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Steuerungstechnik liefert Rechenleistung für Lebensmittelproduktion

Steuerungstechnik
Lebensmittelproduktion profitiert von hoher Rechenleistung

Um die Düsen in seinen Lebensmitteldruckern MDL blitzschnell öffnen und schließen zu können, nutzt Foodjet die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff. Die Kunden des Maschinenbauers können damit Saucen exakt portionieren und positionieren – auch auf unregelmäßig angeordnetem Pizza-Teig. Die Anwendung erfordert eine hohe, flexibel nutzbare Rechenleistung.

Jurjen Verhoeff, Managing Director Operations, Beckhoff Niederlande

Wie appliziert man bei einem kontinierlichen Produktstrom Tomatensauce auf einem Pizzarohling oder Knoblauchpaste auf einem Pitabrot? Und wie lassen sich Kekse blitzschnell mit einer Weihnachts- oder Osterdekoration versehen? Für solche Herausforderungen hat das niederländische Unternehmen Foodjet aus Nijmegen verschiedene Systeme zur Dosierung von Lebensmitteln entwickelt, wie zum Beispiel den Moveable Depositor Large (MDL).

„Der Vorteil bei unserer Dosiereinheit MDL ist, dass sich das Muster flexibel an die Produktgeometrien anpassen lässt“, sagt Dirk Schindler, Marketing- und Vertriebsleiter bei Foodjet. Denn Pizzen sind längst nicht mehr nur rund, immer mehr Anbieter backen sogenannte handgestreckte Pizzen. Außerdem gibt es viele Lebensmittel, die generell nicht rund sind. Trotzdem soll der Rand dieser Produkte immer frei von Sauce bleiben. „Das bedeutet, dass wir jeden Teigrohling auf dem Fließband präzise scannen müssen, damit unser Druckkopf genau weiß, wo er die Sauce platzieren muss“, zeigt Schindler eine erste Herausforderung auf. Denn der Durchsatz der Anlage darf natürlich nicht beeinträchtigt werden.

Unbeliebte Handarbeit am
Fließband lässt sich eliminieren

„Mit dem MDL therapieren wir auch einen Schmerztrigger unserer Kunden“, betont Dirk Schindler. Denn trotz aller Automatisierung stehen sehr oft nach wie vor Mitarbeiter am Fließband und verteilen die Soße mit einem Löffel auf den Teigrohlingen: „Das ist stressig, unpräzise und es gibt Gewichtsschwankungen.“ Foodjet kann diesen Kostenblock für interessierte Käufer bei Bedarf leicht quantifizieren.

Bei der Applizierung von Dekorationen sind die ROI-Kalkulationen komplizierter: Wie viel trägt eine Dekoration zu den Verkaufszahlen bei? Lassen sich damit Marktanteile gewinnen? „Wahrscheinlich ja“, bekommt Schindler immer wieder zu hören.

Foodjet spürt, dass der Markt das Thema aufgreift. Auch weil die ersten Hersteller von Nahrungsmitteln bereits umgestellt haben und keiner zurückbleiben möchte – und auch nicht darf. Daher wird es fast schon zur Pflicht, die eigenen Produkte flexibel verzieren zu können, beispielsweise um saisonale Elemente auf dem Nahrungsmittel zu applizieren: ein Stern zu Weihnachten, ein Hase an Ostern oder ein Herz am Valentinstag.

