RFID-Werkzeugerkennung: Reibungsloser Werkzeugwechsel für schnelle Produktumstellung

Geschwindigkeit zählt: Pro Stunde verlassen bis zu 10.000 mit Fleisch, Käse oder Fertiggerichten gefüllte und mit Folie versiegelte Kunststoffschalen die Verpackungsmaschine TwinStar. Jede noch so kleine Beeinträchtigung im Produktionsprozess bewirkt daher Produktionsausfälle und hohe Kosten. Bei der Entwicklung des TwinStar legte die GEA CFS Bühl GmbH (GEA CFS) deshalb größten Wert auf eine schnelle Einrichtung und die Gewährleistung eines störungsfreien Laufs der Anlage. Das Kemptener Unternehmen entwickelt und produziert Einzelmaschinen und Produktlinien für die Verarbeitung und Verpackung von Fleisch, Geflügel, Fisch, Käse und anderen Lebensmitteln. Die Anforderung an den TwinStar bestand darin, unterschiedliche Produkte in ebenso vielfältigen Verpackungen konfektionieren zu können. Auch die Gewährleistung einer schnellen Produktumstellung galt als wichtiges Kriterium. Ein entscheidender Faktor hierfür war der zügige Wechsel der aus vier Einzelteilen bestehenden Werkzeuge. Wenn Werkzeugober- und -unterteile sowie rechte und linke Greifer falsch kombiniert werden, kann es zu Abscherungen der Greifer oder zur Zerstörung der Folienmesser kommen. \“Da sich die Werkzeuge manchmal sehr ähnlich sehen, können sie leicht verwechselt werden\“, betont GEA CFS-Softwareentwickler Patrick Wiedenmann. Schnell kann es dann zu Maschinen- und Produktionsausfällen von mehreren Tagen kommen. Um solche Störungen auszuschließen und den reibungslosen Werkzeugwechsel sicherzustellen, entschieden sich die Produktentwickler des TwinStar für die Markierung der Werkzeuge mit RFID-Datenträgern und -Schreibleseköpfen. Schlüssel-Technologie RFID setzt sich durch Eine eindeutige Identifikation von Objekten mittels elektronischer Etiketten (Datenträger/Tags) wird möglich durch die Technologie der Radio Frequency Identification (RFID). Der Speicher eines Tags enthält eine vordefinierte, unverwechselbare Nummer und einen Bereich zur Speicherung ergänzender Objektinformationen: Der Schreib-Lese-Kopf gestattet das Programmieren von objektspezifischen Parametern und erlaubt es, den Werdegang des Objekts nachzuvollziehen. \“War die RFID-Technologie bis vor einigen Jahren ausschließlich IT-Experten vertraut, ist sie mittlerweile im Alltag vieler Industriebereiche angekommen\“, erklärt Norbert Matthes, Produktmanager RFID/Senorik bei Contrinex. Vor allem in der automatisierten Fertigung basieren heute flexible, sich selbst steuernde Systeme auf RFID. Da keine Sichtverbindung zwischen Tag und Schreib-Lesekopf erforderlich ist und Informationen im Datenträger erweitert, verändert oder gelöscht werden können, verdrängt die RFID-Technologie zunehmend Identifikationssysteme, die sich auf Barcodes und Lasermarkierung stützen. Schnell, einfach, fehlerlos: zuverlässiger Werkzeugwechsel Beim Werkzeugwechsel müssen alle Teile des alten Werkzeugs aus der Maschine entfernt werden, um im zweiten Schritt die neuen Werkzeuge einsetzen zu können. Anschließend lädt der Operator die Maschinenparameter für das neue Produkt und startet die Maschine. Die RFID-Werkzeugerkennung (RFC) stellt sicher, dass diese Schritte fehlerfrei erfolgen: Die Tags enthalten alle erforderlichen Informationen über die Art des Werkzeugs, zu welchem Produkt es gehört und welche anderen Werkzeugteile zu ihm passen. Diese Daten werden von den Schreibleseköpfen ausgelesen und an die Maschinensteuerung weitergegeben. Passen alle vier Werkzeugteile zusammen, beginnt der TwinStar mit der Produktion. Wird über die RFIDs festgestellt, dass ein Werkzeugteil fehlt, die Werkzeuge nicht zusammen gehören oder falsche Parameter geladen wurden, informiert die Maschinensteuerung den Operator über den genauen Fehler. Die Maschine gibt den Prozess frei und startet erst, wenn sämtliche Fehler behoben, die korrekten Werkzeuge eingebaut beziehungsweise die richtigen Parameter geladen wurden. Die Kontrolle der Werkzeuge erfolgt dabei ohne Zeitverlust im Hintergrund – unbemerkt von dem Maschinenbediener. Dadurch ist der TwinStar ausgesprochen bedienerfreundlich: Der Operator muss lediglich seine Arbeitsanweisungen abarbeiten. Edelstahl für gehobene Hygieneansprüche