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„Für innovative Ideen ist XTS ein Quantensprung“

Verpackungsindustrie benötigt Offenheit und Durchgängigkeit (Fachpack: 4A/417)
„Für innovative Ideen ist XTS ein Quantensprung“

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Mit dem Antriebssystem eXtended Transport System (XTS) zeigt Beckhoff auf der Fachpack Möglichkeiten, neue Maschinenkonzepte zu verwirklichen. Kurz gesagt verdrängt dabei Software die Mechanik. Stefan Ziegler, langjähriger Chefredakteur der elektro Automation und jetzt bei Beckhoff tätig, sprach mit Frank Würthner, Branchenmanagement Verpackungstechnik, über Einsatzmöglichkeiten und Anforderungen dieser Branche.

Das Interview führte Stefan Ziegler, Marketing Communications, Beckhoff Automation – der vielen Leserinnen und Lesern noch als langjähriger Chefredakteur der elektro Automation bekannt sein dürfte.

Ziegler: Welche Forderungen stellen Maschinen- und Anlagenbauer in der Verpackungsbranche an die Steuerungstechnik?
Würthner: Insbesondere Durchgängigkeit und Systemoffenheit helfen dem Maschinenbauer, seine Anlage ohne hohen Implementierungsaufwand an die vielfältigen und wechselnden Anforderungen anzupassen sowie neue Funktionalitäten zu integrieren. Beispiele sind die Einbindung von Condition Monitoring und Robotik sowie die Nutzung von PLCopen- und OMAC-PackSoft-Bausteinen oder Visual Studio, Matlab/Simulink beziehungsweise C/C++. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Offenheit ist die einfache Einbindung der Verpackungsmaschine per offener Schnittstelle oder Gateway in das Produktionsumfeld des Endanwenders, sei es vertikal in Richtung ERP-Ebene oder horizontal an andere Steuerungssysteme. Unsere PC- und EtherCAT-basierte Steuerungstechnologie eignet sich gut zur Automatisierung der gesamten Prozesskette einzelner Verpackungsmaschinen sowie kompletter Verpackungslinien – vom Füllen und Formen über das Verschließen, Labeln, Sammeln bis zum Umverpacken und Palettieren. Aus dem durchgängigen, modularen Produktportfolio an Industrie-PCs, I/O-Klemmen, Antriebstechnik sowie mit der Automatisierungssoftware TwinCAT lässt sich für jede Verpackungsmaschine eine in Rechenleistung, Komplexität und Kosten genau skalierbare Steuerungslösung erstellen.
Ziegler: Welche allgemeinen Trends kennzeichnen derzeit die Packaging-Branche?
Würthner: Die Weltbevölkerung wird in rund zehn Jahren die 8-Milliarden-Marke knacken. Die Verpackungsindustrie profitiert aber nicht nur von der schieren Anzahl Menschen, die beispielsweise mit Nahrungsmitteln und Medikamenten versorgt werden müssen, sondern auch vom Wunsch – gerade in den Schwellen- und Entwicklungsländern – nach einem höheren Lebensstandard. Schließlich ist eine moderne Verpackung neben Transportschutz und Marketinginstrument zudem ein wichtiger Baustein aus Sicht der Hygiene. Aus all diesen Gründen wird die Verpackungsindustrie auf absehbare Zeit eine Wachstumsbranche bleiben und dementsprechend effiziente und leistungsfähige Verpackungsmaschinen benötigen. Hinzu kommt, dass die Märkte und auch einzelne Konsumentengruppen immer individueller angesprochen werden müssen – auch was die Verpackung angeht. Um dies zu erreichen, wird von den Verpackungsanlagen eine immer größere Flexibilität gefordert. Der Trend im Verpackungsmaschinenbau geht also hin zu kleineren, aber flexibleren Anlagen.
Ziegler: Inwieweit muss die Steuerungstechnik diesen veränderten Anforderungen gerecht werden?
