Leistungsschub im Converting mit PC-based Control und Ethercat

CMD weiß, dass eine flexible Automatisierung und hohe Wiederholgenauigkeit in der Verpackungsindustrie unerlässlich sind. Diese Anforderungen erfüllt der OEM-Anbieter durch die ständige Weiterentwicklung seiner kundenspezifischen Kunststoffverarbeitungslösungen. Damit folgt man dem eigenen Namen, der ein Akronym für Custom Machinery Design ist.

Für einen Lohnfertiger im Bereich E-Commerce begann das Unternehmen mit der Entwicklung einer neuen Maschine zur Herstellung von Versandverpackungen. Laut Scott Fuller, Product Line Manager, Intermittent Motion Products bei CMD, hatten dabei ein hoher Durchsatz und intuitive Bedienung oberste Priorität: „Durch den höheren Automatisierungsgrad ist die neue Maschine viel schneller geworden, und das war für unseren Endkunden entscheidend.“ Dieser Endkunde stellt Verpackungen für Onlinehändler her, welche die bestellte Ware überwiegend in Kunststoffbeuteln versenden. Eine weitere Kundenanforderung: Die Beutel sollten sich zur automatischen Befüllung eignen.

Nächstes Level der Automatisierung

In dem optimierten Verarbeitungsprozess wickelt die Maschine 1400-GEC zwei Rollen mit Folienmaterial ab, erfasst einen Aufdruck auf den Rollen und bringt eine kontinuierliche Längsversiegelung auf. Nach einer Reihe von Querstanzungen und -siegelungen wird das Mater-ial je nach Auftrag in bis zu fünf Bahnen von Beuteln geschnitten und mit einer Perforation zur einfachen Abtrennung versehen. Bevor die Beutel nach Kundenvorgabe gebrauchsfertig in Kartons verpackt werden, führt das System eine visuelle Inspektion durch, indem es Luft in das offene Ende des Beutels bläst und das entstehende Formprofil misst.

„Die Maschine beinhaltet neuartige Automatisierungsprozesse. Sie wechselt von der kontinuierlichen zur intermittierenden Bewegung und im Auslauf wieder zurück zum kontinuierlichen Ablauf. In jeder dieser Phasen führt sie verschiedene Aufgaben aus“, erklärt Scott Fuller. „Dadurch unterscheidet sie sich von den Maschinen, die wir bisher entwickelt haben.“

Für die Unterstützung dieser anspruchsvollen Funktionen war eine leistungsfähige Echtzeit-Steuerungsplattform erforderlich. Darüber hinaus musste das Entwicklerteam enge Zeitvorgaben einhalten, denn es war von entscheidender Bedeutung, das Projekt termingerecht fertigzustellen und eine fehlerfreie, zuverlässige Lösung zu übergeben.

Leistungsstarke Programmierwerkzeuge

Als durchgängige Engineering- und Laufzeitplattform vereint die Automatisierungssoftware Twincat alle Funktionen von SPS und Motion Control bis hin zur inte-grierten Sicherheit und IoT. Bei der Programmierung der Bedienoberfläche mit Twincat HMI konnte CMD moderne Webdesign-Standards wie HTML5, Javascript und CSS nutzen. Die neue responsive Oberfläche erhöht die Benutzerfreundlichkeit mit intuitiver Bedienung.

Bei der Programmierung der Maschinensteuerung mit Twincat profitierte CMD von der engen Zusammenarbeit mit den Softwareexperten des Special-Projects-Teams (SPT) von Beckhoff USA. Das SPT-Framework baut auf Branchenstandards wie ISA-TR88 und Pack-ML sowie den entsprechenden Bibliotheken in Twincat auf. Es vereinfacht die Programmierung der Kommunikation zwischen den Maschinen in einer Produktionslinie. Vorteil für die Programmierer: Sie müssen nicht bei jedem Projekt bei null anfangen, sondern können bestehenden Code wiederverwenden oder einfach an neue Anforderungen anpassen.

