet nach dem Black-Channel-Prinzip. Das Bussystem ist bei den Sicherheitsbetrachtungen ausgeschlossen, wodurch die Weiterleitung der Safety-Daten über die Rückverdrahtung oder andere Transportmedien uneingeschränkt möglich ist.
Flexibel und offen
Bustopologien lassen sich mit Varan einfach und flexibel in Baum-, Stern- und Linienstruktur aufbauen. Es ist möglich, mehrere Systeme durch einen übergeordneten Manager zu einem synchronen Gesamtnetz zu kaskadieren. Dadurch entsteht eine Multi-Manager-Struktur. Die Synchronisation der Teilnetze erfolgt vollautomatisch mit einem Jitter <100ns. Einzelne Systeme können während des laufenden Betriebs an- und abgekoppelt werden. Netzwerk-Splitter bieten die Möglichkeit, das Varan-System mit Firmennetzen oder anderen Ethernet-Systemen zu verbinden. Der Manager stellt Prozess- und Servicedaten zur Verfügung, die netzübergreifend ausgetauscht und über OPC UA auch an höhere Ebenen oder in die Cloud transportiert werden können.
Edle Stickereien verleihen Stoffen und Kleidungsstücken ein exklusives und individuelles Aussehen. In diesem Sinne entwickelt und produziert das Schweizer Unternehmen Lässer seit 1982 Stickmaschinen. Für die Systemkommunikation in harter Echtzeit setzt das Unternehmen auf das Echtzeit-Ethernet-Bussystem Varan.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGErfunden haben die Schweizer die Stickerei zwar nicht - das waren die Ägypter und Chinesen schon rund 5.000 v. Chr - aber die erste automatische Stickmaschine kam aus der Schweiz, die sogenannte Schifflimaschine. Sie wurde im Zuge der ersten industriellen Revolution Mitte des 19. Jahrhunderts von Isaak Groebli entwickelt. Deren Prinzip ähnelt dem einer klassischen Nähmaschine und ist bis heute praktisch unverändert, der Begriff Schiffli wird in der Branche längst weltweit verwendet. Das Portfolio von Lässer reicht von kleinen Stickmaschinen bis zu großen Anlagen mit vielen Extraoptionen. Dabei setzt Lässer durchgängig auf ein modulares Automatisierungssystem von Sigmatek mit schneller und sicherer Systemkommunikation über den Echtzeit-Ethernet-Bus Varan.
Hohe Performance
Für die bis zu 30m lange Hochleistungsstickmaschine MVD71 Multidrive wird als Hauptrechner ein PC-341-L von Sigmatek eingesetzt. Mit Dual-Core-Prozessor verfügt er über die hohe Performance, die für den aufwändigen Stickprozess benötigt wird. Die Steuerung beinhaltet zwei Varan-Echtzeit-Ethernet-Manager. Einerseits für die Kommunikation mit den dezentralen I/Os und anderseits für das Antriebssystem. Speziell bei solch dynamischen Anwendungen kann das Protokoll seine Vorteile ausspielen. Mit Varan ist es möglich, Drives mit je 16 Byte Ist- und Soll-Werten mit einem einzigen Schreib/Lese-Befehl in 5s zu aktualisieren. Eine MVD71-Stickmaschine erledigt bis zu 720 Stiche pro Minute. Auf die Zykluszeit gerechnet bedeutet dies, dass der Stickprozess gerade mal 80ms dauert. In den ersten 40ms wird der schwere Stickrahmen positioniert, auf dem der Stoff aufgespannt ist. In der zweiten Hälfte des Zyklus wird der Stich ausgeführt. Dazu müssen sich Nadel und das Schiffli synchron bewegen. Die Positionierung muss exakt erfolgen. Ungenauigkeiten würde man im Stickmuster mit bloßem Auge erkennen. Der Hauptantrieb, der ebenfalls mehrere Servoachsen umfasst, bewegt Nadeln und Schiffli. Weiter werden der Stoffdrücker, die Fadenwalze und der Bohrer von einem oder mehreren Drives angetrieben. Zudem sind zwei Antriebe für das Aufwellen des Stoffes im Einsatz. Bei einer Maschine mit zusätzlichen Optionen kommen weitere Antriebe dazu. Je nach Maschinenlänge und Konfiguration spielen bis zu 16 Drives zusammen, die über Varan präzise angesteuert und synchronisiert werden.