Würthner: Grundsätzlich ist unsere Steuerungstechnik dank ihrer guten Skalierbarkeit für Maschinen und Anlagen jeglicher Größe hervorragend geeignet. Und in Bezug auf die wachsende Weltbevölkerung besonders wichtig: Die eXtreme Fast Control Technology – kurz XFC – ermöglicht eine extrem genaue Prozesssteuerung und damit eine die Ressourcen maximal schonende Verpackungstechnik. Im Sinne optimaler Flexibilität kommt hinzu, dass PC-Control als Software-basierte Steuerungstechnik die geforderten Produkt- beziehungsweise Verpackungsänderungen sehr erleichtert. Einen einzigartigen Vorteil bietet zudem das eXtended Transport System – oder kürzer XTS –, weil es genau die gewünschte Flexibilitätssteigerung bringt, indem aufwändige und teure Mechanik durch einfach anpassbare Software ersetzt wird. So benötigt eine heutige Flaschenabfüllanlage zahlreiche Greifer, die einen Großteil der Zeit nichts tun und nur auf die nächste Flasche warten. Dabei sind sie sehr teuer und zudem aufwändig zu warten. Hier lässt sich mit XTS viel einsparen, und das bei einer gleichzeitig deutlich erhöhten Flexibilität. Das war bisher undenkbar.
Ziegler: Das heißt flexible Software tritt an die Stelle der Mechanik?
Würthner: Bleiben wir beim Beispiel der Abfüllanlage. Ist bei einer konventionellen Anlage einer der Füller defekt, muss die Maschine komplett abgeschaltet werden. Fehlt etwa in der Nacht der Wartungstechniker oder ein Ersatzteil, kann hierdurch eine komplette Produktionsschicht ausfallen. Wird hingegen XTS eingesetzt, lässt sich das Problem ohne großen Aufwand per Softwareanpassung lösen, das heißt XTS transportiert einfach keine Flaschen mehr unter den defekten Füller. Das reduziert zwar die Produktionsleistung, die Nachtschicht kann aber immerhin vielleicht noch 80 Prozent ihrer Sollleistung erreichen. Ein weiterer Vorteil liegt im wesentlich reduzierten Footprint, also in der kleineren von der Maschine benötigten Fläche. Deutlich wird dies anhand der beim Verpacken etwa von Schokoriegeln notwendigen Beschleunigungs- und Verzögerungsbänder. Diese mechanisch aufwändigen, viel Platz beanspruchenden und entsprechend teuren Bänder sind erforderlich, um zwischen den Schokoriegeln einen gleichmäßigen Abstand zu erreichen, bevor diese in eine getaktete Maschine zum Verschließen der Verpackung eingeführt werden. Dank XTS mit seinen synchronisierbaren Movern können die Bänder entfallen, was die Kosten und den Footprint der Maschine immens verringert. Mit teilweise um bis zu 50 Prozent kleineren Anlagen entfällt damit ein Hallenneubau oder es lassen sich auf der gleichen Produktionsfläche mehr Maschinen aufstellen.
Ziegler: Packaging-Funktionalitäten lassen sich also per XTS auf ganz neue Art und Weise realisieren?
Würthner: Ideen gibt es schier ohne Ende – gerade seitens der Maschinenbauer selbst, die XTS für immer neue Anwendungen entdecken. Ein gutes Beispiel ist die Mehrzugtechnologie zum Gruppieren sequenziell zugeführter Teile. Ein Problem besteht insbesondere bei mehr als zwei Transportriemen – also Zügen – in der Platzierung des für jeden einzelnen Riemen erforderlichen Servomotors. Je ein Motor auf beiden Seiten der Zuführung ist noch einfach unterzubringen, ab dem dritten wird es aber schwierig. Zumal die aufwändige Verkabelung hinzukommt, die nicht im Bereich der laufenden Riemen verlegt sein darf. XTS ist daher als Ersatz für die Mehrzugtechnik ein wahrer Quantensprung. Es wird einfach mit der passenden Anzahl Mover um die Maschinenapplikation herum gebaut und je nach Länge des Systems lediglich mit einem oder zwei Kabeln angeschlossen. Neben dem immens reduzierten maschinenbaulichen Aufwand ergibt sich wiederum mit Blick auf die zunehmend geforderte Anlagenflexibilität ein großer Vorteil: Dank des Ersetzens mechanischer Elemente durch Softwarefunktionalität kann XTS beispielsweise die Lücken zwischen den zu verpackenden Einheiten ganz nach Bedarf variieren. Und auch die immer häufigeren Sonderaktionen ‚Ein Teil gratis‘ werden immens vereinfacht. Werden beispielsweise standardmäßig vier Beutel Kräutermischung verpackt und soll nun ein fünfter Beutel hinzukommen, ist bei einer konventionellen Anlage mit enormem Aufwand die gesamte Applikation umzustellen. Bei XTS genügt ein einfacher Mausklick, um statt vier nun fünf Mover mit dem Verpackungsgut – dem Beutel Kräutermischung – zur Packstation zu schicken.
