Zentrales Automatisierungskonzept: Flexible Automatisierung von Verpackungsmaschinen

Der Name sagt es bereits: Kartoniermaschinen verpacken Produkte in Pappschachteln. Der Begriff \’Produkte\‘ muss in diesem Zusammenhang weitläufig betrachtet werden: Langenpac baut Maschinen für die Nahrungsmittelindustrie, für die Pharma-Industrie, für Hersteller von Pflegeprodukten und für unzählige Verbrauchsgüter. \“Wir haben es mit unglaublich vielen Produktvarianten zu tun. Bei einem Kunden geht es um die Verpackung von Taschentüchern, bei dem anderen um die Verpackung von Pizzen\“, erläutert Francisco van Bentum, Vertriebsingenieur bei Langenpac. \“Dieser Variantenreichtum allein stellt keine große Herausforderung für eine Kartoniermaschine dar. Es gibt lediglich Unterschiede in Größe und Ausrichtung der Verpackungen. Wir bieten sowohl seitliche Zuführsysteme als auch die Zuführung von oben an. Die Arbeitsabläufe bzw. das Antriebskonzept bleiben dieselben: Die Verpackungen werden gefaltet, durch die Linie geführt, befüllt, verschlossen und entladen. Von der hohen Varianz der Produkte sind besonders die Drucksysteme betroffen, deren Arbeitsabläufe hängen unmittelbar vom Produkt ab. Dabei geht es nicht nur um Form und Größe der zu verpackenden Produkte, sondern auch um deren physikalische Eigenschaften. Zum Beispiel kann man Taschentücher nicht so fest zusammenpressen wie eine Kekspackung. Kleine Kontaktlinsen im Blister können sehr viel schneller gehandhabt werden als beispielsweise die zuvor erwähnten Pizzen – an Geschwindigkeiten werden hier bis zu 500 Schachteln pro Minute erreicht. Je nach Produkt ist unter Umständen ein passendes Drucksystem vonnöten, beispielsweise eines mit einer sinusartigen Zuführung oder eines mit Unterbrechungsmechanismus, sodass vielerlei verschiedenartige Produkte über eine Einzelzuführung auf die Verpackungslinie gegeben werden können. Für diesen Fall ist auch ein System zur Bündelung für die Linie empfehlenswert. All diese Tatsachen bedingen eine hohe Diversität der Systemparameter.\“ Antriebs-, Steuer- und Leittechnik \“Wir arbeiten seit elf Jahren mit Lenze an der Entwicklung intelligenter Antriebs-, Steuer- und Leittechnik-Konzepte für unsere Maschinen\“, erläutert van Bentum. In der Vergangenheit sei vieles davon im Unternehmen selbst übernommen worden. Es habe sich aber herausgestellt, dass es lohnenswert sei, einen Partner zu suchen, der sich um alle Belange rund um die Antriebs-, Steuer- und Leittechnik kümmert – angefangen bei der Spezifikation bis hin zur Ausführung von Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen. Lenze verfügt über ein breites Produktportfolio bei den mechanischen Antriebslösungen wie auch im Bereich der elektrischen Antriebs- und Steuerungstechnik. \“Das hat es uns ermöglicht, die beste Wahl für jeden Teilbereich unserer Verpackungslinien zu treffen\“, sagt van Bentum. \“Darüber hinaus war die Umsetzung einer derart weitreichenden Standardisierung ohne Verlust an Flexibilität und Integrationsmöglichkeiten machbar.