Abfüllung läuft wie geschmiert mit Technik von Danfoss

Diesen und mehr Artikel zu diesem Thema finden Sie in Ausgabe 10/2018 des MM Maschinenmarkt. Dort liegt der Schwerpunkt unseres Special-Themas auf "Lebensmittelindustrie". (erscheint am 16.10. 2018)

IMC – Integrated Motion Control dient zur vereinfachten Umsetzung einer Synchronisier- oder Positionieranwendung. Statt komplexer, aufwändiger Servolösungen samt Geber kann pflegeleichte Frequenzumrichtertechnik eingesetzt werden. IMC ist eine Softwarelösung in den VLT Frequenzumrichtern von Danfoss, die mit oder ohne Geber bereits sehr wiederholgenaue, exakte Bewegungen erlaubt.

Bei der Konfitürenabfüllung bei Zentis werden die benötigten Gläser lose, auf Paletten gestapelt, angeliefert und mit einem Abschieber lagenweise auf ein Förderband geschoben, um dann zur Abfüllanlage transportiert zu werden. Um eine Verbesserung des Prozesses zu erreichen, ersetzte man die bisherige Schützschaltung durch einen VLT AutomationDrive mit Integrated Motion Control von Danfoss: Dieser steuert den Motor hin zur exakt gewünschten Position in Korrelation mit einem Endschalter und erreicht geringere Quoten an umfallenden Gläsern und Glasbruch als die Lösung zuvor. Zugleich ist die Anlage deutlich leiser und produziert weniger Vibration.

Für einzelne Achsen oder für Maschinen mit wenig bis mittleren Aufwand an Motion, also Bewegungsregelungen, ist der Aufwand, ein traditionelles Servosystem zu integrieren eine hohe Hürde, die es zu nehmen gilt. Diese Servosysteme bedingen häufig ein eigenes Bussystem, eine eigene Steuerungs-Philosophie, sowie spezielle Antriebsregler mit Motoren und Getrieben. Jeder dieser Einzelkomponenten ist dabei letztlich Neuland für den Entwickler, der es projektiert. Genauso wie für denjenigen, der es später im täglichen Einsatz warten und Instandhalten muss: Weniger Komplexität ist hier auf jeder Ebene und für alle am Prozess beteiligten Abteilungen ein Gewinn.

Ruckelige Schützschaltung soll ersetzt werden.

Die Ausgangslage bei Zentis sah so aus, dass eine Hebeanlage mit Positionierschalter die Paletten mit den zu befüllenden Gläsern zu einer Bandförderanlage hebt. Ein Glasabschieber schob die jeweils oberste Lage der Palette lagenweise auf das Förderband. Die Palette musste dabei möglichst genau mit der Oberkante der Zwischenlage zur Oberkante des Förderbandes positioniert werden, damit kein Absatz entsteht. Die Gläser sind dabei je nach Konfitürensorte unterschiedlich breit und vor allem hoch.

Dementsprechend muss der vertikale Fördervorgang immer wieder neu eingestellt werden, damit ein möglichst geringer Höhenversatz zwischen Band und Glascharge entsteht, die die Gläser zum Kippen bringen könnte. Es entsteht jedoch unvermeidbar ein minimaler Höhenunterschied, da die Zwischenlagen, auf denen die Gläser stehen, manchmal unterschiedlich dick sind: Aufwärts bringt selbst ein halber Millimeter immer wieder Gläser zum Stürzen, abwärts seltener, deswegen wird stets etwas höher gefahren.

Wenn dies erledigt ist, kann der hier vor allem betrachtete Ablauf beginnen: Der Verschiebevorgang der Gläser auf das Band. Dabei müssen möglichst ruckfrei alle Gläser von der Palette auf das Band verschoben werden. Ruckfrei deswegen, damit kein Glas umfällt, denn das Risiko einer Kettenreaktion mit Glasbruch ist gravierend. Passiert dies, muss der Bediener jeweils das Band komplett räumen und die Anlage säubern – es darf schließlich unter keinen Umständen eine Kontaminierung der Konfitüre durch Glassplitter auftreten. Aus diesem Grund ist es bei Zentis auch jedem Besucher und Mitarbeiter verboten, Flaschen oder andere Gegenstände aus Glas in die Produktion mitzunehmen.