Diese technische Herausforderung konnte Foodjet mit der PC-basierten Steuerungstechnik der Beckhoff Automation GmbH & Co. KG aus Verl meistern. Um etwa mit der hohen Geschwindigkeit einer Pizzaproduktionslinie Schritt halten zu können, müssen die Maschinen von Foodjet die Dosiermuster blitzschnell ermitteln. Bei einem typischen Abstand von 85 cm zwischen dem Kamerasystem und den Dosierköpfen bleibt für die Berechnung lediglich eine halbe Sekunde Zeit. „Die Pizza muss von der Kamera in einem Frame erfasst werden“, konkretisiert Steuerungstechniker Ed de Leur. „Nur wenn der Pizzarohling komplett gescannt ist, kann man ein Muster erzeugen, die einzelnen Punkte für den Druckkopf berechnen und alles mit dem Förderband synchronisieren.“

48 Druckköpfe einzeln µs-genau ansteuern

Die zweite Herausforderung liegt in der hohen Wiederholgenauigkeit. „Wir arbeiten mit einer Servopumpe, um genau im richtigen Moment die benötigte Menge an Sauce durch die Düsen drücken zu können“, sagt Ed de Leur. Dabei geht es um wenige Milliliter je Düse, deren präzise Ansteuerung die Form der Tröpfchen entscheidend beeinflusst – und damit auch, wie sauber die Sauce verteilt wird. „Mit der im MDL integrierten Steuerung von Beckhoff schaffen wir das mit einer Genauigkeit von 20 µs.“

Zusätzlich ist die spezielle Anordnung der Druckköpfe zu beachten: Die bis zu 48 Druckköpfe sind in mehreren Reihen versetzt zueinander und zudem schräg zur Laufrichtung des Förderbands positioniert. Das kommt zwar der Auflösung zugute, weil es den effektiven Abstand zwischen den Düsen verringert. Allerdings müssen die vorderen Düsen viel früher mit der Arbeit beginnen als die hinteren Reihen. Die Konsequenz: „Wir müssen jede Düse einzeln ansteuern und trotzdem sicherstellen, dass jede die gleiche Menge an Sauce dosiert“, so Ed de Leur.

Softwarefunktionalität ersetzt Mechanik

„Wir sehen oft, dass sich Produzenten alle möglichen Tricks einfallen lassen, um die Rohlinge in ordentlichen Reihen auf dem Förderband anzuordnen“, fährt Dirk Schindler fort. Beim Einsatz eines MDL fällt dieser Aufwand komplett weg, da Orientierung und Form des Teigs überhaupt keine Rolle spielen. Beim Erstellen der Rezeptur mit dem Foodjet Food Designer als Software muss lediglich der Abstand zwischen Sauce und Rand eines Rohlings parametriert werden. Danach weiß das System genug, um jedes Produkt exakt auszulegen. „Für die Kunden ist es ein großer Gewinn, dass sie der Maschine keine Muster mehr anlernen müssen“, betont Ed de Leur.

Bei Bedarf können sogar Pizza und Baguettes willkürlich hintereinander auf dem Band laufen – sie werden dennoch korrekt belegt. Zudem erkennt der MDL beim Scannen bereits Rohlinge, die außerhalb der Spezifikation liegen, und kann diese unbelegt aussortieren. „Diese Kontrolle ist in unserem Prozess fest verankert“, so Dirk Schindler.

Da die MDL-Anlagen die verschiedensten Muster am laufenden Band berechnen müssen, war für Ed de Leur klar: „Die Steuerungstechnik muss von Beckhoff kommen. Ich kenne alle Wettbewerber ziemlich gut, aber unsere Anwendung ist so speziell, dass man damit nicht zu vielen Steuerungsanbietern gehen kann. Die Rechenleistung, die Beckhoff zur Verfügung stellt, und die Tatsache, dass man direkt auf dem Windows-Kern programmieren kann, sind Features, die andere SPS-Hersteller nicht bieten – oft auch gar nicht leisten können.“ Nikolas Eimer, Business Developer bei Beckhoff Niederlande ergänzt: „Nicht jeder Kunde nutzt die Rechenleistung unserer Embedded-PCs so exzessiv. Der Prozess von Foodjet ist eine der schnellsten Highend-Anwendungen.“