\“ Das ist in der Branche der Verpackungsmaschinen ein wichtiges Argument. \“Wenn wir in der Lage sind, Maschinen anzubieten, die mühelos mehr als zehn Jahre verlässlich arbeiten, dann ist das für uns ein wertvolles Argument\“, so van Bentum. Außerdem räumt er ein, dass auch Teile von Drittanbietern verbaut werden können, sofern Anwender dies wünschten. Mithilfe der offenen Bus-Systeme CAN­open und Ethercat sei die Integration kein wirkliches Thema mehr. Die einzelnen Komponenten hätten nahezu jede vorstellbare Freigabe erhalten – einschließlich UL und CSA – sodass Langenpac als weltweit agierendes Unternehmen nie mit Überraschungen in dieser Hinsicht konfrontiert sei. Zwei Standard-Systeme Account Manager John Peijen sowie die Ingenieure von Langenpac stellen die passende Dimensionierung der Antriebe und mechanischen Komponenten sicher. Die Software-Lösung von Lenze zur Dimensionierung der Antriebe kommt häufig bei der Zusammenstellung der Komponenten zum Einsatz. In dieser Phase können auch andere Themen wie der Energieverbrauch in die Planung mit einbezogen werden. Zuvor allerdings kommen Martijn Theunissen, Applikationsingenieur bei Lenze, und Elektrotechniker Theo Hendriks von Langenpac regelmäßig zusammen, um über die bestmöglichen Konzepte für Antriebe nachzudenken und eine Roadmap für zukünftige Maschinen auszuarbeiten. Wie dieses Teamwork aussieht, beschreibt Theunissen: \“Unsere intensive Zusammenarbeit hat schließlich dazu geführt, dass wir gemeinsam zwei Standards entwickelt haben: einen für Kartoniermaschinen, die eigentlich immer die gleiche Anzahl Achsen und Funktionen aufweisen, und einen für die unterschiedlichen Drucksysteme.\“ Vorteile birgt nach Ansicht des Ingenieurs der von Lenze verfolgte Ansatz, je nach Anwendung entweder ein Drive-based oder ein Controller-based Automatisierungssystem einzusetzen – insbesondere für Anwender wie Langenpac. \“Da man für Kartoniermaschinen keinen großen Bedarf an Flexibilität hat, haben wir Servo-Antriebe vorgeschlagen. Jede Maschine ist mit einem Servo Drives 9400 ausgestattet. Das System besteht aus einem Hauptantrieb, dem die weiteren Achsen folgen. Diese Einheit wird üblicherweise von einer separaten SPS gesteuert, da dies von unseren Kunden so gewünscht wird. Es ist aber möglich, jede gewünschte Gangart schnell zu konfigurieren; Kosten lassen sich vor allem im Hardware-Bereich sparen. Wir setzen Verstärker für die Servo-Antriebe in Kombination mit der Regeltechnik für die Drucksysteme ein, denn diese erfordern mehr Flexibilität. Das wiederum bringt uns eine Menge mehr Möglichkeiten für die Synchronisierung der Systeme Langenpac Smart Belt und Servo Train.\“ Das System Smart Belt ist ein Drucksystem, in das jedes Produkt in welcher Ausrichtung auch immer eingegeben und über Sortierbänder unterschiedlicher Art und Länge zugeführt werden kann. Was das System Servo Train betrifft, so handelt es sich um einen Servozug, bei dem zwei oder mehrere Fächer das Produkt an einem bestimmten Punkt aufnehmen. Der Servozug synchronisiert seine Geschwindigkeit und Position mit dem sich kontinuierlich bewegenden Kartonierer. Wenn die Fächer voll beladen sind, laufen sie automatisch zur Abladeposition und können entleert werden. Für Theunissen und Hendriks liegt es nahe, sich in diesem Fall für ein steuerungsbasiertes Automatisierungskonzept zu entscheiden. \“Wenn man mit so vielen verschiedenen Funktionen umgehen muss, empfiehlt es sich, die Auflösung der sich ergebenden Variationsmöglichkeiten in der Software zu belassen. Das bedeutet gar nicht so viel Programmierungsaufwand. Da wir die Systeme modular erstellt haben, können die benötigten Funktionsblöcke ganz einfach aus der Bibliothek