Digitalisierung

Smarte Sensoren für intelligente Verpackungsmaschinen

Höchste Kommunikationsfähigkeit der Sensoren liefert die Informationen zur Diagnose und Selbstüberwachung.
(Bild: Sick)

Um all dies zu realisieren, bedarf es vielfältiger und zeitnaher Informationen direkt aus der Maschine. Intelligente Sensoren, die Daten sammeln, interpretieren und daraus Informationen generieren sowie diese anschließend kommunizieren, sind in der Lage, diese Datenschätze zu heben und für leistungsfähige Verpackungsmaschinen sowie hochperformante Verpackungsprozesse zu nutzen. Sick geht mit seinem Smart Sensor-Portfolio aber noch weiter und nutzt die Intelligenz der Sensoren für zusätzliche Smart-Task-Funktionalitäten, mit denen unterschiedliche Prüf- und Automatisierungsfunktionen direkt im Sensor ausgeführt werden können. Beispielhaft genannt seien das Nachführen von Schaltschwellen bei der Kontrastmarkenerkennung oder der Detektion transparenter Folien und Gebinde, die automatische Aktivierung objekt-, format- oder rezepturbezogener Detektionsprofile oder die automatische Unterscheidung von Objekten, Objektkanten und Lücken im Materialstrom. Basis hierfür sind – aufbauend auf bewährten Sensortechnologien mit Best-in-Class-Detektionsvermögen – in die Sensoren integrierte Logikfunktionen zur Signalverarbeitung. Sie erlauben es, definierte Aufgaben autonom und dezentral auszuführen, wodurch Automatisierungssysteme und -netzwerke von Verpackungsmaschinen im Sinne von Edge Computing wirkungsvoll entlastet werden können.

Was zeichnet smarte Sensoren aus?

Generell sind Sensoren die Sinnesorgane von Maschinen – im Kontext der digitalisierten Fertigung sind sie zugleich Erstkontakt und Bindeglied zur Industrie 4.0. Wo es früher um das bloße Sammeln von Daten und um einfache Entscheidungen ging, ermöglicht Sensorintelligenz heute auch eine Aufbereitung, Weiterverarbeitung und Interpretation von Daten. Sensoren „fühlen“ also nicht mehr nur, sondern fangen im Rahmen der Digitalisierung auch an zu „denken“. Dadurch verwandeln sie Daten in wertvolle Informationen. Diese Intelligenz smarter Sensoren wird zum einen ergänzt um die Möglichkeit, diese Informationen zu kommunizieren, das heißt, sie mit der Steuerung einer Verpackungsmaschine oder einer Cloud-basierten Anwendung austauschen zu können. Zum anderen sind diese Sensoren in der Lage, definierte Aufgabenstellungen autonom zu übernehmen – in Form der bereits erwähnten Smart-Task-Funktionalitäten.

Die Vorteile, die die Intelligenz smarter Sensoren sowie ihre Kommunikationsfähigkeit bieten, ziehen sich wie ein roter Faden durch den gesamten Lebenszyklus von Verpackungsmaschinen. Bei der Integration und Erstinbetriebnahme der Sensoren in der Maschine können verschiedene Parameter-Einstellungen visualisiert, getestet und optimiert werden – am Gerät ebenso wie über die Steuerung. Hier können zudem verschiedene Sensor-Parameter-Sets auftrags- oder formatspezifisch hinterlegt und im laufenden Betrieb in den smarten Sensor geladen werden. Diese Möglichkeit zur flexiblen und simultanen Einstellung beliebig vieler Sensoren direkt aus der Steuerung durch den Download von Parametern wie zum Beispiel Tastweite, Hysterese oder Schaltschwelle spart Zeit, vermeidet Fehler und ist jederzeit dokumentierbar. Gleichzeitig wird die Verpackungsmaschine dadurch so intelligent, dass sie einem Wechsel von Produkten, Produktvarianten oder Verpackungsformaten eigenständig, schnell und prozesssicher durchführen kann.

Während des laufenden Betriebs von Verpackungsmaschinen führen die smarten Sensoren eigenständig eine permanente Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) durch. Gleichzeitig haben sie aber auch den Verpackungsprozess im Auge und informieren zeitnah über vorliegende oder zu erwartende Funktionsbeeinträchtigungen sowie einen möglichen Wartungsbedarf (Predictive Maintenance). Dies ermöglicht es, die Serviceintervalle der Verpackungsmaschine prozyklisch – und damit intelligent – zu optimieren, indem beispielsweise ein ohnehin geplanter Stillstand der Maschine für die Reinigung oder Wartung eines Sensors genutzt wird.

