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So wird der Flaschenhals kein Engpass

Lokale Antriebsintelligenz im Einsatz bei einer Folienschneidanlage
So wird der Flaschenhals kein Engpass

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Das Beispiel einer Maschine, die Schrumpfkapseln für Weinflaschen herstellt, zeigt einen typischen Einsatzfall für einen dezentralen intelligenten Kompaktantrieb kleiner Leistung. Die im Antrieb integrierte SPS-Funktionalität übernimmt dabei die Koordination der Ein- und Ausgänge vor und entlastet damit die zentrale SPS der Maschine. Der programmierbare Kompaktantrieb von maxon motor ist mit den gängigen Industrienormen in der Antriebstechnik kompatibel und für den harten industriellen Einsatz konzipiert.

Dr. Urs Kafander, Schulungsleiter der maxon motor ag in Sachseln/CH (www.maxonmotor.com)

Die Anforderungen an Antriebe in modernen Handlingsystemen und Industrieanlagen sind u.a. durch die verstärkte Modularisierung und Vernetzung bei gleichzeitiger Miniaturisierung und hoher Robustheit des Gesamtsystems bestimmt. Sehr gut verdeutlicht dies das Praxisbespiel einer Folienschneidanlage.
Paradebeispiel Weinflaschen-Schrumpfkapsel
In Abfüllanlagen für Wein wird nach dem Verkorken eine Folie über den Flaschenhals und den Korken geschrumpft, eine so- genannte Schrumpfkapsel. Das Folienband wird auf zwei Arten ab Rolle abgelängt. Bei der ersten Methode wird das Band nach einem Startimpuls um eine feste Distanz vorgeschoben. Anschließend wird mit einem digitalen Signal eine Schere aktiviert, die das Band abschneidet. Die zweite Methode verwendet eine Markierung auf dem Band, die mittels einer Lichtschranke detektiert wird und eine relative Positionierung auslöst. Anschließend wird wiederum die Schere aktiviert. Die Auswahl der Betriebsart erfolgt zu Beginn über ein digitales Signal.
Die Abfüllanlagen haben bei entsprechender Wartung eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten. Sie sind auf einem modularen Konzept aufgebaut. Im Lebenszyklus einer solchen Anlage können einzelne Module und Teilfunktionen mehrmals ersetzt, verbessert oder modernisiert werden. Die beschriebene Folienschneidfunktion wurde bisher mit einem Schrittmotorantrieb und Ansteuerung durch die zentrale SPS ausgeführt. Soll diese nun kleiner, schneller und flexibler werden, kommt der compact drive MCD Epos P zum Einsatz.
Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Reduktion der Baugröße bei gleichzeitig hoher Dynamik des Antriebs. Gefordert sind mindestens drei Arbeitszyklen pro Sekunde. Diese beiden Anforderungen können durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor, wie er im MCD Epos enthalten ist, optimal erfüllt werden. Kombiniert mit einem Keramikgetriebe GP 32 C (Untersetzung 18:1) von maxon werden sehr hohe Standzeiten erreicht. Der MCD ist kleiner als die bestehende Steuerung allein und passt zusammen mit dem Getriebe perfekt unter die Rolle. Der Momentenübertrag auf die Rolle geschieht über einen Zahnriemen mit Untersetzung 2:1.
Die gesamte Ablängvorrichtung wird lokal durch die SPS-Funktionalität im programmierbaren MCD Epos P 60 W gesteuert. Der Antrieb erhält von der zentralen SPS nur noch ein digitales Signal für die Programmauswahl. Der Startimpuls wird lokal gesetzt und die gesamte Steuerung arbeitet vor Ort. Im Detail bedeutet dies, dass die Signale der Lichtschranke sowie der Zustand der Schere über die digitalen Eingänge eingelesen werden, die Positionierung mit dem Motor ausgeführt und die Schere aktiviert wird. Weiter dienen die digitalen Ausgänge dazu, Fehlermeldungen auszugeben und Eingänge freizuschalten. Wichtig bei Ersatz und Redesign eines bestehenden Moduls ist, dass die vorhandenen Schnittstellen zum Rest der Maschine weiter genutzt werden können. Hier hilft die Möglichkeit zur freien Konfiguration der digitalen Ein- und Ausgänge.
Programmierbare Antriebseinheit
Für die Aufgabenstellung eignet sich sehr gut der kleine und leichte Kompaktantrieb MCD Epos P mit 60 W Typenleistung. Motor, Encoder und Motion Controller sind in einem Gehäuse integriert. Das robuste Design mit einem Gehäuse aus Aluminium (bis Schutzklasse IP54) und vibrationsresistenten, internen elektrischen Verbindungen ist für den industriellen Einsatz ausgelegt. Der bürstenlose DC-Servomotor bietet eine große Leistungsdichte und eine hohe Lebensdauer. Dank der großen möglichen Startmomente wird eine ausgezeichnete Dynamik erreicht. Die nutenlose Wicklung bewirkt einen rastmomentfreien und gleichmäßigen Lauf auch bei kleinsten Drehzahlen. Der digitale Inkrementalencoder mit 1000 Impulsen ergibt 4000 Positionen der Motorwelle pro Umdrehung oder eine nominelle Auflösung von 0,09°. Zur Drehmomentsteigerung sind Kombinationen mit Getrieben vorgesehen.
Der Motion Controller gehört zur Epos-Familie von maxon, einem modularen Positionier- system mit Canopen-Feldbussschnittstelle. Er kann als Drehzahl, Drehmoment bzw. Positionsregler eingesetzt werden und ist im schlanken, kompakten Gehäuse integriert, ohne den Einbauraum des Antriebs durch vorstehende Anbauten unnötig zu vergrößern. Das ausgeklügelte Wärmemanagement der Endstufe ist mit einer speziellen Leiterplatte auf einem Aluminium-Träger realisiert. Dies erlaubt es, die Elektronik klein zu halten und trotzdem die volle Typenleistung des Motors auszuschöpfen. Die Endstufe des Reglers ist optimal auf die Leistungsdaten des Motors abgeglichen. Optoentkoppelte, konfigurierbare digitale Ein- und Ausgänge ermöglichen den direkten Anschluss für Signale der Antriebsperipherie, z.B. End- und Referenzschalter.
Den Kompaktantrieb gibt es auch in einer programmierbaren Version MCD Epos P 60 W mit integrierter SPS-Funktionalität und Canopen-Master. Damit lassen sich auf einfachste Weise dezentrale Antriebe realisieren, die auf Knopfdruck lokal eine autonome Bewegungsfolge ausführen und die digitalen Ein- und Ausgänge ihrer Umgebung einlesen und ansteuern. Es besteht aber auch die Möglichkeit, vernetzte Multiachssysteme mittels Canopen-Kommunikation zu realisieren. Die Programmierung der integrierten SPS erfolgt gemäß IEC 61131-3 und nicht wie häufig bei kleinen Antrieben über eine proprietäre Programmierung.
Vorteile im industriellen Umfeld
Die Vorteile der neuen Lösung zum Zuschneiden der Schrumpffolie mit dem maxon compact drive (MCD) Epos P 60 W liegen in der kompakten Baugröße, in der eingebauten „Intelligenz“ und in der konsequenten Verwendung von Industriestandards, welche die Integration und den flexiblen Ersatz bestehender Module erleichtern. Dieses Praxisbeispiel illustriert ganz typisch den allgegenwärtigen Trend zur Miniaturisierung, der auch vor der Antriebstechnik nicht halt macht. Er wird je nach Anwendungsfeld mit zwei Strategien angegangen. In den in größeren Stückzahlen hergestellten Geräten werden die Komponenten der Antriebssysteme in das Gerät hineinentwickelt. Die mechanischen und elektronischen Schnittstellen werden präzise auf die Anwendung hin getrimmt. Beispielsweise kann die Antriebsspindel zusammen mit dem Getriebemotor eine Einheit bilden oder die Ansteuerung des Motors wird in die elektronische Steuerung der Gesamtanwendung integriert.
Im industriellen Umfeld hingegen spielt die Modularisierung eine größere Rolle. So werden kompakte Antriebe eher über die Integration von Motor, Sensor und Motion Controller, eventuell sogar noch ergänzt durch zusätzliche SPS-Funktionalität, in einem Gehäuse realisiert. Ein typisches Beispiel dafür bilden die beiden MCD-Epos-Typen. Hier spielt auch die Robustheit eine wichtige Rolle. Sie ist dabei nicht nur im Sinne von mechanischer Stabilität und Unempfindlichkeit gegen äußere Störeinflüsse zu verstehen. Robustheit bedeutet auch einfache Konzeption und Vernetzung mittels bekannter und bewährter Komponenten, welche die üblichen Industriestandards erfüllen. Die Schnittstellen sollen klar definiert sein, der Verkabelungsaufwand minimal, der Funktionsumfang genügend groß. Dies wiederum unterstützt die Modularisierung, wobei auch komplexere Aufgaben durch eine lokale Intelligenz autonom wahrgenommen werden – gesteuert durch einfachste Befehle der zentralen Steuerung. Standardisierung in diesem Zusammenhang bedeutet beispielsweise die Verwendung des Canopen-Feldbussystems mit definierten Geräteprofilen zur Vernetzung, die Möglichkeit zur freien Konfiguration der digitalen Ein- und Ausgänge und die SPS-Programmierung nach IEC 61131-3.
eA 453