des SPS-Designers gezogen werden, und die Maschine ist im Nu betriebsbereit. Nur zur Verdeutlichung: Wenn wir am Morgen eine Software für eine neue Standardmaschine hochladen, steht diese Maschine bereits am Nachmittag vollkommen einsatzbereit zur Verfügung\“, betont Hendriks. Energie und Sicherheit Gefragt nach den heiß diskutierten Themen im Maschinenbau – Sicherheit und Nachhaltigkeit – macht Hendriks deutlich, dass Paketierer diesbezüglich keine anderen Ansprüche haben als andere Anwender. Dominierende Faktoren sind hier wie dort Verlässlichkeit, Geschwindigkeit und Lieferfristen. Darüber hinaus müssen alle Maschinen selbstverständlich sämtlichen Richtlinien und Regularien entsprechen. Einige der Funktionen, die Lenze standardmäßig anbietet, adressieren genau diese Faktoren, wie Theunissen erläutert: \“Da die DC-Busse der Antriebe direkt miteinander verbunden sind, können diese gegenseitig Energie anzapfen. Vorteil hiervon ist: Wenn eine Achse ausgebremst ist, während eine mit der gleichen Masse um diesen Betrag schneller läuft, dann ist im Endergebnis der Energieverbrauch gleich null (abgesehen von einigem unvermeidbaren Verlust).\“ Darüber hinaus gebe es eine Menge Aufregung im Hinblick auf die neue Regulierung für IE2-Maschinen, wofür geeignete Maßnahmen ergriffen wurden, z.B. indem der Synchronantrieb eingesetzt wurde. Mit Blick auf Sicherheitsfragen streicht Theunissen heraus, dass die verwendeten Systeme im Allgemeinen \’Safety integrated\‘ vertrieben werden. \“In der derzeitigen Bauweise kann z.B. \’Safe Limited Speed (SLS)\‘ verbaut werden. Allerdings ist das mehr eine Frage, die in den Bereich antriebsgesteuerter Standard fällt und die sowohl Kartoniermaschinen als auch Drucksysteme betrifft.\“ In diesem Fall findet die Kommunikation in puncto Drive-based Safety-Funktionen über Profisafe statt. Ein Konzept \’Safety over Ethercat\‘ ist für steuerungsbasierte Lösungen in der Entwicklung. Langenpac will allerdings erst auf Nachfrage der Anwender mit diesen Innovationen arbeiten. Die Zukunft fest im Blick Drive-based oder Controller-based Standards, die für die Verpackungslinien entwickelt wurden, erinnern an die oft heftige Diskussion unter Maschinenbauern über zentrale oder dezentrale Steuerungskonzepte. Das bleibt auch für Langenpac und seine Anwender ein Thema. Hendriks: \“An und für sich arbeiten wir an der Ausrichtung auf einen zentralisierten Standard, der voll und ganz auf einem Bewegungssteuerungsprozess basiert. Viele unserer Kunden wollen eine separate SPS in der Kartoniermaschine verbaut haben – in diesem Fall wäre es eine Verschwendung von Geldmitteln, eine Bewegungssteuerung zu verbauen.\“ Abgesehen davon wartet man in der Welt der Verpackungsmaschinen schon seit Längerem auf eine Bewegungssteuerung, die nicht nur alle Achsen direkt steuert, sondern darüber hinaus in der Lage ist, alle Informationen über Ethernet an ein darübergelegenes System durchzureichen. Beispielsweise geht es um ein HMI oder aber auch die notwendigen Daten für ein MES. All diese Informationen umständlich aus unterschiedlichen Antrieben zu ziehen, bedeutet einen zusätzlichen Aufwand. Die Variante der Automatisierungstechnik, die Lenze verfolgt, basiert auf einer CPU: Motion Centric Automation. Sie bietet Flexibilität und spart Hardware-Kosten. Nächste Schritte folgen. So will Langenpac den L-force Controller