Lebensmittelkonzerne versuchen im harten Wettbewerb, Marktanteile hinzu zu gewinnen, indem sie laufend die Verpackungsformen verändern und weiterentwickeln. Für die Hersteller von Verpackungsmaschinen bedeutet dies, dass sie die Mechanik und Elektronik ihrer Anlagen in immer kürzeren Abständen an neue Vorgaben anpassen müssen. „In der Vergangenheit haben die Schnittstellen zwischen den Automatisierungsprodukten unterschiedlicher Lieferanten immer wieder zu einem erheblichen zeitlichen und finanziellen Mehraufwand geführt, wenn eine Maschine neu zu entwickeln oder zu modifizieren war“, umreißt Stefan Wächter, geschäftsführender Gesellschafter der Wächter Packautomatik, eines der daraus resultierenden Problemfelder für die Hersteller.

Für das Unternehmen mit Sitz in Bad Wünnenberg-Haaren ist dies auf Dauer kaum tragbar, da die Lebensmittelindustrie eine der wichtigsten Absatzbranchen für die Kartonaufrichter, Befüller, Pick&Place-Systeme und andere Verpackungsanlagen des weltweit agierenden Spezialisten für Endverpackungstechnologie ist. „Erschwerend kommt hinzu, dass die einzelnen Lebensmittelhersteller sehr dezidierte Anforderungen an Platzbedarf, Leistung und Flexibilität der Maschinen haben und kurze Reaktionszeiten sowie attraktive Preise von ihren Lieferanten erwarten“, fügt der Geschäftsführer an.

Schlanke Automatisierungsarchitektur: Der gewählte Drive-based Ansatz spart Platz und hilft bei der Prozessoptimierung. Im Bild zu sehen: Ein servogeführter Vakuum-Sauger zieht einen Kartonzuschnitt aus dem Magazin ab.

© Lenze

Der Wunsch nach einer deutlichen Reduzierung der Kosten stand folglich mit an erster Stelle, als sich die Verantwortlichen anlässlich einer Modifikation der bestehenden Tray-Aufrichter-Maschinenserie nach Alternativen zu dem bis dato verwendeten Automatisierungssystem umsahen, welches aus Produkten unterschiedlicher Hersteller aufgebaut war. Auslöser für die Entwicklung des Tray-Aufrichters mit der Bezeichnung „Tablomat D“ waren spezielle Vorgaben für eine neue Wellpappeverpackung (Tray) eines deutschen Discounters, der Waren direkt ohne Umpacken aus dem Regal verkauft. Zusätzliche Laschen auf der Frontseite sollen dafür sorgen, dass die bei konventionellen Trays sichtbare stehende Welle des Wellpappekartons im Bereich der Entnahme-Öffnung verdeckt wird. Dies wertet die Verpackung optisch auf und beseitigt die Verletzungsgefahr beim Entnehmen der Ware.

Konkret faltet und verklebt der Tablomat D Kartonzuschnitte inklusive der Abdeck-Laschen zu fertigen Regalverpackungen. Aus einem Zuführmagazin wird dazu ein Kartonzuschnitt mithilfe eines Vakuumsaugers separiert, abgelegt und anschließend via Band zur ersten Bearbeitungsstation transportiert. Dort hält eine Vorrichtung den Zuschnitt und faltet die langen Seitenlaschen vor. Während des Weitertransports des Zwischenprodukts zu einer Schacht-Stempel-Einheit werden Klebepunkte appliziert. Danach nimmt die Maschine die Faltungen einschließlich des Krempelns der Dekolletee-Laschen vor und fördert die fertig aufgerichtete Verpackung abschließend aus.

Die Realisierung eines solchen Tray-Aufrichters erfordert das komplette Spektrum der einzusetzenden Automatisierungstechnik: Benötigt werden auf der Steuerungsseite Visualisierung, Ablaufsteuerung (Logic) sowie Bewegungsführung (Motion) im Kurvenverband, auf der Antriebsseite die Servo-Achsen für die Umsetzung der Bewegung und natürlich I/O sowie Sicherheitstechnik. Die bis dato auf der Basis von Komponenten unterschiedlicher Automatisierungstechnik-Lieferanten aufgebaute Automatisierung basierte auf einem zentralen Steuerungskonzept, bei dem Visualisierung und SPS von einem Hersteller, die Servo-Achsen von einem zweiten und die Sicherheitstechnik in Form diskreter Safety-Baugruppen von einem dritten Lieferanten kamen.

Die Vorteile der Drive-based Architektur

Ein Servomotor transportiert den Kartonzuschnitt mittels Zahnriemen durch den Tablomat D von Wächter.

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Die angesprochene Schnittstellen-Prob­lematik löste Wächter, indem der Ver­packungsmaschinenhersteller das Automatisierungssystem für den neuen Kartonaufrichter komplett – das heißt vom Kegelradgetriebemotor und Servomotor bis hin zum I/O-System und den Steuerungs- und Visualisierungsgeräten – nur noch aus einer Hand bezieht – und zwar von Lenze. Doch damit nicht genug: Anstelle des vormaligen, zentralen Steuerungsansatzes entschieden sich die Verantwortlichen für einen Umstieg auf eine dezentrale, Drive-based Architektur. Durch die Realisierung der neuen Architektur konnte das Unternehmen sowohl den Engineering-Aufwand als auch die Kosten reduzieren, wie Stefan Wächter hervorhebt: „Mit dem Wechsel von einer zentralen Architektur zu einer dezentralen Drive-based Architektur haben wir beispielsweise den bisher erforderlichen zweiten Schaltschrank eliminiert, den Verkabelungsaufwand verringert und die Inbetriebnahme vereinfacht.“