Foodjet verwendet einen Embedded-PC CX2040 mit Intel-Core-i7-Quadcore-CPU. Die Hardware garantiert, dass die Berechnungen innerhalb von 150 µs abgeschlossen sind und ein Ergebnis über Ethercat zur Verfügung steht. Die wichtigste Aufgabe ist der eigentliche Druck. Das Befüllen der Puffer in den Druckköpfen dauert etwas länger. Und für die Fahraufträge, die die Servopumpen steuern, veranschlagt Ed de Leur 500 µs. Hinzu kommen die regulären Maschinenaufgaben wie das HMI, die Safety-Funktionen und die Druckmessungen, für die 50 ms Zykluszeit ausreichen. Ed de Leur ist sehr zufrieden mit der Wahlfreiheit, welche die Beckhoff-Plattform bietet: „Es gibt eine große Auswahl an I/Os, nicht nur die Standard-Klemmen für Ventile oder Pumpen, sondern auch sehr spezifische Ausführungen.“

Beim HMI hat sich Foodjet entschieden, die Visualisierung in C# zu entwickeln und in einer Windows-Umgebung laufen zu lassen. Der Vorteil der PC-basierten Steuerungstechnik ist, dass auch diese Anwendung auf dem gleichen Rechner läuft – trotz der harten Echtzeitanforderungen, welche die Druckköpfe erfordern. Denn das HMI läuft einfach auf einem anderen CPU-Kern. „Die Freiheit, die man als Softwareentwickler hat, verschiedene Anwendungen auf der gleichen Hardware laufen zu lassen, ist eine weitere Stärke von PC-based Control“, so Ed de Leur. Der Automatisierungsspezialist lobt auch die Zusammenarbeit mit Beckhoff: „Ich bin ein typischer Software-Ingenieur, der einfach loslegt und versucht, die Dinge zu lösen.“ Die Vorlaufzeiten sind kurz und Probleme treten oft erst spät auf. Für Ed de Leur ist es daher wichtig, schnell Antworten und Unterstützung zu bekommen. „Auch in dieser Hinsicht funktioniert die Zusammenarbeit mit Beckhoff sehr gut.“

Derzeit nutzt Foodjet noch einen separaten PC für das Bildverarbeitungssystem. Erklärtes Ziel ist allerdings, die Bildverarbeitung ebenfalls in die Beckhoff-Plattform zu integrieren. Der Grund: Das Timing zwischen den beiden Systemen kann ziemlich kompliziert sein. „An der Beckhoff-Technik liegt es nicht“, so Ed de Leur, „uns fehlte bisher nur die Zeit für die Umsetzung.“

Vom vollflächigen Malen zum filigranen Zeichnen

„Als nächster logischer Schritt soll die MDL-Technologie auch für die Dekoration von Lebensmitteln genutzt werden. Dann geht es um andere Geschwindigkeiten, andere Auflösungen und andere Mengen an Output“, skizziert Dirk Schindler die Herausforderung. Foodjet hat bereits Maschinen für diesen Markt entwickelt, die aber auf PC-based Control umgestellt werden müssen. Sein Ziel: nur noch eine einzige, generische Steuerungsplattform für alle Anwendungen und Branchen zu nutzen.

Foodjet arbeitet außerdem intensiv daran, verschiedene Saucen über zwei hintereinander platzierte MDL-Systeme zu kombinieren. Der erste MDL druckt die Tomatensauce, die zweite Einheit dann Ricotta, Bechamelsauce oder Olivenöl. „Das funktioniert bereits gut“, so Dirk Schindler abschließend, „lässt sich aber weiter verbessern.“ Wird beispielsweise weniger Tomatensoße an den Stellen appliziert, auf denen später der Käse liegt, wird die Konsistenz der Pizza verbessert. Oder eine Hälfte bekommt normale Tomatensauce, die andere eine pikantere Variante. Solche Variationen sind denkbar und mithilfe der Software Foodjet Designer Studio sowie der PC-basierten Steuerungstechnik auch machbar. (co)

www.beckhoff.com

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