PC-based Control Standbodenbeutelmaschine erweitert bisherige Leistungsgrenzen

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Beim Redesign seiner Standbeutelmaschine 760-SUP setzte der US-Maschinenbauer CMD Corp. auf Automatisierungstechnik von Beckhoff. Reduzierte Komplexität, ein sicheres, offenes Maschinendesign und eine 40 % schnellere Umrüstung bei 90 % Verfügbarkeit sind das Ergebnis.

Verarbeiter wissen, wie viele Arbeitsschritte und gezielte Entscheidungen nötig sind, um Folienrollen in Beutel und Taschen zu verwandeln. Um die Flexibilität der Standbeutelmaschine 760-SUP für die Anpassung an neue Marktanforderungen zu sichern, beschloss der US-Maschinenbauer CMD Corp. ein umfassendes Redesign. Mit der Steuerungstechnik von Beckhoff erreichte er eine 40 % schnellere Umrüstung bei 90 % Verfügbarkeit und großen Leistungsreserven für die Zukunft.

Flexibilität für weitere kundenspezifische Anpassungen

Obwohl frühere Versionen des Standbodenbeutelsystems 760-SUP vom Markt gut angenommen worden waren, hatten die Ingenieure die Leistungsfähigkeit der alten Steuerungsplattform bis an ihre Grenzen ausgereizt und sie bot keine Flexibilität für weitere kundenspezifische Anpassungen. Diese Fähigkeit ist CMD aber wichtig, um seinem Namen weiter alle Ehre zu machen – er steht für Custom Machinery Design. Seit mehr als 40 Jahren ist das Unternehmen aus Appleton, Wisconsin, bestrebt, seinen Kunden mit maßgeschneiderten Converting- und Verpackungsanlagen einen Wettbewerbsvorsprung zu verschaffen. Also begannen die Entwicklungs- und Produktteams von CMD Ende 2021, die Maschine von Grund auf neu zu konzipieren. Das bedeutete mechanische Änderungen und eine neue Steuerungsplattform. Scott Fuller, Product Line Manager, Intermittent Motion Products bei CMD, zu den Zielsetzungen: „Der Markt fordert von den Herstellern von Beutelmaschinen eine noch schnellere Umrüstung und intuitivere Bedienung – bei weniger Ausschuss.“

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Neuer Bewegungsspielraum

„Die erste Änderung, die wir vornahmen, um den Verarbeitungsunternehmen einen Vorteil zu verschaffen, war das Abnehmen der Haube“, erklärt Scott Fuller. Die Verwendung von Lichtvorhängen anstelle physischer Barrieren ermöglicht eine offene Bauweise. Dadurch können die Bediener die Maschine zum Umrüsten betreten, was benutzerfreundlicher ist, die Identifizierung von Maschinenteilen vereinfacht und den Formatwechsel beschleunigt.

Zweitens konzentrierte sich CMD auf die Versiegelungstechnologie selbst. Maschinen zur Verarbeitung von Folie zu Beuteln falten das Material in der Regel auf die gleiche Weise, aber beim Versiegeln gelten je nach Folie und Prozess viele verschiedene Anforderungen. „Unsere Versiegelungs- und Zippertechnologien ermöglichen die leistungsstarke Verarbeitung von herkömmlichen Folien“, sagt Scott Fuller. „Aber diese Standbodenbeutelmaschine bietet nun auch hochmoderne Funktionen zur Verarbeitung neuer recycelbarer Beutelmaterialien und digitaler Druckverfahren.“

Vor diesen Änderungen an der Maschine stand jedoch die Suche nach einer neuen Automatisierungstechnologie. Diese sollte ausreichend Leistung und Geschwindigkeit für eine qualitativ hochwertige, wiederholgenaue Verarbeitung bieten sowie Flexibilität für die Zukunft. Für die nächste Generation des 760-SUP entschied sich der Maschinenbauer letztendlich für die EtherCAT- und PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff.

Roboterbasierte Schweißanlage

Höhere Bearbeitungsqualität und weniger Belastung

Zusätzliche Leistungsreserven

Beim Redesign der 760-SUP arbeitete CMD eng mit dem lokalen Beckhoff-Entwicklungsteam zusammen. Der regionale Beckhoff-Vertriebsleiter Don Seichter, Applikationsingenieur Dave Ross und Rob Lecheler, zuständig für allgemeinen technischen Support, halfen bei der Spezifikation der Komponenten und dem Wechsel zur Automatisierungssoftware TwinCAT 3. „CMD verfügte bereits über ein solides Fundament an technischem Know-how“, sagt Dave Ross. „Das ermöglichte ihnen einen schnellen Wechsel von ihrer vorherigen Plattform zu PC-based Control von Beckhoff. Zum Beispiel verwendeten sie bereits objektorientierte Programmiermethoden, was die Konvertierung des vorhandenen Codes beschleunigte.“

Eine durchgängige Umgebung

TwinCAT bietet eine durchgängige Engineering- und Laufzeitumgebung für alle Aspekte der Maschinensteuerung, von der SPS bis hin zu IoT-Anwendungen. Integriert in Microsoft Visual Studio, ermöglicht TwinCAT den Ingenieuren, in der richtigen Sprache für ihre Anwendung zu programmieren. TwinCAT Scope, Drive Manager 2 und andere Teile des Software-Toolkits erleichterten CMD außerdem die Konstruktion und Inbetriebnahme

