Geeignet für kleine Anwendungen bis hin zu hochkomplexen Steuerungsaufgaben

DER AUTOR Stefan Ziegler, Marketing Communications, Beckhoff Automation

Die Maschinen von TVI sind flexible Fleischbearbeitungszentren, die sich mit Standardmodulen und kundenspezifischen Programmen flexibel an jede Portionieraufgabe anpassen lassen. Da die fortschreitende Konzentration der Handelsbetriebe zu einem enormen Kostendruck führt, steht dabei die Effizienz bezogen auf Produkt und Prozess immer mehr im Vordergrund. Die in den letzten Jahren entsprechend stark gestiegenen Anforderungen an die Fleischportionierung verdeutlicht Thomas Völkl, Geschäftsführender Gesellschafter von TVI: „Unsere Anlagen verarbeiten jede Art von Rotfleisch, in jeder Konsistenz, zu jeder Portion – und das immer gewichts- und resteoptimiert sowie mit möglichst wenig Energie- und Personaleinsatz.“ Ebenso wichtig sei die durchgängige Lösung aller Aufgaben der Fleischportionierung und -veredelung. Dies umfasse die Fleischbereitstellung, das Temperieren, das Portionieren, das Einlegen in die Verpackungsschalen, das Kontrollieren und Nacharbeiten sowie das Übergeben an die Verpackungsmaschine.

Für maximale Energieeffizienz ist dabei auf zweierlei Weise gesorgt: Zum einen ersetzen Servoachsen in großem Umfang die pneumatische und hydraulische Aktorik, was den Energieverbrauch der Maschine immens reduziert. Zum anderen gestaltet TVI das Schockfrosten extrem effizient: Da die Fleischstücke erst kurz vor dem Portionieren entnommen werden, ist beim Frosten gegenüber den marktüblichen 5 bis 10 mm lediglich eine 2 bis 3 mm dicke Temperierkruste erforderlich. Dies spart rund vier Fünftel an Energie. Hinzu kommt als wichtigster Faktor der Betrieb des Schockfrosters über konventionelle Umlaufkältetechnik mit Kompressor anstatt des üblicherweise kontinuierlichen CO2-Verbrauchs. All das senkt die Energiekosten je Kilogramm Fleisch.

Energieeffiziente und präzise steuerbare Servoachsen sowie optimiert und schnell geregelte Pneumatik-Einzelventile sind nur zwei Beispiele dafür, wie die hohen Endkundenanforderungen mit PC-based Control gelöst wurden. Dies gilt sowohl für Einzelmaschinen als auch für ganze Produktionslinien, wie Thomas Völkl erläutert: „Durch unser modulares Konzept lassen sich die Produktionslinien flexibel aus Einzelmaschinen aufbauen, also zum Beispiel aus Schockfroster, Portioniermaschine sowie Automatikeinleger mit Schalenspender und Resteausschleusung. Verbunden werden die einzelnen Module über entsprechend zu steuernde Verknüpfungsbänder. Je nach Anzahl und Auswahl der Einzelmaschinen lässt sich die Komplettanlage genau an den jeweiligen Bedarf anpassen. Hierbei hat sich die Steuerungstechnik von Beckhoff als flexibel und für alle Anwendungen geeignet erwiesen: von der kleinsten Anwendung, dem Schalenspender TDS 300 mit nur zwei anzusteuernden Pneumatikventilen, bis zum Portioniersystem GMS 500 mit sieben präzise zu regelnden Servoachsen.“

Erstes Element einer Fleischbearbeitungsanlage ist der CBF Cyclefreeze, ein im Kreislauf funktionierender Temperierschockfroster. Die Beschickung und Entnahme der Fleischstücke erfolgt hierbei halbautomatisch: Über einen Klappenmechanismus schiebt der Bediener Fleischstücke in einen der Frosterkörbe und zieht die Lade wieder zurück. Die Transportkette bewegt sich dann um einen Zyklus zum nächsten Korb. Die Steuerung – ein Embedded-PC CX9020 mit 1-GHz-ARM-Cortex-A8-CPU – taktet die Körbe so, dass nach der eingestellten Zeit (beispielsweise 8 min) die ersten temperierten Produkte ausgeworfen werden. Bedient wird der Schockfroster über ein kundenspezifisches Einbau-Control-Panel CP6907 mit einer Edelstahlfront und flächenbündigem 5,7-Zoll-Touch-Display sowie mit der DVI/USB-Extension-Technologie für bis zu 50 m vom PC abgesetzte Panels.

