Verpackungsmaschinen mit einem Embedded-PC steuern

Die Tiefziehverpackungsmaschinen-Generation R 535 des Verpackungsspezialisten Multivac hat neue Maßstäbe gesetzt: Sie verpackt automatisch unterschiedliche Produkte, zum Beispiel Wurst, Fisch und Käse, aber auch Industriegüter und medizinische Sterilgüter je nach Anforderung in Vakuum-, Schutzgas-, Skin- oder Blisterverpackungen. Die Maschine verfügt über eine Abzugslänge von 1600 mm und arbeitet mit bis zu 30 Takten pro Minute. Die R 535 hebt sich von den bisherigen Tiefziehverpackungsmaschinen auch durch ihre innovative Steuerungstechnik ab.

Von seinem Steuerungslieferanten forderte Multivac Modularität für eine große Bandbreite an Funktionen, Vernetzbarkeit, Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit, Servicefreundlichkeit, leichte Bedienbarkeit und offene Architektur. Deshalb setzt Multivac heute PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff in allen automatischen Maschinen seines Produktspektrums ein. Kern der Maschinensteuerungen sind Embedded-PC der CX-Serie mit Windows XP Embedded als Betriebssystem und der Automatisierungssoftware Twincat.

Angefangen hat diese Zusammenarbeit mit der Entwicklung der R 535. Ende 2005 wurde in den ersten Prototypen der Embedded-PC CX1000 eingesetzt. Seit Anfang 2007 sind ungefähr 1500 Verpackungsmaschinen mit dem Embedded-PC CX1020 ausgeliefert worden.

Zusätzlicher PC für die Visualisierung kann entfallen

Äußerst platzsparend ist der CX1020 als Kopf der Klemmenstationen im Schaltschrank untergebracht. Je nach Komplexität der Maschinen und der Steuerungstechnik wird ein Embedded-PC mit entsprechender Leistung eingesetzt. Die PC können für SPS, Motion Control und die von Multivac entwickelte Visualisierung genutzt werden. Durch den Einsatz der PC-Steuerungstechnik mit Embedded-Betriebssystem ist es möglich, das HMI in die Steuerung zu integrieren. So kann auf einen zusätzlichen PC für die Visualisierung verzichtet werden.

Das Multivac-Bedienpanel wird über DVI/USB an den CX angeschlossen. Die Ethernet-Schnittstellen erlauben die Einbindung in das Unternehmensnetzwerk und unterstützen einen Internetzugang, so dass die Möglichkeit zur Fernwartung gegeben ist. Modular ergänzbare CX-Systemschnittstellen und Feldbusanschaltungen integrieren beispielsweise Motion-Lösungen über CAN-open oder Device-Net.

Das Multivac-Produktspektrum reicht von kleinen Maschinen für das manuelle Verpacken bis hin zu komplexen Verpackungsanlagen für die Großserie in Industrieunternehmen. In den automatischen Maschinen sorgt der Embedded-PC als zentrale Steuereinheit für optimale Maschinenprozesse. Durch die direkte Anbindung des CX an die I/O-Klemmen entfällt bei den kompakteren Modellen ein zusätzlicher Feldbus. Bei sehr großen und komplexen Verpackungsanlagen ist auch eine dezentrale Steuerung mit mehreren Embedded-PC möglich.

Kein Verpackungsautomat gleicht dem anderen

Die Verpackungsmaschinen sind zu einem großen Teil Serienprodukte, dennoch gleicht kein Verpackungsautomat dem anderen. Die Verpackungslösungen müssen den Wünschen der Kunden entsprechen. Deshalb sind die Maschinen modular aufgebaut, so dass kundenspezifische Lösungen individuell konfiguriert und die Module angepasst werden können. Auf der Ebene der Steuerungstechnik kommt dabei das modulare Produktprogramm von Beckhoff zum Einsatz. Für jede Konfiguration wird aus dem Busklemmen-I/O-Sortiment die für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Komponenten ausgewählt.

In der R 535 binden Beckhoff-Busklemmen sowohl Sensoren zur Temperaturerfassung mit Thermo-elementen oder Wegmesser mit SSI-Geber-Schnittstelle als auch Zusatzgeräte zum Bedrucken oder Schneiden der Folien in die Steuerung ein. Schrittmotorklemmen positionieren die Motoren der Drucker. Kommunikationsklemmen sowie das breite Spektrum an Buskopplern integrieren auch Geräte mit seriellen Schnittstellen und anderen Feldbussen.

Sicherheitskomponenten wie Not-Halt und Schutzabdeckungen bringen die bei Verpackungsmaschinen notwendige Sicherheit. Bisher verdrahtete Multivac die sicherheitsrelevanten Komponenten konventionell. Bei der R 535 sind die Sicherheitsfunktionen via Twinsafe-Klemmen direkt in das Busklemmensystem integriert. Die sicherheitsrelevanten Daten werden vor Ort erfasst und in der Twinsafe-Logic-Klemme ausgewertet. Für eine sichere Kommunikation sorgt das zertifizierte Twinsafe-Protokoll. Maschinenbezogen werden die notwendigen Twinsafe-Klemmen ausgewählt und in die Steuerung integriert.