Die TwinCAT-Laufzeitumgebung läuft auf einem Embedded-PC CX2033. Unterstützt durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung von Beckhoff dient der CX2033 als zentrale Maschinensteuerung für die 760-SUP. Ein Dual-Core-AMD-Ryzen-Prozessor sorgt für großzügige Leistungskapazität, so Jason Plutz, Elektroingenieur bei CMD: „Wir arbeiten mit etwa 15 % CPU-Last auf nur einem der beiden Kerne der Steuerung. Wir scannen mit dem CX2033 extrem schnell, und wir könnten ihn noch schneller laufen lassen. Eine solche Leistung habe ich bei den alten Controllern noch nie gesehen.“

Schnelle und sichere Steuerung mit EtherCAT

Die 760-SUP-Maschine verfügt über einen Bereich mit kontinuierlicher Bewegung zum Zuführen und Falten der Folie sowie einen Bereich mit intermittierender Bewegung für das Versiegeln und das Einfügen der Zipper. Für eine Stanze auf der kontinuierlichen Seite war früher spezielle Hardware und ein hoher technischer Aufwand nötig, um ihre Ansteuerung mit der Materialposition zu synchronisieren. Hier brachte EtherCAT einen Leistungsschub. „Die Geschwindigkeit von EtherCAT, kombiniert mit der deterministischen Steuerung und einem Encodermodul von Beckhoff, integriert die eingehende Materialposition und die Stanze für die Bodenfalte nahtlos mithilfe von Standard-I/O-Modulen“, sagt Don Seichter von Beckhoff. „Die Beckhoff-Lösung reduziert hier die Komplexität.“

Zusätzlich zwei integrierte sichere Ein- und Ausgänge

Die analogen Eingangsklemmen EL3314 und EL3318 ermöglichen den kompakten, direkten Anschluss von mehreren Thermoelementen zur exakten Temperaturregelung der Schweißschienen. Eine weitere platzsparende Technologie, der EtherCAT-Koppler EK1914, bietet neben den Standard-Digitalein- und -ausgängen zwei integrierte sichere Ein- und Ausgänge. Das bedeutet, dass CMD für viele unterschiedliche Anforderungen eine kleine Anzahl von TwinSAFE-I/Os mit integrierten funktionalen Sicherheitsfunktionen installieren kann. So konnte CMD auch die erforderlichen Lichtvorhänge, Not-Halt-Schalter und andere Sicherheitsvorrichtungen zum Schutz der Bediener unkompliziert integrieren und gleichzeitig ein offenes Maschinendesign beibehalten. „Bei unserer vorherigen Konstruktion mussten wir Kabel von jedem Werkzeug zu einem separaten Sicherheitssystem verlegen. TwinSAFE hat uns das abgenommen“, sagt Jason Plutz.

Die hochgenaue Synchronisation über EtherCAT lieferte auch einen Vorsprung im Bereich Motion Control, nämlich in Verbindung mit dem Multiachs-Servosystem AX8000 und verschiedenen Servomotoren der Reihe AM8000. „Diese Servotechnologien bieten eine unglaubliche Leistung mit hochauflösendem Feedback in einem platzsparenden Design“, sagt Jason Plutz.

Wiederholgenauigkeit und hohe Leistung

Bevor Folienmaterialien überhaupt in den Verarbeitungsbetrieben ankommen, müssen sie extrudiert, bedruckt und laminiert werden. Daher ist Abfall, der zu diesem Zeitpunkt entsteht, besonders teuer, erklärt Scott Fuller von CMD. Aber weniger Ausschuss durch hohe Genauigkeit ist nicht das einzige, was die Maschineneffizienz verbessert. Auch kürzere Rüstzeiten und Nebenzeiten fallen dabei ins Gewicht.

Für die Entwickler von CMD reduzierte die Umstellung auf die Beckhoff-Plattform die Test- und Debugging-Zeiten um mehrere Wochen. EtherCAT beschleunigte die Inbetriebnahme durch das Einscannen aller Geräte im Netzwerk. Der Einsatz des Drive Manager 2 reduzierte die Zeit für die Abstimmung der Motoren um den Faktor drei. Die Beckhoff-Technologien gewährleisten eine präzise, reproduzierbare Bewegungssteuerung für das Einschweißen des Zippers. Das sichere, offene Maschinendesign, das durch TwinSAFE möglich wird, führte zu 40 % schnelleren Umrüstungen als bei Wettbewerbsmaschinen. Alles in allem gewährleistet das neu konzipierte System einen hohen Durchsatz mit Betriebszeiten von über 90 %, so die Kunden von CMD. All diese Veränderungen führen zu einem besseren und schnelleren Return on Investment für die Endanwender. Dies veranschaulicht CMD auf seiner Website mit einem ROI-Rechner, der alle Details aufzeigt.

Darüber hinaus lassen die PC-basierte Automatisierungstechnik und EtherCAT den Anwendern Raum, um zu wachsen. CMD beabsichtigt, die Offenheit und Konnektivität der PC-basierten Steuerung zu nutzen, um in Zukunft Edge-Computing- und IoT-Funktionen zu implementieren, und plant, weitere seiner Maschinenlinien auf Beckhoff umzustellen.