Die Kombination Manz und Beckhoff ergibt Präzision und Effizienz

Um den derzeit enorm wachsenden Markt der Elektromobilität bedienen zu können, sind bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batteriesystemen besonders effiziente Fertigungsabläufe erforderlich. Möglich macht dies die Laserschweißanlage BLS 500 von Manz. Für hohe Effizienz sorgen dabei ein grafisches Programmiertool und ein virtuelles Inbetriebnahmetool von Manz sowie die schnelle PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff.

Die Manz AG, Reutlingen, ist ein weltweit tätiges Hightech-Maschinenbauunternehmen, das sich auf Produktionslösungen für die Elektromobilität, Batteriefertigung, Elektronik, Energie sowie Medizintechnik fokussiert. Dabei reicht das Spektrum von kundenspezifischen Einzelmaschinen für die Laborfertigung oder Pilot- und Kleinserienproduktion über standardisierte Module und Anlagen bis hin zu schlüsselfertigen Linien für die Massenproduktion. Dementsprechend hohe Anforderungen gelten für die Flexibilität und Leistungsfähigkeit der verwendeten Automatisierungstechnik, wie sich u.a. am Produktionsequipment für Lithium-Ionen-Batteriezellen und -Batteriesystemen sowie von Kondensatoren zeigen lässt.

Anwendungsspezifisch anpassbare Laserplattform.

Paradebeispiel ist das neue Battery Laser System (BLS) 500, das als flexible Plattform für die unterschiedlichen Laserprozesse bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien konzipiert ist. Sie kann ausgehend von einer standardisierten Maschinenbasis individuell als Einzelanlage mit manueller Beladung des Werkstücks oder als Bestandteil einer integrierten Produktionslinie fungieren, und zwar für hochpräzises Laserschweißen ebenso wie für das Laserschneiden und -bohren oder den partiellen Materialabtrag.

Bei der hier beschriebenen BLS-500-Applikation wird ein aus Rund-Batteriezellen bestehendes Batteriemodul im Laborfall händisch, aber sonst auch automatisiert in die Maschine eingebracht, um dann die einzelnen Zellen per Laser mit der Kontaktierung zu verschweißen. Der Smart Laser Assistant erstellt dabei als grafisches Programmiertool aus den CAD-Daten des zugrundeliegenden Batteriemoduls das zugehörige Rezept, d.h. die optimale Bahnberechnung zu allen Schweißpunkten sowie die jeweils passende Laserleistung. Den klaren Anwendungsvorteil nennt Stephan Lausterer, Head of Software Core-Design & Product Development bei Manz: „Mit unserem Programmiertool vereinfacht sich die Anpassung der BLS 500 an die vielfältigen Applikationen, also an die unterschiedlichen Zelltypen und Modulformate deutlich.“ Das Ergebnis lasse sich dann im virtuellen Inbetriebnahmetool begutachten, und nicht nur das: „Die Inbetriebnahme wird dadurch beschleunigt und vereinfacht, indem sich das Steuerungsprogramm bereits im Vorfeld, d.h. bevor die Maschine mechanisch aufgebaut ist, mit dem Modell ausführlich und realitätsnah testen lässt. Hinzu kommt die hohe Präzision. Bei all diesen Aspekten profitieren wir von der Steuerungssoftware TwinCAT mit ihrer komfortablen und leistungsfähigen OPC-UA-Anbindung.“

Systemvorteile von PC-based Control.