Ziegler: Welche Rolle spielt für das XTS die Kommunikation via EtherCAT?
Würthner: EtherCAT ist sicherlich ein Schlüsselelement, einerseits wegen seiner Schnelligkeit und der Durchgängigkeit bis hin zu Motion Control und Safety. Andererseits schätzen die Anwender vor allem das extrem breite Angebot an EtherCAT-Produkten, wie Frequenzumrichtern, Ventilinseln sowie Gateways zu anderen Steuerungswelten als auch natürlich unser eigenes EtherCAT-Portfolio vom Klemmen-Spektrum bis zur Servoantriebstechnik. Egal, welches spezielle Modul ein Maschinenbauer benötigt, er kann sicher sein, dass es selbst von kleineren Anbietern inzwischen EtherCAT-Slaves und teilweise auch Master-Anbindungen gibt. Nicht umsonst ist die EtherCAT Technology Group inzwischen die größte Feldbus-Nutzerorganisation weltweit, mit über 2400 Mitgliedsunternehmen.
Ziegler: Welche Vorteile bietet die EtherCAT-Technologie dem Maschinenbauer und Endkunden ganz konkret?
Würthner: EtherCAT und insbesondere XFC sind wegen der im Verpackungsbereich geforderten Geschwindigkeit und Präzision von immensem Vorteil. XFC basiert auf einer optimierten Steuerungs- und Kommunikationsarchitektur, die aus einem modernen Industrie-PC, ultraschnellen EtherCAT-Klemmen, EtherCAT und der Automatisierungssoftware TwinCAT besteht. Mit diesem abgestimmten Gesamtsystem lassen sich I/O-Response-Zeiten unter 100 μs realisieren und dementsprechend völlig neue Möglichkeiten zur Prozessoptimierung erschließen. Konkret heißt das: Mit EtherCAT und präziser, schneller Steuerungstechnik lassen sich – verglichen mit konventioneller Technik – die Verpackungen exakter und damit aus weniger Ausgangsmaterial herstellen sowie das zu verpackende Gut viel genauer an die nicht zu unterschreitende Mindestfüllmenge annähern. Auf diese Weise kann man gerade bei Volumenprodukten enorme Kosten sparen, ein großer Vorteil für den Endkunden und ein hervorragendes Verkaufsargument für den Maschinenbauer.
Ziegler: Gibt es neben der reinen Schnelligkeit der Datenübertragung weitere Vorteile?
Würthner: Ein wesentlicher Vorteil sind die Funktionen Distributed-Clocks – synchronisierte, verteile Uhren – und Time-Stamp, also Zeitstempel. Damit lässt sich beispielsweise im wichtigen Packaging-Bereich der Papier- und Folienverarbeitung eine deutlich schnellere und exaktere Druckmarkenerkennung realisieren. Und dies führt letztendlich zu kleineren, schnelleren und präziser arbeitenden Maschinen. Zudem ist das Label ein teurer Bestandteil einer Verpackung. Wenn es sehr genau und in hoher Qualität aufgebracht wird, erhöht sich die Wertigkeit des gesamten Produkts. Besonders wichtig sind die beiden Funktionen bei den häufig sehr langen Verpackungslinien. Denn dank der Distributed-Clocks und der Ergänzung der Prozessdaten um einen Zeitstempel kann auch bei längeren Prozessabläufen noch sehr präzise auf ein vorhergehendes Ereignis reagiert werden. Zumal in Verpackungsmaschinen – typischerweise mit 5 bis 20 Servoachsen – in der Regel alle Achsen synchronisiert laufen müssen. Hierbei erweisen sich die Distributed-Clocks- und die Time-Stamp-Funktion in EtherCAT ebenfalls als wesentlicher Vorteil.