Größter Umsatzträger von TVI und damit auch häufigster Kern eines Fleischbearbeitungszentrums ist das an den Schockfroster angeschlossene multifunktionale Portioniersystem GMS 500. Die Maschine wird von einem leistungsstarken Embedded-PC CX1030 mit 1,8-GHz-Intel-Pentium-M-Prozessor und TwinCAT NC I gesteuert. Für die Bedienung steht ein kundenspezifisches Einbau-Control-Panel CP6901 mit Edelstahlfront und flächenbündigem 12-Zoll-Touch-Display zur Verfügung. Vier kompakte Servoverstärker AX5206 sowie fünf polgewickelte Synchronservomotoren AM3021 mit Planetengetriebe AG2210 sorgen für exakte Bewegungen. Auf diese Weise steuerungstechnisch wie auch mechanisch für hochpräzise Abläufe ausgelegt, übernimmt das GMS 500 folgende Prozessschritte:

Den Abschluss des Fleischbearbeitungszentrums bildet die modulare Einlegeanlage FPS 500 Euroline, die manuell und/oder automatisch Schalen für gewichtsausgezeichnete und festgewichtige Portionen mit Frischfleisch befüllt. Sie besteht aus drei aufeinander abgestimmten Modulen: dem manuellen Einlegebereich MIS 3000-4000 mit dem Schalenspender TDS 300, der automatischen Schalenbefüllung AIF 500 sowie der Wiege- und Sortiereinheit GMI 500. Zunächst werden die von dem GMS 500 kommenden portionierten Scheiben auf das Fleischband der MIS 3000-4000 übergeben. Von dort werden sie entweder manuell oder mit dem AIF 500 automatisch in eine Schale gelegt. Die befüllten Schalen laufen dann in die GMI 500, werden von einem Beschleunigungsband entzerrt und auf einer Durchlaufwaage gewogen. Zu leichte und zu schwere Portionen werden von Pushern auf getrennte Pufferbänder geschoben und zum Nacharbeitsplatz befördert. Gutgewichtige Portionen laufen direkt weiter zur Verpackungsmaschine. Und auch hierbei kommt durchgängig Beckhoff-Steuerungs- und -Antriebstechnik zum Einsatz, beispielsweise erneut das kundenspezifische 12-Zoll-Panel CP6901 sowie vier Servoverstärker AX5206 und fünf Synchronservomotoren AM3021 mit Planetengetriebe AG2200.

Ihre Leistungsfähigkeit zeigt die Beckhoff-Servoantriebstechnik bei vielerlei Motion-Aufgaben. So sorgen Servoverstärker und Servomotoren beim Portioniersystem GMS 500 für das positionsgenaue Drehen von Formrevolver und Zwischenblech. Hinzu kommen Dreh-und Schwenkbewegungen im gesamten Fleischbearbeitungszentrum.

Eine Besonderheit weist die jüngste TVI-Entwicklung auf, der Automatik-Einleger AIR 250 mit vier Servoachsen. Bewegt werden hier eine Resteklappe, das Förder- und ein sogenanntes Springband sowie der Zahnriemenbeförderer für die Leerschalen. Hierbei setzt TVI die neue One Cable Technology (OCT) ein, bei der die Feedback-Signale direkt über die Leitung zur Spannungsversorgung übertragen werden. Da somit sowohl motor- als auch reglerseitig Kabel und Steckverbinder entfallen, werden die Komponenten- und Inbetriebnahmekosten signifikant reduziert. Umgesetzt wird OCT mit zwei Servoverstärkern AX5206 sowie je zwei Servomotoren AM8021 beziehungsweise AM8022 mit den Planetengetrieben AG2210 und AG2300.

