PC-gesteuertes Spritzgießen: flexibel an IoT-Trends anpassbar

Der bei Kunststoffmaschinenbauern lange vorherrschende Ansatz, mit eigenentwickelten Steuergeräten eine fortschrittliche Steuerungstechnik mit Kosteneffizienz in Einklang zu bringen, stößt seit einiger Zeit zunehmend an seine Grenzen. Faktoren, wie z. B. Arbeitskräftemangel, finanzielle Herausforderungen und die Notwendigkeit zur Anpassung an neueste Technologien, führen vielmehr zu einem Trend hin zu offenen Automatisierungssystemen erfahrener Spezialisten. Nissei Plastic Industrial Co., Ltd. (Nissei Plastic), Spritzgießmaschinenbauer mit Sitz in der japanischen Präfektur Nagano, setzt dies mit der PC- und EtherCAT-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff um.

Unterstützt wird der Erfolg der Steuerungsplattformen mit offener Architektur nicht zuletzt durch die deutsche Initiative Industrie 4.0, welche die Bedeutung von Standardisierung und Interkonnektivität in der Fertigung hervorhebt. In unterschiedlichsten Branchen und auch im Bereich der Spritzgießmaschinen gewinnt die konkrete Umsetzung zunehmend an Dynamik. Besonders die OPC Unified Architecture (OPC UA) hat sich als primäres Kommunikationsframework für die Standardisierung von Industrie 4.0 etabliert. Nissei Plastic hat in diesem Zusammenhang einen nach eigener Aussage wegweisenden Schritt unternommen: die Entwicklung eines fortschrittlichen Steuerungssystems, das auf Beckhoff Industrie-PCs mit der Software TwinCAT und der offenen Kommunikationstechnologie EtherCAT basiert. Darüber hinaus erfüllte Nissei Plastic als einer der ersten Hersteller weltweit die Anforderungen des Standards OPC UA.

Warum eine offene Architektur?

Kunststoffe sind ein wesentliches Material, das in Produkten wie z. B. Smartphones, Fernsehern, PCs und Automobilkomponenten vorkommt. Die zur Herstellung notwendigen Spritzgießmaschinen reichen je nach Größe und Art des Kunststoff-Endprodukts von kompakten bis zu sehr großen Anlagen mit Schließkräften von über 7.000 t. Nissei Plastic ist einer der weltweit führenden Hersteller solcher Spritzgießmaschinen und sieht die Umstellung seiner Steuerungsplattform auf eine offene Architektur als eine äußerst bedeutende Entscheidung.

Wie viele andere Hersteller entwickelte Nissei Plastic ursprünglich eigene Mikrocontroller-Motherboards für ihre maßgeschneiderten Steuerungssysteme. Der interne Aufwand zur Verwaltung aller Hardwarekomponenten stellte für das Unternehmen allerdings eine große Herausforderung dar, insbesondere hinsichtlich der Einstellung bisheriger Komponenten, Änderungsrevisionen und technischer, außerhalb der Kernkompetenz Spritzgießtechnik liegender Probleme. Zudem wurde es für die Hardwareentwicklung immer schwieriger, mit der rasanten Weiterentwicklung der CPU-Technologie Schritt zu halten. Daher entschied sich Nissei Plastic, seine Ressourcen auf die Softwareentwicklung zu konzentrieren und skalierbare Standard-Steuerungshardware einzusetzen.

PC- und EtherCAT-basierte Steuerung als Lösung

Nach umfassenden Benchmarks stellte Nissei Plastic fest, dass sich PC-based Control von Beckhoff in Kombination mit dem offenen und schnellen Kommunikationssystem EtherCAT am besten für die aktuellen und zukünftigen Anforderungen eignet. Die Hauptgründe für diese Entscheidung waren:

• EtherCAT: Insbesondere in Japan ist EtherCAT seit vielen Jahren ein De-facto-Standard. Dies ergebe für Nissei Plastic eine große Flexibilität bei der Auswahl der am besten geeigneten Anbieter und Komponenten für ihre Spritzgießmaschinen. Die Zusammenarbeit mit Beckhoff stelle zudem eine sehr gute Unterstützung bei allen EtherCAT-bezogenen Fragen sowie den frühzeitigen Zugang zu kostensparenden EtherCAT-Technologien wie z. B. EtherCAT P sicher. EtherCAT habe sich als einzige Technologie herausgestellt, mit der die erforderliche Geschwindigkeit und Genauigkeit erreicht und dabei die hohe Flexibilität und breite Feldbusabdeckung aufrechterhalten werden könne. Darüber hinaus erleichtere die Skalierbarkeit von EtherCAT zukünftige Systemerweiterungen und -upgrades, was zu einer erhöhten Investitionssicherheit führe.
• Hohe Leistungsfähigkeit: Die Herstellung von Spritzgießteilen mit maximaler Wiedergenauigkeit und damit hoher Qualität erfordert ein hochdeterministisches Steuerungssystem mit Zykluszeiten von 125 µs oder weniger. PC-based Control von Beckhoff bietet – so die Experten von Nissei Plastic – die erforderliche Leistungsfähigkeit, nicht zuletzt aufgrund der tiefgehenden Entwicklungs- und Produktionskompetenz. Denn Beckhoff entwickele und fertige die IPC-Motherboards selbst, biete mit TwinCAT eine eigene Automatisierungssoftware für Echtzeitsteuerung und könne als Erfinder von EtherCAT eine unvergleichliche Expertise in der Feldbuskommunikation nutzen. Diese umfassende und langjährige Erfahrung sei entscheidend.

Um wettbewerbsfähig in der Kunststoffindustrie zu bleiben, ist es nach Aussage von Nissei Plastic entscheidend, kosteneffiziente Maschinen in Bezug auf Engineering, Produktion und Wartung zu entwickeln. Neben der Nutzung von Skaleneffekten durch den Einsatz standardisierter Automatisierungshardware biete PC-based Control von Beckhoff verschiedene Möglichkeiten, die Gesamtkosten zu minimieren:

• Zentrale und skalierbare Steuerungshardware: Das Steuerungssystem von Beckhoff basiert auf einer zentralen und fein skalierbaren Rechnerplattform. Daher könne man aus einem breiten CPU-Portfolio genau den anwendungsspezifischen Anforderungen entsprechend auswählen. Sollten neue Funktionen wie maschinelles Lernen hinzugefügt werden, seien diese zusätzlichen Funktionen in TwinCAT in verschiedenen Programmiersprachen einschließlich IEC 61131-3, C++ oder MATLAB^®/Simulink^® programmierbar und dann als Software-Module in Echtzeit ausführbar. Sollten höhere Rechenleistungen erforderlich sein, könne dies einfach durch die Migration zu einer neuen IPC- bzw. CPU-Ausführung erreicht werden, ohne das bestehende TwinCAT-Projekt oder die vorgesehene Automatisierungsarchitektur zu ändern.
• EtherCAT-Steckmodule: Große Vorteile sieht Nissei Plastic in den EtherCAT-Steckmodulen der EJ-Serie, mit denen sich mehrere I/O-Funktionen in einer einzigen kompakten Platine – dem Signal Distribution Board – integrieren lassen. Dies verkürze die Entwicklungs- und Markteinführungszeit, da man mit dem standardisierten Signal Distribution Board verschiedene Maschinentypen mit Ausbauvarianten auf einer Basis realisieren könne. Weiterhin entstünden erhebliche Vorteile zum einen durch entfallende Verdrahtungskosten und -fehler sowie zum anderen aufgrund der einfachen Anpassungsmöglichkeit durch das Einstecken neuer Module, ohne dass das Board komplett neu entwickelt werden müsse.

Umstellung der Serienmaschinen auf PC-based Control

Die Entwicklung von EtherCAT-kompatiblen und mit Beckhoff Technik ausgestatteten Spritzgießmaschinen begann bereits im Jahr 2016. Im folgenden Jahr – sowie 2018 weltweit und zusammen mit der Ankündigung einer Partnerschaft mit Beckhoff – präsentierte Nissei Plastic in Japan das neue Maschinenmodell FNX-IV (hydraulische Ausführung) als ersten Meilenstein bei der Integration der Beckhoff Technologie. Anschließend wurde die elektrische NEX-V-Serie eingeführt, womit nun alle in Serie produzierten Maschinen von Nissei Plastic über Beckhoff Technik verfügen.