Die Drive-based Architektur bot sich für den Tray-Aufrichter geradezu an, da die Motion-Funktionalität das Herzstück der Maschine bildet und relativ aufwendig ist, da die Bewegung von drei Achsen harmonisiert werden muss, während der Ablaufsteuerungsanteil vergleichsweise gering ist. Die Intelligenz der eingesetzten Servo-Antriebe vom Typ „9400 HighLine“ reicht aus, um sowohl die Abläufe als auch die Bewegungen der Maschine zu steuern. Als weiteren Pluspunkt der umgesetzten Lösung nennt Wächter, „dass wir nicht mehr – wie in der Vergangenheit – mit Schrittketten programmieren, sondern mit einem elektronischen Nockenschaltwerk und einer Master-Achse arbeiten. An die werden die weiteren Achsen als Slave-Achsen mühelos aufsynchronisiert.“ Die Inbetriebnahme gestaltet sich entsprechend einfacher: Waren bei der Optimierung der Bewegungsabläufe früher Programmierer gefragt, kann dies bei der aktuellen Lösung weniger versiertes Personal übernehmen, da – ohne Programmierung – nur noch in der grafischen Bedienoberfläche Stützpunkte zu verändern sind. Auch die integrierten I/Os der Servos hat der Maschinenbauer zu seinem Vorteil genutzt. Mit den schnellen Ausgängen werden Nocken geschaltet, die das Setzen von Leimpunkten vor dem Falten des Kartons präzise steuern.

Die Querkommunikation zwischen den Servos erfolgt über einen CAN-Bus. Ein weiterer CAN-Bus dient als Logik-Bus. An ihm hängen als Visualisierungsgerät ein Gerät aus der EL-100-Familie sowie eine I/O-Station auf Basis des modularen I/O-Systems 1000 von Lenze. Am selben CAN-Segment ist ein Frequenzumrichter angeschlossen, der den Getriebemotor eines Auslaufbands ansteuert. Neben der Steuerungssoftware und der Auslegung der Antriebstechnik hat Lenze die Visualisierungssoftware für die Maschine umgesetzt. Parallel dazu baute Wächter eigenes Know-how auf.

Integrierte Sicherheit erleichtert die Fehlersuche

Ein HMI mit Handterminal sorgt für die einfache Inbetriebnahme, Bedienung und Wartung der Anlage.

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„Ein absoluter Vorteil der vom Automatisierungstechnik-Lieferanten vorgeschlagenen und ausgearbeiteten Architektur ist, dass die Antriebe auch die Sicherheitsfunktionen übernehmen“, betont Wächter. Damit wurden die bisher erforderlichen separaten Sicherheitsschaltgeräte überflüssig. Die neue Lösung bietet zusätzlich zur bereits zuvor vorhandenen Funktion „Sicher abgeschaltetes Moment“ (STO) nun die Funktion „sicher begrenzte Geschwindigkeit“ (SLS).

Die integrierte Safety-Lösung und der Wegfall der eigenständigen SPS hat auf der Hutschiene zu so viel Platzgewinn geführt, dass ein kompletter Schaltschrank überflüssig wurde. „Zudem nutzen wir nun bisher nicht verfügbare Funktionen, wie sichere Maximalgeschwindigkeit oder sicher begrenzte Geschwindigkeit“, erläutert Firmenchef Wächter und ergänzt: „Dies erleichtert uns die Inbetriebnahme und die Fehlersuche wie auch die Pro­zessoptimierung erheblich.“

Inbetriebnahmezeiten um 25% reduziert

In der Vergangenheit setzte Wächter auf eine separate Safety-Lösung; beim neuen Tablomat D übernehmen die eingesetzten Servoantriebe diese Aufgabe gleich mit.

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Nach Einschätzung des Geschäftsführers hat Wächter mit dem Einsatz der neuen Lösung eine Reduzierung der Inbetriebnahmezeiten von mindestens 25 % sowie eine deutliche Vereinfachung bei der Wartung und Optimierung der Maschine erreicht. Hierzu hat laut Stefan Wächter maßgeblich die angesprochene Reduzierung der Schnittstellen beigetragen: „Die eingesetzten Komponenten sind aufeinander abgestimmt und Software-Inkompatibilitäten damit ausgeschlossen. Selbst beim Ausfall eines Reglers im Feld ist so sichergestellt, dass der Motor nach dem Einbau eines Ersatzgeräts sofort funktioniert, da beides von einem Hersteller kommt.“ Und sogar das Engineering hat sich seiner Aussage nach damit deutlich vereinfacht. „Mussten wir früher jeweils für die Programmierung und Inbetriebnahme der Steuerung, der separaten Sicherheitssteuerung und der Antriebe nicht kompatible Werkzeuge der unterschiedlichen Lieferanten einsetzen, bewegen wir uns heute nur noch in ‚einer Welt‘.“

Die entstandenen Potenziale wusste Wächter gewinnbringend zu nutzen: Unter anderem wurde die Taktzahl der Maschine im Vergleich zur Vorgängerlösung von 25 auf 30 angehoben. „Bei dieser Gelegenheit haben wir alle gegenwärtig für diesen Maschinentyp denkbaren Funktionen bereits in die auf unsere Anforderungen hin maßgeschneiderte Software integriert“, ergänzt Wächter und konkretisiert: „Diese ist so modular aufgebaut, dass wir flexibel auf sich verändernde Anforderungen reagieren können. Beispielsweise sind wir in der Lage, günstigere Varianten der Maschine, bei denen statt Servos Pneumatikachsen eingesetzt werden sollen, ganz ohne zusätzlichen Programmieraufwand zu realisieren.“