Wie eine Maschinensteuerung Backprozesse optimiert

Der italienische Dichter Giovanni Pascoli nannte sie „das Brot oder vielmehr das Nationalgericht der Menschen in der Romagna“. Ihr Ursprung geht auf die Zeiten der alten Römer zurück. Aber noch heute ist die Piadina unter Erwachsenen und Kindern sehr beliebt. Im Laufe der Jahre hat die Piadina-Herstellung die Grenzen Italiens überschritten und im Ausland schnell Verbreitung gefunden – stets mit großem Erfolg.

Nach den Daten des Konsortiums zur Förderung und zum Schutz der Piadina Romagnola ist die Piadine-Produktion im Jahr 2020, auch aufgrund der Covid-19-Pandemie, rapide angestiegen und hat 22.030 t erreicht. Dies entspricht einer Steigerung von 23,3 % gegenüber dem Vorjahr. Um die wachsende Nachfrage des Marktes bedienen zu können, sind gut funktionierende Produktionslinien unerlässlich.

Pick-and-place-System mit Optimierungsbedarf

Aus diesem Grund wandte sich ein Piadina-Produktionswerk in der Provinz Rimini an den Systemintegrator Bosso Automazioni. Das seit 2001 aktive Unternehmen aus Rimini konstruiert als Systemintegrator kundenspezifische Maschinen und stützt sich bei der Umsetzung seiner Ideen auch auf eine Partnerschaft mit Yaskawa.

Diese Zusammenarbeit hat es ermöglicht, das Pick-and-place-System der Anlage, welches zum Stapeln der Piadine für die Verpackung zum Einsatz kommt, zu überarbeiten. Das frühere System war stark veraltet, basierte auf einem unzeitgemäßen Ansatz und enthielt Komponenten (beispielsweise Kameras), die nicht dem Industriestandard entsprechen.

Mit ihren zwei Delta-Robotern, die jeweils von einer separaten Steuerung mit Mechatrolink-II-Schnittstelle und Sigma-7-Servomotoren geführt wurden, hatte die Produktionslinie nie die gewünschten Ergebnisse erzielt. Selbst mit dem Einsatz eines zusätzlichen Roboters waren die Probleme geblieben: geringer Wirkungsgrad, mangelhafte Produktaufnahme, häufige Komponentenausfälle, Überlastung der Verstärker. Mit den höheren Produktionsraten, die zur Deckung der Spitzennachfrage erforderlich sind, hätten sie sich vermutlich noch verschlimmert.

Die Anforderungen des Endkunden waren deshalb klar: Beseitigung der Steuerungs-, Zuverlässigkeits- und Zyklusprobleme, Erhöhung der Produktivität auf 85 Piadine pro Minute (5.100 Piadine pro Stunde), Reduzierung des Ausschusses auf unter 3 %, Verbesserung der Lebensdauer der verwendeten Geräte, der Motorabstimmung und der Qualität der Bewegungsabläufe, um Ausfälle der Servomotoren zu vermeiden beziehungsweise zu verringern. Zusätzlich zu all diesen Anforderungen sollte versucht werden, den Umfang der Änderungen am bestehenden System so gering wie möglich zu halten.

Die Komplexität der Anwendung war beträchtlich: Das Aufnehmen und Ablegen der Piadine sollte zwischen gegenläufigen Förderbändern stattfinden. Der Vorgang erfordert eine extreme Variabilität, sowohl in Bezug auf die Form als auch auf die Positionierung. Für das Aufnehmen und das Ablegen ist daher der Einsatz von Conveyor-Tracking-Funktionen an den laufenden Bändern erforderlich. Die Piadine werden in unregelmäßigen Abständen aus einer langen Backlinie mit anschließender Abkühlung herausgefahren. Hinzu kam eine weitere Kundenanforderung: Die Verpackungen, die eine variable Anzahl enthalten, sollten ästhetisch ansprechend aussehen. Als oberstes Produkt muss eine Piadina mit den typischen dunklen Röstspuren für den Verbraucher sichtbar positioniert werden.

Um die Anwendung zu steuern, wurde eine Lösung benötigt, die mit einer Vielzahl von (auch nicht-industriellen) Komponenten zusammenwirken kann. Die Maschinensteuerung MP3300IEC RBT wurde auf Firmware-Ebene in die Steuerung integriert. Man entschied sich für die Verwendung einer einzigen Steuerung für die gesamte Anlage, wodurch das Konzept der „singulären Steuerung“ konkretisiert wurde und die in Wechselwirkung stehenden Funktionen der Komponenten selbst besser gesteuert werden konnten.

Doch damit nicht genug, ein weiterer Faktor verkomplizierte die ohnehin schon schwierige Situation: Da es sich bei dem Endanwender um einen Supermarktlieferanten handelt, der im Drei-Schicht-Betrieb arbeitet, konnte die Produktionslinie während der Migration auf die Yaskawa-Komplettlösung nicht unterbrochen werden.

Die zu berechnende Dynamik war komplex, sowohl wegen der hohen Variabilität als auch wegen der Verwendung einer Kamera (anstelle eines echten Vision-Systems). Die Kamera war außerhalb des Roboter-Arbeitsbereichs positioniert, was die Kalibrierung zusätzlich erschwerte.

Zur Anwendung gehörten auch Nicht-Yaskawa-Roboter, sodass die Wahl auf die Maschinensteuerung MP3300IEC RBT fiel. Da zuvor keine Praxistests möglich waren und die Produktion nicht gestoppt werden durfte, entschied sich das Yaskawa-Team dazu, die Effizienz der Sortieralgorithmen in einer Simulation über das HMI-Panel der Zelle zu testen.

Die Idee war, die Anwendung auf dem Simulator zu entwickeln und zu testen und dann von der Simulation auf die reale Maschine zu wechseln. Die Ergebnisse waren überzeugend: Die maßgeschneiderte Simulation ermöglichte es, das Lastmanagement zu optimieren und die Geschwindigkeit der Roboter schnell anzupassen. Als die reale Zelle in Betrieb war, ermöglichte der Simulator die Visualisierung des Prozesses in Echtzeit. Aufgrund der Flexibilität der für die Anwendung entwickelten Algorithmen konnte auch die charakteristische Unregelmäßigkeit der ankommenden Produkte gemanagt werden. Das Ziel, etwa 6.000 Piadine pro Stunde zu stapeln, wurde erreicht, und der Prozentsatz der Ausschussware wurde auf null reduziert.

Energieeffizienz der Roboter verbessert

Das Know-how von Yaskawa in den Bereichen Datenerfassung, Risikoanalyse und Projektmanagement war der Schlüssel zum Erfolg dieser Anwendung. Von großer Bedeutung war auch das Ergebnis in Bezug auf die Energieeffizienz: Während ursprünglich jeder Delta-Roboter über eine eigene Steuerung geführt wurde, gibt es nun für die gesamte Lösung eine singuläre Steuerung. Die kumulative Last wurde auf 55 % des ursprünglichen Werts reduziert und die Servomotoren wurden von 1,0 kW auf 750 Watt verkleinert.

Zusammengefasst ermöglichte es die Optimierung der Bewegungsabläufe, die durchschnittliche Lebensdauer der Anlage zu verlängern, die Betriebskosten zu senken, Ausfallzeiten und Ausschuss zu vermeiden und somit die Anlage insgesamt rentabler zu machen.