Klare Effizienzsteigerung

Als Maschinensteuerung für die gesamte Linie dient ein Embedded-PC CX2033. Für die hohe Leistungsfähigkeit des hutschienenmontierten Controllers von Beckhoff sorgt ein Dual-Core-Prozessor AMD Ryzen, der darüber hinaus Leistungsreserven für die Zukunft bietet. „Wenn man mit einer nicht so leistungsstarken Steuerung arbeitet, reagiert das HMI träger. Setzt Twincat-HMI-Server aber auf einem CX2033 mit seinen großzügigen Rechenressourcen auf, spricht das Touchpanel sofort an“, erklärt Software-Ingenieur Adam Benson von CMD.

Ethercat-Koppler EK1914 integrieren mit digitalen Standard- und Safety-I/Os die Kommunikation entlang der Linie. Denn die I/O-Segmente der verschiedenen Stationen beinhalten neben Ethercat-Klemmen für Standardsignale auch Twinsafe-Klemmen für funktionale Sicherheit. Dadurch kann CMD jedem Werkzeug der Linie Sicherheitsfunktionen wie Not-Halt zuweisen.

Die bewegungsintensive Applikation von CMD profitiert von der exakten Synchronisierung der leistungsfähigen Beckhoff-Antriebstechnik über Ethercat. Das Multiachs-Servosystem AX8000 und Servomotoren AM8000 steuern die vierzehn Achsen der Maschine. „Für seine hohe Leistung baut das Servosystem AX8000 sehr kompakt“, so CMD-Elektroingenieur Jason Plutz. „Und durch den Einsatz der integrierten Safe-Torque-Off-Funktionalität konnten wir zwei große Schütze einsparen, was den Platzbedarf im Schaltschrank erheblich reduziert.“

Für zwei Achsen der Beutelverpackungsmaschine nutzt CMD die Kurvenscheiben-Funktion in Twincat 3. Der Beutelöffner war ursprünglich im Bereich der intermittierenden Bewegung positioniert, wurde zur Steigerung der Effizienz jedoch weiter nach hinten verlagert. Durch die Extrapolation der kontinuierlichen Bahnverarbeitung über Kurvenscheiben wird der Beutelöffner exakt so gesteuert, dass die gewünschte Bewegung im richtigen Moment ausgeführt wird.

Für die Zukunft aufgestellt

Durch den Einsatz des Software-Frameworks von Beckhoff konnte CMD die Wiederverwendbarkeit des Codes auf 90 % steigern. Twincat HMI half dem Team, eine intuitivere Bedienoberfläche zu entwickeln, die zudem eine große Anpassungsfähigkeit bietet. „Die neue Bedienoberfläche ähnelt unserem alten HMI, bietet nun aber ein deutlich übersichtlicheres und benutzerfreundlicheres Design“, sagt Software-Ingenieur Adam Benson.

Die Steuerung der Maschine mit dem leistungsfähigen Embedded-PC CX2033 über Ethercat reduzierte die Zykluszeiten. „Dass alles mit derselben hohen Geschwindigkeit gescannt wird, ist ein großer Vorteil. Man muss sich keine Gedanken mehr über die Kommunikation zwischen Prozessstationen machen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeiten, da alles zur gleichen Zeit aktualisiert wird“, erklärt Jason Plutz. So konnte das CMD-Team die angestrebte Durchsatzrate von rund 60 m Kunststofffolie pro Minute erreichen. Bei etwa 100 Beuteln pro Minute und Bahn entspricht dies der beeindruckenden Gesamtzahl von 300 bis 500 produzierten Beuteln pro Minute.

Für die Zukunft plant CMD eine Aufrüstung auf den Embedded-PC CX2043 mit einer Quad-Core-CPU AMD Ryzen, um die Leistung der Maschinensteuerung weiter steigern zu können. Da das breite Industrie-PC-Portfolio von Beckhoff auf Skalierbarkeit ausgelegt ist, ermöglicht es solche Leistungsanpassungen ohne einen erneuten Engineeringaufwand.

Flexibilität für die Zukunft

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