Steuerung auf Ethercat-Basis verbessert Reproduzierbarkeit

Um die Potenziale von Twinsafe voll ausschöpfen zu können und die Reproduzierbarkeit und Präzision der Maschinen durch kürzere Taktzeiten zu verbessern, stellte Multivac seine Steuerung auf Ethercat um. Damit werden die Signale schneller erfasst und die Taktzeiten der Maschinen optimiert. So können das Potenzial der PC-basierten Steuerung mit ihren Hochleistungsprozessoren besser ausgeschöpft und die Achsmodule der Anlagen schneller und präziser gesteuert werden.

Innerhalb kürzester Zeit verpacken die R-535-Tiefziehverpackungsmaschinen große Chargen eines Produkts mit optimaler Siegelnahtfestigkeit und funktional vielseitigen Etikettierungen. Unter Echtzeit steuert Twincat präzise und zuverlässig die komplexen Verpackungsteilprozesse, wie Formen, Füllen, Siegeln und Schneiden, und synchronisiert sie.

Multivac nutzt Twincat jedoch nicht nur als Steuerungsplattform, sondern auch als Entwicklungsumgebung. Die Programmierung der neuen modularen Softwarearchitektur nach IEC 61131 mit strukturiertem Text war für die erfahrenen C-Programmierer des Herstellers problemlos möglich. SPS-Bibliotheken mit Bausteinen nach dem PLC-Open-Motion-Control- und dem OMAC-Packsoft-Standard Pack-AL erleichtern die Programmierung. Standards wie die OMAC-Packaging-Guidelines bieten ein weltweit einheitliches Interface für Verpackungsmaschinen.

Wichtige Parameter für die Qualität der Verpackungen sind gut ausgeformte Kavitäten, eine exakte Positionierung von Bodenfolie zu Deckelfolie und feste Siegelnähte. Dazu bedarf es einer präzisen Zeit-, Temperatur- und Druckregelung sowie einer Druckmarkensteuerung. Bei den Reglern nutzt Multivac die Twincat-Bibliotheken. Beim thermischen Versiegeln wird die Temperatur so geregelt, dass eine homogene Temperaturverteilung entsteht und folglich sogar unter nicht ganz optimalen Verhältnissen zuverlässige und dichte Siegelnähte realisiert werden. Das Positionieren der Boden- und Deckelfolien zueinander erfolgt über die Druckmarkensteuerung. Durch die Dehnung der Oberfolie wird das Druckbild zur Kavität ausgerichtet und damit optimal auf der Verpackung platziert.

Applikationssoftware auf verschiedene Maschinen übertragbar

Sonderlösungen sind bei der R 535 an der Tagesordnung. Je nach Verpackungsgut werden an einer Maschine sowohl runde, eckige und ovale als auch hohe und flache Verpackungen erstellt. Dazu sind die Maschinen mit mehreren Formatsätzen ausgestattet. Per Knopfdruck wird ein Formatwechsel initiiert, das heißt die Formplatte sowie die Siegeleinschübe werden ausgetauscht und in der Maschinensteuerung wird ein neues Rezept geladen und gestartet.

Unabhängig von der Hardware können die mit Twincat entwickelten Applikationen auf unterschiedlichen Verpackungsmaschinentypen zum Einsatz kommen. So übertrug Multivac die Applikationssoftware der Tiefziehverpackungsmaschine R 535 beispielsweise auf die nach einem anderen Funktionsprinzip arbeitenden Kammermaschinen der Serie TC.

Insbesondere die Nahrungsmittel-industrie und die Medizintechnik verlangen nach äußerster Sauberkeit und Keimfreiheit. Multivac entwickelte für die R 535 ein neuartiges, bei Tiefziehverpackungsmaschinen bisher einzigartiges Reinigungsverfahren, das Selbstreinigungssystem CIP (Clean in Place), das die chemische Reinigung von Transportkette, Kettenprofil und inneren Baugruppen durch ein umfangreiches System von Düsen und Rohrleitungen automatisiert.

Nach einer Vorreinigung wird auf Knopfdruck ein standardisiertes Reinigungsprogramm gestartet, das in klar definierten Stufen abläuft. Der Prozess wird in der Maschinensteuerung mit Twincat automatisiert und protokolliert. Je nach ausgewähltem Programm lädt Twincat das richtige Rezept und arbeitet es ab. So verläuft der Reinigungsprozess jederzeit vollständig und mit konstanter Gründlichkeit und ist zu jedem Zeitpunkt dokumentier- und nachvollziehbar.

Zusatzmodule werden über Twincat in den Maschinenablauf eingebunden

Verpacken allein reicht nicht aus – erst die Vernetzung mit vor- und nachgelagerten Komponenten führt zu einer vollständigen Verpackungslinie. Je nach Anwendung werden die Verpackungsautomaten mit Slicern, Zuführ-, Dosier-, Wäge-, Kennzeichnungs-, Prüf- und Abführsystemen aller Art kombiniert. Die Zusatzmodule werden in Twincat registriert und in den Maschinenablauf eingebunden. Die Maschinensteuerung synchronisiert alle Module, egal ob sie sich vor, auf oder nach der Maschine befinden, und übernimmt die Taktung.

Dr.-Ing. Ursula Frank ist Projektmanagerin R&D-Kooperationen bei der Beckhoff Automation GmbH.