Die Modelle FNX-IV und NEX-V nutzen als Steuerungskern den kosteneffizienten Embedded-PC CX5140 mit einem Quadcore-Prozessor Intel Atom^®. Dieser PC dient als EtherCAT-Master und ermöglicht äußerst schnelle Steuerungszyklen. Zuvor begrenzte die analoge Kommunikation die Geschwindigkeit und Präzision der Steuerung. Der Wechsel zu EtherCAT ermöglichte es jedoch nach Aussage von Nissei Plastic, alle Anwendungen einschließlich der Peripheriegeräte vollständig in ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk zu integrieren, was die Präzision, den Rauschwiderstand bzw. den Geräuschpegel sowie die Formgebungsqualität erheblich verbessert habe.

Darüber hinaus ermöglichte TwinCAT die Integration verschiedener Funktionen in PC-basierte Steuerungsmodule und stellte sicher, dass eine zukünftige Skalierbarkeit ohne Hardware-Modifikationen möglich ist. Die Offenheit von TwinCAT als Engineeringumgebung, z. B. mit vielfältigen Möglichkeiten zur Integration von bestehendem Source-Code, war für Nissei Plastic ebenfalls wichtig: TwinCAT 3 C++ konvertiert viele der zuvor auf der selbstentwickelten Mikrocontroller-Platine verwendeten Software-Assets direkt in neue Steuerungsmodule, die mit TwinCAT 3 PLC kombiniert werden, um ein neues Steuerungssystem mit minimalem Aufwand zu erstellen. Als Ergebnis konnte Nissei Plastic ein hochflexibles System in kurzer Zeit entwickeln.

IoT-Strategie von Nissei Plastic

Angeregt durch die deutsche Initiative Industrie 4.0 arbeiten weltweit Branchen an standardisierter, herstellerunabhängiger Dateninteroperabilität. Der zentrale Rahmen ist OPC UA, womit sich jedoch nicht vollständig die Bedürfnisse aller Fertigungsanlagen adressieren lassen. Um diese Lücke zu schließen, wurden branchenspezifische Begleitspezifikationen in verschiedenen Sektoren entwickelt:

• Kunststoffmaschinen: Euromap
• Werkzeugmaschinen: umati
• Industrieroboter: OPC UA for Robotics
• Verpackungsmaschinen: PackML

Nissei Plastic erkannte früh die Dringlichkeit der OPC UA-Adoption und stellte bereits 2018 gemeinsam mit Beckhoff eine OPC UA-basierte Euromap-Lösung vor. Im Jahr 2019 brachte der Maschinenbauer seinen neuen TACT5-Controller mit OPC UA als Standardfeature auf den Markt. Dieser Ansatz mit offener Technologie bietet laut Nissei Plastic nicht nur einen größeren Nutzen für den Anwender, sondern fördert auch die Zusammenarbeit innerhalb der japanischen Kunststoffindustrie und sichert langfristige Wettbewerbsfähigkeit.

Partnerschaft mit Beckhoff

Nissei Plastic hat nach eigener Aussage hohe Erwartungen an seine Partnerschaft mit Beckhoff. Hozumi Yoda, Präsident des Unternehmens, bewundere Hans Beckhoff für dessen Leidenschaft für Technologie und Innovation. Dies sei etwas, das Nissei ebenfalls innerhalb des Unternehmens verbreiten wolle. Zukünftig suche man eine noch engere Zusammenarbeit mit Beckhoff, einschließlich der Beta-Tests neuer Produkte, um Kosten und Leistung weiter zu optimieren. Zudem lege Nissei Plastic großen Wert auf eine langfristige, vertrauensvolle und partnerschaftliche Geschäftsbeziehung. Dazu gehöre neben der vertrieblichen und technischen Betreuung durch lokale Beckhoff Experten in allen relevanten Produktionsländern auch ein enger Kontakt zu verschiedenen Beckhoff Fachabteilungen.