Ziegler: Und wie kann der Maschinenbauer das alles programmierseitig nutzen?
Würthner: Mit Hilfe unserer Programmierumgebung TwinCAT 3, die zahlreiche grundlegende Vorteile bietet, wie die Integration in die Softwaresuite Visual Studio sowie die Unterstützung der Multicore-Technologie und der objektorientierten Programmierung. Aus Sicht des Verpackungsmaschinenbaus ist außerdem die Einbindung der Sprachen C/C++ und Matlab/Simulink von besonderer Bedeutung. So lässt sich aus vorab durchgeführten Simulationen per Matlab/Simulink entsprechender Steuerungscode etwa für den Einsatz des XTS generieren. Das ist ein immenser Vorteil für den Maschinenbauer, ebenso wie die Möglichkeit zur Nutzung der Hochsprache C.
Ziegler: Gerade aufgrund ihrer wachsenden Flexibilität erfordern Verpackungsmaschinen eine einfache Bedienung. Welche Rolle spielen hierbei Multitouch-Panel?
Würthner: Multitouch wird auch in der Verpackungsindustrie zunehmend akzeptiert beziehungsweise gefordert. Mit einem der breitesten Produktspektren im Markt sind wir hier gut aufgestellt. Die neuen Control-Panel- und Panel-PC-Serien CP2xxx und CP3xxx decken den weiten Displaybereich von 7 bis 24 Zoll ab und sind durch die Verwendung von Aluminium zudem robust und industrietauglich in der Ausführung. Dank der Projective-Capacitive-Touchscreen-Technologie – kurz PCT – verfügen sie über eine hohe Touchpunktdichte, die eine akkurate, sichere und auch in kleinsten Schritten ruckfreie Bedienung – sogar mit dünnen Arbeitshandschuhen – ermöglicht. Damit sind die aus der Smartphone- und Touchpad-Welt bekannten Funktionen wie Zoomen, Blättern und Objekte drehen nun auch für industrielle Anwendungen nutzbar. Besonderes Innovationspotenzial steckt zudem im Fünf-Finger-Touch oder in Automatisierungslösungen mit 2-Hand-Bedienung. Per Windows-Betriebssystem auf Single-Touch umgestellt, bieten die neuen Panel mit ihrer hohen Qualität und dem optimierten Preis-Leistungsverhältnis aber auch bei traditionellen Bedienkonzepten deutliche Vorteile. Zumal bei den Varianten CP29xx-0010 und CP39xx-0010 mit der neuen CP-Link-4-Technologie ein weiteres Highlight hinzukommt. Dabei handelt es sich um eine Einkabellösung, bei der Videosignal, USB 2.0 und Stromversorgung gemeinsam in einem Standard-Cat-7-Kabel übertragen werden und sich daher die Kabel- und Montagekosten deutlich reduzieren.
Ziegler: Wird das Innovationspotenzial einer Multitouch-Bedienung zurzeit schon ausgeschöpft?