Enhanced-Sensing: Besondere Detektionsleistung ermöglicht es, auch verblassende Druckmarken und optische Kennzeichnungen schnell und zuverlässig zu erkennen.
(Bild: Sick)

Smarte Sensoren liefern packende Mehrwerte

Somit bieten intelligente und kommunikationsfähige Sensoren schon von Haus aus wichtige Eigenschaften und damit Vorteile für Verpackungsmaschinen. Zusätzlich smart werden sie – und das ist das Alleinstellungsmerkmal der Smart Sensor Solutions von Sick – durch direkt in die Sensoren integrierte Logikfunktionen zur Signalverarbeitung. Die Vorteile smarter Sensoren in der Verpackungstechnik bilden sich dabei je nach Anforderung und Aufgabenstellung in bis zu vier Themenfeldern ab: Enhanced Sensing, Effiziente Kommunikation, Diagnose und Smart Tasks.

Das Enhanced-Sensing-Merkmal der Smart Sensor Solutions stellt bei Bedarf eine besondere Detektionsleistung zur Verfügung. So bieten die Kontrastsensoren der Produktfamilien KTS, KTX und KTM von Sick eine dynamische Nachführung der Schaltschwelle. Diese ermöglicht es, auch verblassende Druckmarken und optische Kennzeichnungen schnell und zuverlässig zu erkennen. Dadurch werden Prozesse wie die lagerichtige Positionierung von Verpackungsmaterial, das Lochen oder Falten des Packmittels an der richtigen Stelle oder die Steuerung von Kuvertiermaschinen deutlich performanter und robuster – was die Produktivität der Verpackungsmaschine verbessert. Bei der Herstellung von Flaschen werden in der gleichen Anlage oft unterschiedliche Produktvarianten gefördert. Diese müssen im Flaschenstrom sicher detektiert und gezählt werden, um beispielsweise ein reibungsloses Umsetzen in eine Verpackungsmaschine zu ermöglichen. Die sensorische Herausforderung sind die starken Unterschiede hinsichtlich Formgebung und Oberfläche der Flaschen – also deren optisches Erscheinungsbild. Lichtschranke wie die WL12-G, die W4-3 Inox oder die WLG16 mit ClearSens-Technologie sind smarte Sensoren, die solche Aufgabenstellungen meistern, denn sie bieten die Möglichkeit, flaschenspezifische Sensoreinstellungen als vordefinierte Detektionsprofile zu speichern und automatisch passend zur Flaschenvariante aufzurufen. Dadurch arbeiten die Sensoren immer in der optimalen Parametrierung und gewährleisten so höchste Detektionssicherheit. Glänzende und spiegelnde Verpackungen erfordern ebenfalls ein besonderes Detektionsvermögen, denn sie spiegeln das Licht des Sensors in unterschiedliche Richtungen zurück – was bei herkömmlichen Sensoren zu Fehlschaltungen führen kann. Demgegenüber erreichen Lichtschranken wie die W16 durch ihre TwinEye-Technology höchste Funktionssicherheit, denn die Detektion erfolgt mithilfe zweier logisch verknüpfter Empfangselemente im Sensor. Nur wenn beide „Eyes“ zur gleichen Bewertung kommen, wechselt der Sensor den Schaltzustand.

Die effiziente Kommunikation als zweites Merkmal smarter Sensoren zeigt sich bei der digitalen Übertragung analoger Werte. Sie basiert auf dem bidirektionalen Kommunikationsstandard IO-Link und erfolgt über Standard-M12-Kabel parallel zur üblichen I/O-Kommunikation in der Verpackungsmaschine. Smarte Sensoren, wie die WTT12L Powerprox, ermöglichen es, bei der Inbetriebnahme, individuelle Sensor-Parametersätze für unterschiedliche Verpackungsformate oder Rezepturen über IO-Link in die Steuerung einzulesen und dort abzulegen. Im laufenden Betrieb werden sie dann über IO-Link beispielsweise passend zur jeweiligen Sekundärverpackung in den Sensor geladen. Damit bietet die Konnektivität smarter Sensoren intelligente und immer wieder auch neue Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität von Verpackungsmaschinen. Gleichzeitig liefern die Sensoren über die Kommunikationsschnittstelle wichtige Prozessinformationen, die sich für statistische Zwecke, zur Dokumentation, für Cloud-Applikationen oder zur Visualisierung auf stationären und mobilen Endgeräten nutzen lassen – womit das Thema Diagnose angesprochen ist.