Für die Zukunft sieht Thomas Völkl noch weiteres Anwendungspotenzial für die Beckhoff-Antriebstechnik: „Bei künftigen Entwicklungen werden wir verstärkt die Sicherheitstechnik integrieren. Hier bietet TwinSAFE ein durchgängiges System und entsprechend große Vorteile bei der Umsetzung. Daher werden wir dann auch vorwiegend die Servotechnik von Beckhoff einsetzen.“

Die Entscheidung, PC-based Control anstelle konventioneller SPS-Technik einzusetzen, fiel bei TVI bereits im Jahr 2008. Dazu erläutert Thomas Völkl: „Gerade bei der Ansteuerung mehrerer synchron laufender Achsen sind wir damals an Leistungsgrenzen gestoßen. Dies wurde dann zunächst in C++ programmiert und auf einem Industrie-PC umgesetzt. Allerdings war uns schnell klar, dass die Kombination aus PC- und SPS-Technik zu unnötigen Geschwindigkeitsverlusten führt. Daher war der Weg zur komplett PC-basierten Steuerungstechnik klar vorgezeichnet. Und Beckhoff war der ideale Anbieter, da dieses System nicht nur sehr schnell, sondern zudem offen und äußerst flexibel ist.“ So habe man beispielsweise auch die notwendigen Hydrauliksteuerungen hervorragend realisieren können. Zudem eigne sich PC-Control gleichermaßen für kleine Anwendungen, zum Beispiel den Schalenspender mit nur einem Luftzylinder, einem Vakuumventil und einem kleinen Bediendisplay, als auch für hochkomplexe Steuerungsaufgaben.

Ein breites Anwendungsspektrum eröffnet insbesondere auch das flexible I/O-System, das mit seinen über 300 EtherCAT-Klemmen alle Anforderungen von TVI erfüllt. So ist für Thomas Völkl die kleine Bauform besonders wichtig: „Da unsere Maschinen kompakt aufgebaut sind, profitieren wir sehr stark von der hohen Packungsdichte des Klemmensystems. Deshalb setzen wir beispielsweise im Temperierschockfroster die HD-EtherCAT-Klemme EL2809 mit 16 digitalen Ausgängen im nur 12 mm breiten Gehäuse ein.“ Weitere Vorteile, gerade auch für Weiterentwicklungen, bieten aus seiner Sicht die zahlreichen Sonderfunktionen. So wird zukünftig die Wägezellenauswertung EL3356-0010 für eine vereinfachte Einbindung der Gewichtsbestimmung in die Maschinensteuerung sorgen; und beim Schockfroster sollen Leistungsmessklemmen EL34xx den geringen Energieverbrauch nachweisen.

Den bereits heute erfolgreich umgesetzten Weg der Maschinen- und Anlagenmodularisierung möchte Thomas Völkl konsequent weitergehen. Schließlich müsse man die Fleischbearbeitungszentren zum einen möglichst genau an die Kundenanforderungen anpassen und zum anderen mit minimiertem Engineeringaufwand realisieren können. Die Mechanikkonstruktion sei hier bereits sehr weit, die Softwareentwicklung müsse allerdings noch deutlich stärker modularisiert werden. Effizienzpotenziale sieht Thomas Völkl in diesem Zusammenhang in der neuen Softwaregeneration TwinCAT 3: „Für eine modularisierte Elektrotechnik und Programmierung ist die Objektorientierung der Software, wie sie von TwinCAT 3 optimal unterstützt wird, unverzichtbar. Dabei bietet TwinCAT für uns zwei Hauptvorteile: Die objektorientierte Programmierung erfordert viel weniger Aufwand. Außerdem ist es deutlich einfacher, mit mehreren Entwicklern gleichzeitig an einem Projekt zu arbeiten. Bereits die nächste Generation unserer Portioniermaschinen wird daher mit TwinCAT 3 realisiert werden.“ co

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