Bild: Sigmatek GmbH & Co KGSicherer Datenaustausch
Mit Varan erfolgt der Datenaustausch nicht nur schnell sondern auch sicher. Jedes vom Manager gesendete Datenpaket wird unmittelbar vom Client rückbestätigt. Antwortet dieser innerhalb der vereinbarten Timeout-Zeit nicht, oder ist die Antwort fehlerhaft, wiederholt der Manager bis zum Erhalt einer gültigen Rückbestätigung den Befehl, ohne den Nachrichtenzähler zu erhöhen. Dadurch erkennt der Client den Befehl als Wiederholung. Diese Vorgangsweise stellt sicher, dass am Ende des Buszyklus alle Prozessdaten konsistent sind. Die permanente Überprüfung der Datengültigkeit wird durch die kleinen Daten-Frames möglich - selbst bei Zykluszeiten unter 100s.
Schnelle Reaktion
Damit die MVD71 von Lässer ihre Stickmission einwandfrei erfüllt, sind bis zu 1200 I/Os im Einsatz. Jeder Faden wird überwacht. Bei Fadenbruch stoppt die Maschine augenblicklich. Anhand der Fehlermeldung und einer LED, die den Zustand jedes Fadens farblich darstellt, erkennt die Bedienperson sofort, welcher Faden gerissen ist. Für die Überwachung der Fäden ist eine von Sigmatek für Lässer entwickelte Platine mit eigenem Controller zuständig. Auf dieser werden jeweils mehrere Stickstellen zu einer Einheit zusammengefasst und überwacht.
Nahtlose Integration
Die für den Betrieb einer modernen Stickmaschine geforderte Funktionalität ist sehr vielfältig. "Bei der Sigmatek-Lösung sind alle für die Applikation nötigen Funktionen nahtlos integriert", erklärt Reto Spirig, Entwicklungsleiter Steuerungssystem bei Lässer. "Diese Durchgängigkeit von Steuerung, Visualisierung, Motion Control, Safety, Engineering und Echtzeitkommunikation über Varan vereinfacht und verkürzt die Realisierung des Maschinenkonzeptes." Mit Einsatz des Bussystems kann auf aufwändige, diskrete Verkabelungen für Sicherheitskreise verzichtet werden. Die sicherheitsrelevanten Signale werden zeitgleich mit den Prozessdaten übertragen. Das Varan-Protokoll dient dabei als Container für die Safety-Telegramme und arbeitet nach dem Black-Channel-Prinzip. Das Bussystem ist bei den Sicherheitsbetrachtungen ausgeschlossen, wodurch die Weiterleitung der Safety-Daten über die Rückverdrahtung oder andere Transportmedien uneingeschränkt möglich ist.
Flexibel und offen
Bustopologien lassen sich mit Varan einfach und flexibel in Baum-, Stern- und Linienstruktur aufbauen. Es ist möglich, mehrere Systeme durch einen übergeordneten Manager zu einem synchronen Gesamtnetz zu kaskadieren. Dadurch entsteht eine Multi-Manager-Struktur. Die Synchronisation der Teilnetze erfolgt vollautomatisch mit einem Jitter <100ns. Einzelne Systeme können während des laufenden Betriebs an- und abgekoppelt werden. Netzwerk-Splitter bieten die Möglichkeit, das Varan-System mit Firmennetzen oder anderen Ethernet-Systemen zu verbinden. Der Manager stellt Prozess- und Servicedaten zur Verfügung, die netzübergreifend ausgetauscht und über OPC UA auch an höhere Ebenen oder in die Cloud transportiert werden können.
Sigmatek GmbH & Co KG
Dieser Artikel erschien in INDUSTRIAL COMMUNICATION JOURNAL 3 2019 - 11.09.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
