Dosierprozesse kontinuierlich optimieren

Dipl.-Ing. Kai Flucke

Dosiersteuerungen für Abfüll- und Absackwaagen dienen zum Abwägen fließfähiger Feststoffe und Flüssigkeiten, wie Getreide oder Zucker. Beim Abfüllvorgang sind dabei unterschiedliche Füllgüter und Schwankungen im Materialfluß oder der Materialdichte zu berücksichtigen. Zusätzlich zu den besonders anspruchsvollen Wägefunktionen – Abfüllen mit hoher Geschwindigkeit, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit – werden von einer Dosiersteuerung umfangreiche Steuerungsaufgaben verlangt. So ist bei Absackwaagen die Materialzufuhr zu steuern, die Sackklemmvorrichtung zu betätigen und der Sackabwurf einzuleiten. Mit Siwarex AWS steht jetzt erstmals eine universelle Dosiersteuerung zur Verfügung, die sich ausschließlich aus Standardkomponenten des Automatisierungssystems Simatic S7 zusammensetzt.

Die Dosiersteuerung (Abb. 1) besteht aus der Wägeelektronik Siwarex A, dem Automatisierungssystem Simatic S7 (z. B. CPU 312 IFM), einem Bediengerät Simatic HMI (z.B. OP 7) und einer in Step 7 erstellten und damit erweiterbaren bzw. veränderbaren Standardsoftware.

Über das Bediengerät wird die Waage parametriert und bedient. Die Füllparameter für bis zu 63 Komponenten werden dabei im Klartext vorgegeben. Alternativ können Parametrierungen wie auch die Waagenbedienung über ein übergeordnetes Leitsystem realisiert werden. Für die Inbetriebnahmephase und für Dokumentationszwecke stehen umfangreiche Druckprotokolle (u.a. Testprotokoll, Statistikprotokoll) zur Verfügung.

Die Dosiersteuerung verfügt über insgesamt drei Betriebsarten und kann somit für die unterschiedlichsten Aufgabenstellungen eingesetzt werden:

• Im Abfülldauerbetrieb werden Gebinde gemäß eines vorgegebenen Sollwertes abgefüllt, zum Beispiel beim Abfüllen von Zucker in 25 kg Säcke.

• Im Palettierbetrieb ist über einen Vorwahlzähler für die angewählte Komponente die Anzahl von Schüttungen einstellbar, die mit dem vorgegebenen Füllsollwert durchgeführt werden sollen. Der Vorwahlzähler wird nach jeder Schüttung dekrementiert, bis der Zählerstand „0” erreicht ist. Nach Ausdruck bzw. Löschen des Summenspeichers kann der Dosiervorgang erneut gestartet werden. Ein Anwendungsfall ist beispielsweise das Abfüllen von je 10 Säcken Mehl zu 50 kg pro Palette.

• In der Betriebsart Verladebetrieb ist für eine Komponente eine Gesamtmenge vorzugeben, die über mehrere Schüttungen verwogen wird. Jede Schüttung wird bilanziert und von der Gesamtmenge abgezogen. Nach jeder Schüttung erfolgt die Neuberechnung des Sollwertes für die nächste Schüttung.

Im Gegensatz zum Palettierbetrieb ist das Ziel des Verladebetriebs die schnelle und genaue Dosierung einer Gesamtmenge. Beim Palettierbetrieb hingegen ist auch die Genauigkeit der Einzelmengen ausschlaggebend.

Die Dosiersteuerung ermittelt mit einer Genauigkeit von 0,01% und einer Meßwertauflösung von 1 Million Teile den Gewichtswert und steuert mit einer Genauigkeit von 1ms die zeitkritischen Dosiersignale für Grob- und Feinstrom. Während des Dosiervorgangs erfolgt die kontinuierliche Steuerung sowohl des Grobstrom- als auch des Feinstromabschaltpunktes. Durch die Optimierung beider Abschaltpunkte wird nicht nur ein eichgenaues Abfüllen, sondern auch ein möglichst schneller Dosiervorgang erzielt und damit ein hoher Anlagendurchsatz erreicht.