praxis plus
Bei größeren Motoren ab etwa 1 kW Leistung berücksichtigen die Antriebssysteme mit integrierter Intelligenz meist gängige Industriestandards; bei kleineren Antriebseinheiten finden sich noch häufig proprietäre Lösungen, die sich nur mit größerem Aufwand in Gesamtsysteme einbinden lassen. Für den Anlagenbauer ist aber die Einhaltung bekannter Standards besonders wichtig, da ihm dies ein einheitliches Gesamtkonzept ermöglicht. Er kann bei der Ausgestaltung der Module auf bekannten Schnittstellen und Standards aufbauen, was die Entwicklungszeit verkürzt. Die Kompaktantriebe von maxon eröffnen hier, wie das Beispiel der Ablängvorrichtung zeigt, neue Möglichkeiten – einerseits mit einer über Canopen vernetzten Antriebsachse oder als programmierbare Antriebseinheit, die ein Gerät als Ganzes oder dezentral im Verbund mit einer übergeordneten SPS voll autonom steuert.

Die Konradin Mediengruppe berichtet, wie in diesem Beitrag, immer wieder über Automatisierung in der Getränkeindustrie. Der Wein selbst wird aber ebenfalls nicht vergessen: Unsere Schwesterzeitschrift „selection – Das Forum für Genießer“ gehört zu den führenden Wein- und Gourmettiteln in Deutschland und vermittelt eine Genuss-Erlebniswelt rund um Wein. Daneben bietet sie Informationen über weitere Premiumthemen wie andere authentische Genussmittel, Reisen, gute Hotellerie und Gastronomie.
Nähere Informationen zum Gesamtportfolio von maxon motor bietet die hier verlinkte Unternehmenswebsite.

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