Die Bedeutung einer leistungsfähigen und vor allem flexiblen Steuerungstechnik ist in den vergangenen Jahren auch bei Manz deutlich gestiegen, was letztendlich zur inzwischen schon über zehnjährigen partnerschaftlichen Zusammenarbeit mit Beckhoff geführt hat. Dazu erläutert Stephan Lausterer: „Ursprünglich entwickelte Manz seine eigene Steuerungstechnik, was aufgrund der wachsenden Relevanz der Elektronik für den Maschinenbau und der enorm schnellen Innovationszyklen in diesem Bereich immer schwieriger wurde. Daher suchten wir nach einem passenden Spezialisten als neuen Steuerungslieferanten. In einem entsprechenden Benchmark hat sich PC-based Control als optimale Lösung herausgestellt, insbesondere durch das PC-basierte Konzept sowie die flexible, offene und fein skalierbare Systemstruktur. Hinzu kam die Innovationskraft, die wir schon damals an Beckhoff geschätzt haben.“

Aus Automatisierersicht ergänzt Tilman Plaß, Branchenmanager Automobilindustrie bei Beckhoff: „Die hohen Anforderungen der Manz-Anlagen lassen sich mit PC-based Control sehr gut erfüllen. Dazu zählen zum einen die kurzen Zykluszeiten, die sich mit unserer Steuerungstechnik erreichen lassen, und zum anderen eine durchgängig alle Prozesse abdeckende Logik, was insbesondere die Schnelligkeit beim Formatwechsel fördert. Die umfassende Funktionalität von TwinCAT bis hin zur OPC-UA-Kommunikation ergibt weitere Vorteile. Und das sogar beidseitig, da Manz uns beispielsweise als sehr früher Nutzer von TwinCAT 3 im Rahmen der partnerschaftlichen Zusammenarbeit wichtiges Anwenderfeedback geben konnte.“

Den Hardwarekern der BLS-500-Steuerung bildet ein Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030, dessen Hauptvorteile Stephan Lausterer nennt: „Der C6030 eignet sich optimal für solche Anwendungen mit begrenztem Bauraum. Außerdem bietet der Rechner mit einer Intel-CoreTM-i7-CPU ausreichend Rechenleistung sowohl für die Maschinensteuerung als auch für die Visualisierung. Das gilt ebenso für zukünftige Anforderungen, zumal Beckhoff geeignete neue Prozessorgenerationen sukzessive integriert und mit dem C6032 auch eine kompakte Rechnervariante mit mehr Interfaces im Portfolio hat.“

Durchgängigkeit als Alleinstellungsmerkmal.

Insgesamt kommt die Automatisierungssoftware TwinCAT den Anforderungen von Manz sehr entgegen, wie Stephan Lausterer bestätigt: „Wir profitieren u.a. durch die Integration von TwinCAT in Visual Studio, da unser Softwareteam auch Hochsprachenprogrammierer umfasst. Hinzu kommt die insgesamt hohe Flexibilität beispielsweise mit den Editoren für die jeweiligen Programmiersprachen und durch die Funktionsvielfalt bis hin zu Safety Editor, TwinCAT Scope und TwinCAT HMI.“

Übergeordnete Kommunikation per OPC UA.

Ergänzend zur schnellen EtherCAT-Kommunikation für die reinen Maschinenabläufe setzt Manz bei der BLS 500 durchgängig auf den Datenaustausch per OPC UA. Realisiert ist dies über die TwinCAT-3-Funktion OPC UA (TF6100), u.a. für die Übertragung der Kamerabilder an das HMI, zur Anbindung an übergeordnete Systeme und für die steuerungsübergreifende Kommunikation. Das virtuelle Inbetriebnahmetool tauscht ebenfalls über OPC UA seine Daten mit der TwinCAT-Steuerung aus.

Neben der Herstellerunabhängigkeit ist für Manz die IT-Security ein wichtiger Aspekt. Hier bietet OPC UA den klaren Vorteil, dass die entsprechenden Sicherheitsmechanismen bereits in den Kommunikationsstacks integriert sind. Im Falle von Beckhoff komme hinzu, dass als Early Adopter schon sehr früh ein OPC-UA-Client auf der Steuerungsseite implementiert wurde.

Autor: Jörg Rottkord, Branchenmanager Automobilindustrie, Beckhoff

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