Neben dem Risiko, dass Gläser beim Umfallen kaputt gehen können, könnte auch noch durch Verklemmen der Gläser und dem Druck des Glasabschieberarmes ein Bruch entstehen. Jeder Zwischenfall verursacht Stillstände mit entsprechenden Kosten durch den Produktionsausfall.

Parallele Paletteneinspeisung neuer Gläser: Links der neu mit IMC aufgerüstete Maschinenteil, rechts der alte.
Parallele Paletteneinspeisung neuer Gläser: Links der neu mit IMC aufgerüstete Maschinenteil, rechts der alte.

Anlagentechnik alt.

Neben der Antriebslösung und der Mechanik der Hebevorrichtung stand vor allem die Abschiebevorrichtung im Fokus der Erneuerung: Diese Technik bestand ursprünglich aus einer Lösung mit Schützen ohne besondere Sensorik oder Sicherheitseinrichtungen. Die neue Lösung verwendet exakter an die benötigte Leistung angepasste Motoren und wird von einem VLT Frequenzumrichter mit Integrated Motion Control gesteuert. Integrated Motion Control IMC ist eine sehr elegante Art, Positionier- und Synchronisationsaufgaben zu lösen: Anstelle aufwändiger mechanischer Lösungen oder Servosystemen mit Geber und ebenfalls aufwändiger Verdrahtung und Programmierung wird hier ein Frequenzumrichter parametriert um die Anwendung auszuführen. Dies kann je nach Erfordernissen mit oder ohne Feedbacksystem geschehen.

Unveränderte Motoreninstallation zum Anheben der Palette um je eine Glashöhe sowie zur Vorwärtsbewegung des Abschiebebalkens.
Unveränderte Motoreninstallation zum Anheben der Palette um je eine Glashöhe sowie zur Vorwärtsbewegung des Abschiebebalkens.

In vielen Produktionsbereichen wie bei der hier vorgestellten Applikation bei Zentis benötigt der Anwender genaue Positionierung oder präzise Synchronisation von Antriebs- bzw. Maschinenachsen, ohne aber eigentlich den Leistungsumfang der dafür notwendigen komplexen, teuren und hochdynamischen Servoantriebe zu benötigen. Solche Anwendungen werden mit der im VLT AutomationDrive nun verfügbaren Integrated Motion Control einfacher und effizienter gelöst.

Sie ist für derartige Anwendungen mehr als ausreichend genau und bietet dem Anwender sehr große Vorteile: So arbeitet die IMC mit allen gängigen Motortechnologien, zudem verfügt der AutomationDrive für alle Motortypen über eine automatische Motoranpassung. Anbinden lässt sich das Ganze technologieunabhängig an alle gängigen Steuerungs- bzw. Bussysteme. Die IMC ermöglicht die Realisierung von Positions- und Synchronisationsanwendungen wahlweise mit oder ohne Drehgeber. Dazu kommt durch IMC die sensorlose Rotorpositionserkennung sowie Drehmomentkontrolle. Insgesamt bringt das deutliche Einsparmöglichkeiten bei Komponenten im Schaltschrank, bei der Inbetriebnahme und der Verdrahtung.

Ein kompaktes Gerät statt Baukastenprinzip.

Für eine einfache Positionierungs- oder Synchronisierungsaufgabe war bisher ein recht umfangreicher Aufbau nötig. Zwischen SPS und Motor befanden sich viele Bauteile wie Motion Control-Einheit, Leistungsteil, Drosseln und Resolver oder Drehgeber. All diese Teile benötigten nicht nur viel Platz im Schaltschrank, sondern erfordern erheblichen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand. Der VLT AutomationDrive mit Integrated Motion Controller vereint all diese Bauteile in einem Gerät oder macht sie überflüssig. Im Gegensatz zu bisherigen Ausführungen kann der Betreiber bei Verwendung des VLT FC 302 mit dem optionalen Integrated Motion Controller auf aufwändige und teurere Servoregler verzichten.

