GTAC (Global Tech and Automation Center) ist eine in den USA ansässige Automatisierungsgruppe unter dem Dach des portugiesischen Industriekonzerns Sodecia. 2021 erhielten sie den Auftrag, eine Maschine für einen Automobilhersteller weiterzuentwickeln. Die dritte Version des Montageautomaten für Sicherheitsgurt-Baugruppen sollte einen höheren Durchsatz liefern, und die Entwicklungszeit dafür war begrenzt.
Seit Jahren investiert GTAC Zeit und Ressourcen in die Entwicklung von standardisierten, modularen und wiederverwendbaren Steuerungsarchitekturen. „Auf der Grundlage unseres Bestands an Steuerungscode können wir Projekte, die normalerweise acht Monate bis ein Jahr dauern würden, in nur drei bis vier Monaten abwickeln“, versichert Steuerungstechniker Chris Drees. „Das bedeutet zudem, dass jeder unserer Ingenieure Fehler im Code von Standard- oder Sondermaschinen beheben kann.“ Ein Wettbewerbsvorteil, der laut Brent Lekx-Toniolo, Gründer des vormals eigenständigen Unternehmens GTAC, aus der Not heraus geboren wurde: „Um 2000 herum entwickelten wir das Framework-Konzept, weil unsere Kunden häufig Maschinen mit einer sehr kurzen Time-to-Market bestellten.“ Ab 2007 nutzt man dabei die Steuerungs- und Netzwerktechnik von Beckhoff für das geplante Framework.
Finetuning mit Standardcode
Der Mutterkonzern Sodecia übernahm viele GTAC-Entwicklungen in seine eigenen Standards für die fast 40 Fertigungsstätten. Dort haben sich diese bei Konstruktion, Programmierung und Inbetriebnahme automatisierter Montage- und Schweißlösungen für den Automobilmarkt bewährt. „Im Vergleich zu den Schweißmaschinen mit großen Robotern zeichnet sich der Seat Belt Height Adjuster durch wesentlich schnellere Montageprozesse auf kleinerer Grundfläche aus“, erklärt SPS- und Robotikingenieur Jessy Underhill. „Aber durch Anpassungen unseres Standardcodes können wir auch solche Funktionen abdecken, z.B. für die Steuerung des Rundschalttischs mit servobasierten Antrieben und die Datenübertragung.“ Drees fügt hinzu: „Außerdem wollten wir die jüngsten Updates aus unserem Standardcode nutzen, um die Verfügbarkeit, die Gesamtanlageneffektivität und andere Eigenschaften zu verbessern sowie die Funktionalität zu erweitern.“
Die neue Anlage besteht aus fünf Abschnitten. In zwei Unterstationen wird der Knopf zur Aktivierung der Gurtverstellung montiert – ein kleiner Aktuator mit einer Feder. Anschließend wird diese Baugruppe in eine kleine Stahlplatte mit einer Mutter eingesetzt, die später auf einer Stahlschiene auf- und abgleitet. Im vierten Abschnitt wird die Baugruppe in die Schiene zur Montage am Fahrgestell des Fahrzeugs eingebaut. Der letzte Abschnitt dient der Qualitätssicherung durch Höhen- und Belastungsmessungen an den Komponenten. Dazu verfügt das System über zwei Servoantriebe und vier Servomotoren, zwei Bildverarbeitungskameras, fünf Frequenzumrichter, sechs Kuka-Roboter, 13 Druckluft-Magnetventilinseln und mehr als 100 I/O-Komponenten. Ursprünglich bestand die Montageanlage aus separaten Zellen, die durch Einrichtungen für den Transport der Werkstücke verbunden waren. Bei der ersten Modernisierung reduzierte GTAC die Grundfläche der Maschine mit etwa 6x6m fast auf die Hälfte. Die dritte Generation der Anlage sollte zudem auch die Zykluszeit verkürzen.
Eine Plattform für alle Prozesse
Die Automatisierung basiert auf TwinCAT 3 als flexibler Plattform zur Steuerung aller Maschinenprozesse: von SPS und Roboterkinematik bis zu funktionaler Sicherheit und IoT. Daneben kann aber auch andere Software auf der PC-basierten Maschinensteuerung laufen. Die vollständig in Microsoft Visual Studio integrierte Engineering-Umgebung ermöglicht es, in den Sprachen zu programmieren, mit denen die GTAC-Ingenieure vertraut sind oder die sich am besten für die jeweilige Anwendung eignen. Die Runtime läuft auf einem Panel-PC CP2215 von Beckhoff, der gleichzeitig als Maschinensteuerung und Benutzeroberfläche dient. Der 15″-Multitouch unterstützt die intuitive Bedienung, Diagnose sowie Fehlersuche im SPS-Code.
Als Motion-Bus bildet Ethercat die Grundlage für kurze Zykluszeiten der Servoverstärker AX5000 sowie für Frequenzumrichter von Drittanbietern und die Roboter. „Kuka setzt auf Ethercat, was nicht nur die Kommunikation vereinfacht. Wir können so auch Safety over Ethercat für die Maschinensicherheit nutzen“, sagt Drees. Das Sicherheitsprotokoll, kurz FsoE, macht festverdrahtete Safety-Steuerungen an jedem Nothalt, jeder Lichtschranke und anderen Sicherheitseinrichtungen überflüssig. Zudem verschlankt FSoE die Verkabelung, denn es nutzt für die Übertragung von Sicherheitsdaten die gleichen Ethernet-Kabel wie für Standard-I/O-Daten. Die AX5000-Antriebe sind mit einer TwinSafe-Optionskarte AX580x für Sicherheitsfunktionen direkt im Antrieb ausgestattet.
Die robuste Diagnosefunktion von Ethercat bildet einen weiteren Vorteil. „Ich war erstaunt, wie einfach es war, Störungen und Fehler zu beheben“, sagt Danilo Silva, Leiter der Steuerungsabteilung. „Bei anderen Feldbussen war das sehr schwierig. Mit Ethercat kann man jedes Problem diagnostizieren, genau lokalisieren und beheben.“ Mit Schnittstellen zu mehr als 30 anderen Feldbussen und Protokollen erlaubt Ethercat auch die Integration anderer Geräte, z.B. der Kameras über Ethernet/IP durch den Einsatz des Buskopplers EK9500. Zusammen mit einer Vielzahl von Ethercat-I/Os in IP20 oder IP67 bildet die Beckhoff-Technik die richtige Lösung für alle Anforderungen der Anlage. Im Ergebnis erfüllt sie die geforderte Durchsatzrate von 5,1s pro Teil bei Abtastraten von nur 125µs in der Maschinensteuerung. Auch der enge Zeitplan wurde eingehalten.