Maschinen, die in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, müssen zusätzliche Bedingungen erfüllen, besonders im Bereich der Hygiene. Diese Bedingungen galt es bei der Auswahl geeigneter RFID-Datenträger und RFID-Schreibleseköpfe zu berücksichtigen: Weil die Verpackungsanlagen mindestens einmal täglich gründlich eingeschäumt und gereinigt werden, bestehen sie aus Edelstahl. Auch die RFID-Einheiten sind den aggressiven Reinigungsmitteln ausgesetzt und müssen diese extreme Belastung schadlos überstehen. Außerdem müssen sie in der Edelstahlumgebung der Maschine störungsfrei funktionieren. Mit diesen Vorgaben machten sich die Entwickler von GEA CFS auf die Suche nach geeigneten RFID-Transpondern. Versuche mit Kunststoff-RFIDs scheiterten aufgrund gehobener Hygieneansprüche. Bei anderen Fabrikaten gab es Probleme mit Reflektionen durch die Edelstahlumgebung. Letztlich konnten nur die Produkte eines Herstellers die Anforderungen der Kemptener Entwickler erfüllen: die Ganzmetall-RFID Datenträger und – Schreibleseköpfe aus V2A-Edelstahl des Sensorspezialisten Contrinex. \“Contrinex war der einzige Hersteller, der unseren Vorgaben gerecht wurde\“, berichtet Patrick Wiedenmann. Der Kontakt zu dem Schweizer Sensorspezialisten kam Mitte 2010 zustande. GEA CFS entschied sich im Fall des TwinStar für Metalldatenträger vom Typ RTM2160 mit M16-Gewinde und der Schutzart IP68. Diese sind bündig einbaubar und können durch das Metall hindurch beschrieben bzw. gelesen werden. Die Speicherkapazität der Tags beträgt 120 Worte zu je 16Bit. Diese oder gleich ganze Speicherbereiche kann der Anwender mittels persönlicher Identifikationsnummer (PIN) lese- und/oder schreibschützen. Die Anzahl der Schreibzyklen beträgt bei diesem Typ der Datenträger 100.000, die Zahl der Lesezyklen ist unbegrenzt. Laut Hersteller bleiben die Daten zehn Jahre erhalten. Die Schreibleseköpfe mit einem Durchmesser von M18 basieren auf der patentierten Con­Ident-Technologie. Diese ermöglicht die Herstellung der Datenträger und Schreib-Lese-Köpfe aus einem einteiligen, mechanisch wie chemisch nahezu unzerstörbarem Edelstahlgehäuse, die bündig oder sogar versenkt eingebaut werden können. Dabei sorgt das Verfahren für vergleichsweise große Schaltabstände, obwohl sich auch die aktive Fläche hinter einer dichten Ganzmetallhülle verbirgt. Im Fall der RFID-Transponder in dem TwinStar beträgt der Schreibleseabstand zwischen zwei und fünf Millimetern. Die RFID-Auswertgeräte gibt es wahlweise mit Schnittstellen zu RS485, Profibus, Devicenet und Ethernet/IP. Beim TwinStar entschieden sich die Entwickler für ein Gerät mit vier Schreibleseköpfen und serieller RS485-Schnittstelle in Kombination mit einem separaten TCP/IP-Adapter, der die Daten aus der Auswerteinheit an die Maschinensteuerung überträgt. Contrinex entwickelte diesen Adapter für die TwinStar-Anwendung. \“Die TCP/IP-Schnittstelle hat für uns viele Vorteile. Das Protokoll ist einfach zu implementieren, die Schnittstelle bereits in der Maschine vorhanden und es ist sichergestellt, dass kein Datenpaket verloren geht\“, erklärt Patrick Wiedenmann. Die Software macht den Unterschied Bei der Entwicklung der Technologie galt es, eine Reihe von Herausforderungen zu meistern. Wie bei jeder neuen Technik war es erforderlich, die Funktionsweise der Hardware und die Kommunikation mit der Auswerteeinheit sowie deren Bedienung in Einklang zu bringen und in die Maschinensoftware zu integrieren. Eine weitere Aufgabe für die Softwareentwickler bestand darin, die Abläufe so weit zu automatisieren, dass der Operator einen gewohnten Arbeitsablauf ohne Abweichungen hat: Mögliche Fehlerquellen durch zusätzliche Arbeitsschritte, beispielsweise das Quittieren neuer Meldungen, sowie Wartezeiten durch das Auslesen der Tags galt es daher, auszuschließen. Zudem sollte die RFID-Software über den TwinStar hinaus auch für andere Maschinen adaptiert werden können. All diese Anforderungen konnte das Team um Patrick Wiedenmann umsetzen. Eine Patentierung für die Werkzeugteilkennzeichnung per RFID-Tags ist bereits erfolgt, weitere Einsatzmöglichkeiten an anderen Verpackungsmaschinen prüft GEA CFS derzeit. Die RFID-Werkzeugerkennung wurde bereits auf der Interpack 2011 präsentiert.