Ein wichtiger Vorteil dieser Lösung ist für den Anwender, dass er die Frequenzumrichter an die Anwendung durch einfaches Parametrieren anpasst. Kenntnisse in Servotechnik oder gar Programmiersprachen sind nicht erforderlich. Der FC 302 mit IMC kann wahlweise Asynchronmotoren oder permanenterregte Synchronmotoren ansteuern. Durch die neuartige geberlose Regelung kann der Betreiber in vielen Anwendungen auf die Verwendung von Drehgebern verzichten. Das aufwendige Planen, Verdrahten und die Fehlersuche an Drehgebern gehören damit der Vergangenheit an. Das alles führt dazu, dass das System insgesamt robuster ist und im Fehlerfall auch keine externen Spezialisten angefragt werden müssen.

Synchron positionieren.

Für eine Positionierung benötigt der Antrieb lediglich eine oder mehrere Zielposition(en), die sich z. B. über einen Feldbus vorgeben lassen. Daraus leitet er ein Bewegungsprofil ab. Erhält der Umrichter dann über ein Bussystem oder angeschlossene Sensorik den Startbefehl, fährt der Antrieb die entsprechende Zielposition selbsttätig an. Danach fährt er, je nach Anwendungsanforderung, entweder zurück zur Startposition oder zu weiteren Zielpositionen.

Deutlich erleichterte Einstellmöglichkeiten mit hinterlegten Bibliotheken für die unterschiedlichen Glashöhen und Zwischenlagedicken sind nun möglich.
Deutlich erleichterte Einstellmöglichkeiten mit hinterlegten Bibliotheken für die unterschiedlichen Glashöhen und Zwischenlagedicken sind nun möglich.

Eine Referenzfahrt kann ohne Sensor mit begrenztem Drehmoment erfolgen. Wenn ein mechanischer Stopp existiert und dieser mit einem gewissen Drehmoment angefahren wird, kann dies als Referenzpunkt dienen. Damit spart der Anwender den Sensor ein, was die Installationszeit reduziert und die Einrichtung vereinfacht. Nutzt die Anwendung Referenzsensoren, kann die Referenzfahrt im Betrieb erfolgen.

Eine Synchronisieranwendung erfordert immer die Regelung von zwei oder mehr Motoren. Dabei fungiert einer als Master, dem die Follower in Geschwindigkeit oder Position folgen müssen. In der Regel benötigt die Anwendung ein Drehgebersignal des Masters sowie eines für jeden angeschlossenen Follower zur präzisen Abstimmung. Bisher erfolgt die Regelung derartiger Anwendungen typischerweise durch einen externen Motion Controller, bei der Danfoss-Lösung ebenfalls über die IMC-Funktionalität einfach im Frequenzumrichter.

Nach der Pufferzone werden die Gläser in Reihe Richtung Konfitürenabfüllung eingeschleust und wandern ihre Bestimmung entgegen.
Nach der Pufferzone werden die Gläser in Reihe Richtung Konfitürenabfüllung eingeschleust und wandern ihre Bestimmung entgegen.

Das Ergebnis sieht wie folgt aus: Zentis hat durch den Einsatz der IMC-basierenden Positionierung an mehreren Stellen gewonnen: Die Anlage läuft mit weniger Störungen und somit weniger Ausfallzeiten und verbessert zudem das Sicherheitsniveau aufgrund weit seltenerer Störungen durch Glasbruch. Zudem können die Mitarbeiter statt Gläser wieder aufzustellen andere Aufgaben besser wahrnehmen – und dies unter weit ruhigeren Bedingungen als bisher, da die Vibrationen und die Geräuschentwicklung der Anlage sich deutlich verringert hat.