PC-basierte Steuerungs- und Antriebstechnik bei Verpackungsmaschinen für die Lebensmittelindustrie
Die SEALPAC GmbH, weltweit aktiver Hersteller von Maschinen für die Lebensmittelverpackung mit Hauptsitz in Oldenburg, stieß bei seiner bisherigen Automatisierungstechnik an Grenzen. Mit der offenen und durchgängigen Systemlösung PC-based Control von Beckhoff konnte er Abhilfe schaffen und dabei vielfältiges Optimierungspotenzial im Engineering und Maschinenbetrieb erschließen – und das mit einer äußerst schnellen Komplettumstellung innerhalb von nur rund 14 Monaten.
Die schnelle Umsetzbarkeit der PC-basierten Steuerungs- und Antriebstechnik bestätigt Thomas Hegeler, Projektleiter bei SEALPAC: „Die Steuerung des kompletten Verpackungszyklus inkl. Safety-Applikation war schon nach ungefähr einem halben Jahr umgestellt, sodass die Verpackungsmaschinen bereits nach etwas mehr als einem Jahr an die Kunden ausgeliefert werden konnten. Wir haben dies u. a. bei unseren Amax-Serie Traysealern umgesetzt und werden sukzessive auch die Steuerungstechnik in unseren weiteren Maschinentypen ersetzen.“
Die Traysealer der Amax-Serie sind Hochleistungsmaschinen diverser Leistungsklassen für die automatisierte Lebensmittelverpackung. Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Präzision sind ebenso Ansprüche an die Maschinen wie auch die prozesssichere Verarbeitung nachhaltiger und immer leichter werdender Materialien der Zukunft. Daran geknüpft sind stetig wachsende Anforderungen an die Technik innerhalb der Maschine, während die Bedienung und Wartung der Maschinen einfacher werden müssen.
PC-based Control für mehr Effizienz
Als offenes, durchgängiges und vor allem praxiserprobtes System für die Steuerungs- und Antriebstechnik hat sich PC-based Control als optimale Lösung für mehr Effizienz in der Maschinenautomatisierung angeboten. Die Ausgangssituation erläutert Thomas Hegeler folgendermaßen: „Wir benötigten eine vollumfängliche Automatisierung bis hin zum HMI, und zwar für ein komplettes Maschinenkonzept mit unterschiedlichsten Maschinenausführungen. Mit dieser Zielsetzung und bisheriger Technik kamen wir nicht weiter. PC-based Control hat hier den Zeit- und Integrationsaufwand deutlich reduziert.“
Beckhoff-Vertriebsingenieur Thomas Kaiser verdeutlicht einen besonders wichtigen Aspekt dabei: „PC-based Control lässt sich fein skalieren und damit optimal an die jeweilige Applikation anpassen, bei Bedarf auch an später gestiegene Anforderungen. So würde im Fall der Traysealer steuerungstechnisch zwar ein Industrie-PC mit der mittleren Rechenleistung eines Intel-Atom®-Prozessors ausreichen, aufgrund der leistungsfähigen HTML5-Visualisierung – realisiert mit TwinCAT HMI – kommt nun aber ein Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6032 mit Intel®-Core™-i5-CPU zum Einsatz.“ Insbesondere die Visualisierung und die Verarbeitung der Maschinendaten ist für SEALPAC von großer Bedeutung, wie Thomas Hegeler bestätigt: „Das ist für uns ein zentrales Thema, das zukünftig sicher auch zu weiter steigenden Steuerungsanforderungen führen wird. TwinCAT bietet hier als modulare und dabei auch komfortabel nutzbare Softwareplattform, z. B. mit Funktionen für Motion, HMI, Vision und Machine Learning, alle Möglichkeiten. Hinzu kommt die einfach skalierbare Hardware, d. h. bei Bedarf können wir einfach den C6032 mit einem leistungsstärkeren Prozessor nutzen, ohne den IPC-Formfaktor und damit die Maschinenkonstruktion ändern zu müssen.“
Verpackungsmaschinen stellen insbesondere im Motion-Bereich hohe Anforderungen. Mit der EtherCAT-basierten Antriebstechnik von Beckhoff konnte SEALPAC auch in diesem Bereich profitieren – laut Thomas Hegeler sogar in dreierlei Hinsicht: „Insgesamt war die Zusammenarbeit mit den Beckhoff-Experten, auch den direkten Ansprechpartnern in der Produktentwicklung, ein großer Vorteil. In einem solch komplexen Bereich wie der Antriebsauslegung hat sich dies besonders ausgezahlt und viel Entwicklungszeit gespart. Als zweiter Aspekt kommen die hohe Qualität und Leistungsfähigkeit der Beckhoff-Antriebstechnik – das Multiachs-Servosystem AX8000 und die Servomotoren AM8000 – hinzu. Mit der zuvor eingesetzten Servotechnik waren wir hinsichtlich der Geschwindigkeit an Grenzen gestoßen. Drittens benötigen wir weniger Motortypen und erhalten durch das AX8000-System Maschinen, die sich für alle Spannungen weltweit bis hin zum 200-V-/3-Phasen-Netz in Japan eignen. Damit verbunden ist auch eine deutlich reduzierte Lagerhaltung.“