Würthner: Die Packaging-Branche beginnt gerade, das Potenzial umzusetzen, und es gibt bereits einige innovative Vorreiter. So hat beispielsweise das Unternehmen Inotec aus Reutlingen, spezialisiert insbesondere auf Maschinen zur Fleisch- und Wurstverarbeitung, auf der Fachmesse Iffa in Frankfurt/Main den Fleischerei Technik Award in der Kategorie Bedientechnik gewonnen. Ausschlaggebend hierfür war ein Bedienkonzept – ausgestattet mit Multitouch-Panel von Beckhoff –, das stark auf Produktsicherheit durch Protokollierung und Sprachneutralität ausgelegt ist. Das ermöglicht eine völlig neue Art der Maschinenvisualisierung, die auf leicht verständliche Zeichen setzt und komplett auf Textinformationen verzichtet. Durch die intuitive Bedienung kann der Aufwand für die Einarbeitung des Bedienpersonals minimiert werden. Integriert wurde hierbei auch eine Web-Kamera zur Gesichts- beziehungsweise Barcode-Erkennung, um den jeweiligen Bediener zu identifizieren und entsprechende Zugriffsberechtigungen freizuschalten. Dies weist auf einen weiteren Technologietrend hin, den unsere Multitouch-Panel bereits unterstützen: die Multicore-Prozessortechnologie. Denn der zusätzliche Einsatz der Bildverarbeitung erfordert leistungsfähigere Industrie-PCs mit Multicore-Prozessoren, bei denen etwa Bildverarbeitung und Visualisierung auf einem Core sowie Steuerung und Motion Control auf einem zweiten ablaufen.
Ziegler: Welche Rolle spielt die Antriebstechnik über das XTS hinaus im Bereich des Verpackungs-Maschinenbaus?
Würthner: Die Verpackungstechnik ist naturgemäß sehr stark von der Antriebstechnik geprägt. Zwei Highlights möchte ich herausgreifen: die Servomotorklemme EL7201 und die One Cable Technology – abgekürzt OCT. Die EL7201 integriert einen vollständigen Servoverstärker für Motoren bis 200 W im Standardklemmengehäuse und bietet damit eine extrem kompakte Lösung für hochdynamische Positionieraufgaben. Dies reduziert aber nicht nur den Platzbedarf und die Kosten, sondern es vereinfacht zudem erheblich die Verdrahtung und Inbetriebnahme. Die Servomotorklemme unterstützt zudem in der Version EL7201-0010 auch die innovative Einkabeltechnologie OCT, bei der Power- und Feedbacksystem in der Standard-Motorleitung zusammengefasst sind. Da sowohl motor- als auch reglerseitig Kabel und Steckverbinder entfallen, werden wiederum die Material- und Inbetriebnahmekosten deutlich verringert. Über die entsprechende OCT-Option verfügen übrigens die hochdynamischen Servomotoren der Baureihe AM8000, die dank des elektronischen Typenschilds zusätzlich zur vereinfachten Inbetriebnahme beitragen. Hinzu kommen die ergänzenden Serien AM8100 für den Betrieb mit der Servomotorklemme, AM8500 mit erhöhtem Rotorträgheitsmoment sowie AM8800 als Edelstahlausführung im ‚Hygienic Design‘.
Ziegler: Letzteres spielt immer dann eine Rolle, wenn die strengen Anforderungen an Hygiene- und Reinraumvorschriften zu erfüllen sind…
Würthner: …wozu wir eine ganzheitliche Edelstahl-Steuerungslösung im Hygienic Design anbieten. Für den Einsatz von Anzeige- und Bediengeräten unter IP-65-Bedingungen eignen sich die Control-Panel- und Panel-PC-Serien CP62xx, CP66xx, CP69xx sowie CP77xx und CP79xx in hochwertiger Edelstahlausführung sowie mit spaltfreiem Gehäusedesign und flächenbündigem Touchpanel. Im Bereich der Antriebstechnik gibt es die erwähnte Servomotor-Serie AM8800, die in Schutzart IP 69K klassifiziert und nach EHEDG Class I zugelassen ist. Ergänzt durch die Edelstahl-Planetengetriebe der Serie AG2800 ergibt sich eine vollständige Antriebsachse im Hygienic Design. Ergänzend stehen für die I/O-Anbindung die EtherCAT-Box-Module EQxxxx im Edelstahlgehäuse zur Verfügung. Sie erfüllen ebenfalls die Schutzklasse IP 69K.
„Per XTS lassen sich Änderungen und Erweiterungen ohne großen Aufwand per Softwareanpassung erledigen.“

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