Die Diagnose-Funktionalität der smarten Sensoren – sie wäre ohne deren Kommunikationsfähigkeit kaum denkbar – dient zum einen der Selbstüberwachung. Darüber hinaus kontrollieren die Sensoren eigenständig die Qualität und Robustheit ihrer Signale. Schließlich eröffnen Diagnosefunktionen im Umfeld digitalisierter Verpackungsprozesse die Möglichkeit, durch die Zustandsüberwachung die Verfügbarkeit von Verpackungsmaschinen deutlich zu verbessern. Angenehmer „Nebeneffekt“ für den Maschinenbauer ist, dass die Sensoren die Edge-Daten und Zusatzfunktion ohne Zusatzkosten bereitstellen und die in der Maschine selbst wie auch in der Cloud nutzbar machen – beispielsweise für Big Data-basierte Predictive Maintenance-Anwendungen.

Die smarte Lichtschranke WLG4SC-3 ist ebenfalls in der Lage, sich selbstständig zu überwachen. Hierzu wertet sie ihre Signalstärke und deren Veränderung beispielsweise durch Belagbildung aus und passt mit ihrer AutoAdapt-Funktion die Schaltschwelle dynamisch an die langsam verschmutzenden optischen Flächen des Sensors an. Aus Sicht des Verpackers ist auch dies eine intelligente Maschinenfunktion, durch die sich Reinigungszyklen deutlich verlängern, die Verfügbarkeit erhöht und die Servicekosten reduzieren. Zudem können Reinigungs- und Wartungsarbeiten so eingeplant werden, dass sie keinen negativen Einfluss auf die Produktivität der Verpackungsmaschine haben.

Die dezentrale Rechenkapazität smarter Sensoren – kombiniert mit ihrer flexiblen Programmierbarkeit – bildet die Grundlage einer ganzen Reihe von Smart Tasks, die Verpackungsmaschinen noch flexibler, dynamischer und effizienter machen. Mit der Smart Task „Objekt- und Lückenmonitor“ können Objekte und Lücken direkt im Sensor erfasst und gemessen werden. Erst bei Abweichungen von eingestellten Sollwerten sendet der Smart Sensor entsprechende Signale an die Steuerung – ansonsten herrscht eine das Netzwerk schonende „Funkstille“ zwischen dem Sensor und dem Automatisierungssystem. Gleichzeitig bietet der intelligente Sensor durch seine Konnektivität die Option, mit seinen Funktionen zur Verzögerung und Pufferung der Signale einen Aktor direkt anzusteuern und so die Ausschleusung autark – ohne Umweg über die Steuerung und das Netzwerk – zu regeln.

Diese und weitere Funktionen können Smart-Task-fähige, intelligente Sensor eigenständig ausführen. Sie sind zudem in der Lage, sich mit anderen Sensoren oder Aktoren direkt zu vernetzen, um Teilapplikationen im Sinne von Edge Computing ohne umfangreiche SPS-Kommunikation autark, schnell, effizient und kostengünstig zu lösen.

Smart Sensors: mehr Effizienz durch autarkes Handeln

Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit – das Nutzenpotenzial von smarten Sensoren ist zum einen ausgerichtet auf einen schrittweisen Effizienzgewinn für bestehende Aufgabenstellungen, zum Beispiel Parameterdownload für schnelles Umrüsten und einfacher Gerätetausch, Auftragsverwaltung und Condition Monitoring. Die Smart Tasks heben den Sensornutzen zugleich auf ein neues Niveau – denn mit ihrer dezentralen Intelligenz sind sie in der Lage, neue, höherwertigere Detektionsinformationen zu generieren, sich zu vernetzen und definierte Smart Tasks autark auszuführen. All dies macht die Smart Sensor Solutions von Sick für die Verpackungsindustrie zu einer höchst zukunftsrelevanten Technologie, mit der sich die Herausforderung digitalisierter Verpackungsprozesse auf technisch und wirtschaftlich effiziente Weise meistern lassen.

Über den Autor
Autorenbild
Marco Kaiser, Strategic Industry Manager Consumer Goods - Packaging im Global Industry Center Factory Automation der Sick AG, Waldkirch

Über die Firma
SICK AG
Waldkirch
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