Komfortable Maschinenbedienung als wichtiges Kriterium
Eine optimale Maschinenbedienbarkeit ist für SEALPAC ein entscheidender Faktor. Als Hardware kommen hierfür kundenspezifische Edelstahl-Multitouch-Control-Panel CP39xx von Beckhoff zum Einsatz, bei kleineren Maschinen mit 15,6-Zoll-Display und bei größeren Anlagen in 18,5-Zoll-Ausführung. Dazu erläutert Thomas Hegeler: „Multifinger-Touch, hochwertige Full-HD-Grafikdarstellungen sowie ein CI-konformes Design mit Labeling und passender Tastererweiterung stellt für uns ein klares Qualitätskriterium im Maschinenbau dar. Dessen Bedeutung wird zukünftig durch den vermehrten Einsatz von Grafiken und Animationen bzw. die etablierten Smartphone-Bediengewohnheiten sicher noch zunehmen. Bereits heute gibt es Fälle, in denen die Maschinenbediener bei der Maschinenwahl mitentscheiden können.“
Einige der umgesetzten kundenspezifischen Besonderheiten der Control Panel beschreibt Thomas Kaiser: „Eine Anforderung bestand darin, die SEALPAC-eigene RFID-Lösung einfach integrieren zu können. Dies ließ sich mit nur geringen Anpassungen basierend auf unserem Standardgehäuse problemlos realisieren. Weiterhin wurde das Gehäuse inkl. des Edelstahl-Tragarmadapters genau an die Optik der sandgestrahlten Maschineneinhausung angepasst, d. h. mit der entsprechenden Korngröße ebenfalls sandgestrahlt.“
Grundvoraussetzung für eine schnell und reibungslos ablaufende Visualisierung ist ausreichende Rechenleistung, wie sie der Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6032 bereitstellt. Laut Thomas Hegeler war dabei vor allem die äußerst kompakte Bauform das entscheidende Auswahlkriterium, da Schaltschrankplatz immer zu knapp sei. Der C6032 biete als modulare IPC-Variante mit skalierbaren Schnittstellen- und Funktionserweiterungen außerdem den Vorteil der hohen Anschlussflexibilität für künftige Systemergänzungen und habe sich bisher insgesamt in der Anwendung ohne jegliche Ausfälle bewährt.
Schnelle EtherCAT-Kommunikation, effiziente Einkabeltechnologie
Hinsichtlich der Datenkommunikation bietet PC-based Control von Beckhoff ebenfalls zahlreiche Anwendungsvorteile für SEALPAC. Zum einen lassen sich durch die Systemoffenheit und das breite Spektrum an EtherCAT-Klemmen auch Komponenten von Drittanbietern, wie z. B. Ventilinseln und Frequenzumrichter, oder die IT-Welt einfach in die Steuerungstechnik einbinden. Zum anderen hat EtherCAT nach den Erfahrungen von Thomas Hegeler seine Leistungsfähigkeit als schnellstes Industrial-Ethernet-System am Markt in der Praxis bewiesen.
Die EtherCAT-basierte Servoantriebstechnik von Beckhoff erleichtert die Maschinenkonstruktion auch unter einem weiteren Aspekt, wie Thomas Hegeler verdeutlicht: „Die One Cable Technology (OCT) von Beckhoff reduziert den Zeit- und Materialaufwand für die Verkabelung deutlich. Zudem sieht die Maschine wesentlich übersichtlicher und aufgeräumter aus. Zusätzlich erleichtert das elektronische Typenschild die Inbetriebnahme.“ Und eine kundenspezifische Anpassung habe auch in diesem Fall eine wichtige Rolle gespielt: „Die bislang verwendeten Motoren wurden konventionell über zwei Kabel angeschlossen, die allerdings sehr dünn waren und sich daher besonders einfach innerhalb der Maschine verlegen ließen. In enger Zusammenarbeit mit Beckhoff konnte hier aber eine vergleichbare Lösung für die OCT-Motoranschlussleitung gefunden werden: Da die Motoren ohne Bremsen auskommen, konnte auf zwei Leitungsadern verzichtet und somit der Kabeldurchmesser verringert werden. Weiterhin wurde ein um 60° angewinkelter Motoranschlussstecker entwickelt, durch den sich zusätzlich Bauraum einsparen lässt. Das alles hat uns sehr geholfen.“
Zukunftssicherheit durch PC-based Control
Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Portfolioerweiterung im Rahmen von PC-based Control bietet ein zusätzliches hohes Maß an Investitionsschutz mit Blick auf zukünftige Maschinenanforderungen. Zu den jüngsten Produktneuheiten, deren Einsatz SEALPAC prüfen wird, zählt das Betriebssystem TwinCAT/BSD von Beckhoff. Es wurde als Multicore-fähiges, Unix-kompatibles Betriebssystem für TwinCAT 3-Echtzeitanwendungen konzipiert und vereint die Vorteile von Windows CE – kostengünstig und kleiner Footprint – mit den zahlreichen Eigenschaften der großen Windows-Betriebssysteme. Dazu Thomas Hegeler: „Als Vorteile sehen wir hier die trotz geringem Footprint hohe Performance sowie die Unabhängigkeit von Windows, die von manchen Kunden u. a. aus Security-Gründen gewünscht wird.“