Frequenzumrichter ersetzt Servomotor

Der Maschinenbauer IMSB gehört zur Aetna Group, einem weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet Entwicklung und Herstellung von Verpackungsanlagen. Seine Spezialität sind Anlagen mit Spül-, Füll- und Verschließmaschinen. Neben Standardprodukten bietet IMSB individuelle Lösungen an, die auf die spezifischen Bedürfnisse von Anwendern aus der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zugeschnitten sind.

Aufgrund der Vielzahl von unterschiedlichen Verpackungsgrößen und -formaten ist Flexibilität heute zu einer entscheidenden Anforderung an Produktionsanlagen in der Getränkeindustrie geworden. Im Fall von volumetrischen Inline-Flaschenabfüllanlagen, wie sie von IMSB hergestellt werden, bedeutet dies, dass die Endanwender in der Lage sein wollen, die Füllvolumina schnell und einfach an die verschiedenen Flaschengrößen anzupassen. Zwar ermöglichen auch Anlagen mit manueller Einstellung solche Änderungen, aber es kann bis zu einer Stunde dauern, um ein neues Füllvolumen exakt einzustellen. Eine solche Verzögerung ist in einem auf Effizienz ausgerichteten Produktionsumfeld kaum zu rechtfertigen. Elektronische Einstellvorrichtungen sind zwar eine Lösung, aber bis dato verlangten sie den Einsatz teurer Systeme mit Servomotoren, um die erforderliche Positioniergenauigkeit ohne Beeinträchtigung des Anlagendurchsatzes zu erzielen.

IMSB wusste, dass es einen großen Markt für Abfüllanlagen mit elektronischer Volumeneinstellung gibt, sofern deren Kosten nicht allzu stark von Anlagen mit manueller Einstellung abweichen. Die Herausforderung bestand also darin, ein System zu entwickeln, das dies ermöglicht.

Bei den volumetrischen Inline-Flaschenabfüllanlagen von IMSB steuert ein mit Nocken angetriebenes Ventilsystem das Volumen und die Durchflussmenge der in die Flaschen eingefüllten Flüssigkeit. Solange sich der Nocken bis zu einer für jede Flasche exakt definierte Position dreht, wird die Flasche befüllt. Danach kehrt er wieder in seine Ruheposition zurück, ehe die nächste Flasche zur Abfüllstation gelangt. Bisher galt die Kombination aus Servomotor und dem dazugehörigen Antriebssystem als die einzige Möglichkeit, um den Nocken mit der für diese anspruchsvolle Anwendung erforderlichen Genauigkeit und Geschwindigkeit zu positionieren.

Auf der Suche nach einer kostengünstigeren Lösung für diese Aufgabe wandte sich IMSB an Eaton. Daraufhin führte dessen Team von auf Positionieraufgaben spezialisierten Anwendungstechnikern eine sorgfältige Anforderungsanalyse durch. Auf deren Grundlage schlugen sie vor, den Hochleistungsfrequenzumrichter Power XL DA1 für die Nockensteuerung einzusetzen, in Kombination mit einem optischen Drehgeber, der die Nockenposition permanent genau überwacht und zurückmeldet. Die Auswahl fiel in diesem Fall auf den DA1, da dieser über moderne Vektorregelalgorithmen verfügt und daher in der Lage ist, mit der erforderlichen hohen Geschwindigkeit und Genauigkeit zu reagieren.

Um dem Endanwender die Bedienung zu erleichtern, ergänzte Eaton die Lösung um eine XV100-Steuerung, die Funktionen eines Bediengerätes mit Farbtouchscreen und einer SPS in einem kompakten Gerät (HMI/PLC) vereint. Dezentrale Ein-/Ausgabeeinheiten der XI/ON-Serie leiten die Signale des Drehgebers und der anderen Sensoren an der Maschine an die XV100 weiter und reduzieren den Verdrahtungsaufwand auf ein Minimum. Bei dem E/A-Modul, das am Drehgeber zum Einsatz kommt, handelt es sich um einen Hochgeschwindigkeitszähler mit einer Pulsrate von bis zu 100 kHz, der die Anforderungen dieser Anwendung mehr als erfüllt.

IMSB entwickelte Programme für die XV100, die auf einem intuitiven, rezepturbasierten Ansatz beruhen. Das bedeutet, dass die Maschinenbediener einfach eine Rezeptur über den HMI-Touchscreen auswählen können, die in Art und Größe der verwendeten Flasche entspricht. Die XV100 stellt dann automatisch die entsprechende Betriebsart für das Füllventil und die optimale Geschwindigkeit für die Fördersysteme am Ein- und Auslauf ein, die jeweils mit einem Power XL DC1 angesteuert werden. Das derzeitige System ermöglicht 15 Rezepturen. Sollten künftig allerdings Erweiterungen erforderlich werden, ist das Steuersystem in der Lage, mindestens 100 Rezepturen zu verarbeiten.

Während der Füllvorgänge überwacht die XV100 fortlaufend die vom Drehgeber gesendeten Informationen und verwendet diese in Verbindung mit den Daten der gewählten Rezeptur, um ein Geschwindigkeitsreferenzsignal für den DA1-Umrichter zu berechnen. Um die notwendige Arbeitsgeschwindigkeit zu gewährleisten, wird dieses anschließend gemeinsam mit Start- und Stoppsignalen über eine CANopen-Busverbindung an den Frequenzumrichter gesendet.

Die Berechnung des Referenzsignals in der XV100 erfolgt anhand eines speziellen Positionieralgorithmus. Dieser wurde von den IMSB-Ingenieuren mithilfe der SPS-Entwicklungsumgebung Codesys entwickelt. Unterstützt wurden sie dabei von Software-Experten von Eaton.

Die Leistungsfähigkeit des frequenzumrichterbasierten Systems hat IMSB beeindruckt. Die Genauigkeit der Abfüllanlage wurde durch eine Kontrollwägung jeder Flasche geprüft. Nach einer längeren Testphase ergab sich eine Genauigkeit von mehr als 99,5 %. Darüber hinaus übertrafen Wiederholbarkeit und Einheitlichkeit des Füllvorgangs die strikten Anforderungen des Unternehmens.

Neben diesen Ergebnissen punktete die Automatisierungs- und Antriebslösung von Eaton außerdem durch ein geringeres Kostenniveau im Vergleich zu einem servogesteuerten Füllsystem gleicher Leistung. Damit können Endanwender jetzt eine Anlage mit elektronischer Füllvolumenanpassung für nur wenig mehr als die Kosten einer Maschine mit manueller Einstellung kaufen und auf diese Weise fast ohne Zeitverlust flexibel zwischen verschiedenen Flaschengrößen wechseln.

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