Für die Optimierung der Abschaltpunkte stehen in der Dosiersteuerung mehrere selbstadaptierende Regler zur Verfügung, die Schwankungen des Materialflusses genauso erfassen und ausgleichen wie sich ändernde Materialdichten. Ausreißer bei Dosierungen werden mit statistischen Methoden bewertet und wirken sich so nicht negativ auf die Optimierung der nachfolgenden Dosierungen aus. Besondere Betriebsbedingungen, wie den Betrieb mit Klopfern oder Rüttlern, berücksichtigt die universelle Dosiersteuerung genauso wie den dynamischen Einschwingvorgang der Waage oder einen Sackbruch.

Abfüll- und Absackwaagen zeichnen sich nicht nur durch eine hohe Füllgeschwindigkeit (bis zu 1200 Säcke/h) aus. Kennzeichnend für diese Waagentypen ist auch der relativ hohe Steuerungsaufwand, z. B. für die Steuerung des Klemm- oder Blähringes, eines Vibrationsgerätes, der Sackzuführung, von Stickstoff- und Edelgaszuführungen zum Aufblasen von Inlinern oder für Spülvorgänge, des Sackabwurfes etc.

Diese Dosiersteuerung bietet alle Vorteile eines programmierbaren und durch modulare Hard- und Software erweiterbaren Automatisierungssystems, so daß für die umfangreichen Steuerungsfunktionen kein zusätzliches Automatisierungssystem benötigt wird. Durch den hohen Grad an Flexibilität können leistungsdifferenzierte Abfüll- und Absackanlagen aufgebaut werden, indem zwischen CPU-Baugruppen verschiedener Leistungsklassen (CPU 312 IFM bis CPU 416-2 DP) und Bediengeräten mit unterschiedlichem Bedienkomfort (z. B. ein zeilenorientiertes OP7 oder ein vollgrafisches OP37 mit Farbdisplay) ausgewählt werden kann. Durch die freie Programmierbarkeit sind auch individuelle Anforderungen, wie das Aufblasen eingelegter Foliensäcke (Inliner), die vor allem im Nahrungs- und Pharmabereich Verwendung finden, erfüllbar.

Die auf Standardkomponenten des Automatisierungssystems Simatic S7 basierende Dosiersteuerung ist nach allen Seiten offen. So kann nicht nur eine zusätzliche Kontrollwaage an die Dosiersteuerung angeschlossen werden, sondern auch Drucker, Fernanzeiger, PC etc.

Nahezu alle Abfüllwaagen sind heute an ein übergeordnetes Leitsystem angeschlossen. Durch eine praxisgerechte Systemintegration wird der Aufwand für die Einbindung der Dosiersteuerung in die Gesamtautomatisierung erleichtert (Abb. 2).

Den hohen Anforderungen und Nachweisauflagen hinsichtlich Produkthaftungsgesetz und ISO 9001 wird aufgrund der durchgängigen Datenhaltung und Kommunikation Rechnung getragen und somit die Rückverfolgbarkeit eines jeden Produktes innerhalb der Fertigungskette – vom Endprodukt bis zum Rohstoff – sichergestellt.

Mit der neuen Dosiersteuerung Siwarex AWS investiert der Anwender in die einheitliche Systembasis SIMATIC S7, auf der auch die Automatisierungskomponenten der gesamten Produktionskette aufsetzen können – vom Wareneingang (Upstream-Bereich) über den Produktionsprozeß (Mainstream-Bereich) bis hin zur Abfüllmaschine am Ende der Produktionskette (Downstream-Bereich). Diese Systembasis schließt von der Mensch-Maschine-Schnittstelle bis zum Feldbus Profibus DP sämtliche hierarchischen Ebenen ein.

Weitere Informationen dei 201