Die Perfecta 450 von Teepack füllt, faltet und verschließt pro Minute bis zu 450 Teebeutel – und dies mit höchster Präzision. „Die absolute Geschwindigkeit ist jedoch nicht das alleinige Maß aller Dinge“, betont Franz Andel, Leiter Automatisierungstechnik bei Teepack. Sein Anspruch und der seiner Kollegen ist, dass die Teebeutelverpackungsmaschinen aus dem Stand heraus und auch bei Geschwindigkeitsänderungen einwandfreie Teebeutel produzieren. Das sicherzustellen, verlangt viel Prozess-Know-how und präzise Automatisierungstechnik. Denn zum einen ist der Produktionsprozess an sich knifflig und dann soll das Filterpapier der Teebeutel auch noch möglichst dünn sein. „Unsere Kunden wollen nachhaltig und effizient produzieren und das bedeutet neben einem höheren Maschinentakt und geringerem Energieverbrauch auch einen minimalen Materialeinsatz“, skizziert Andel eine wichtige Marktanforderung. „Und je dünner das Filterpapier ist, desto empfindlicher reagiert es auf Zugschwankungen, beispielsweise infolge unterschiedlicher Bahngeschwindigkeiten in den einzelnen Produktionsbereichen“, erklärt Sascha Theine, der bei Teepack für die Hard- und Softwareentwicklung zuständig ist.
Einsatz von Servomotoren
Für die höhere Geschwindigkeit und Präzision gegenüber dem Vorgängermodell sorgt der Umstieg auf eine elektronische Kopplung der Hauptachsen über Servomotoren und Software. „Davor hatten wir den Hauptprozess mechanisch über Kurvenscheiben verkettet“, so Andel. In der Perfecta 450 übernehmen das jetzt das Multiachs-Servosystem AX8000 und die Servomotoren AM8000 in Verbindung mit Twincat NC I.
„Die mit Beckhoff-Technologie realisierte Regelung der Bahnspannung über alle Antriebsachsen hinweg verhindert ein Reißen des Filterpapiers selbst bei dynamischen Geschwindigkeitsänderungen“, erläutert Theine. Wo früher z. B. der Filterpapiertransport starr mit der Hauptbewegung gekoppelt war, ist der Bewegungsablauf nun durch zwei Servoantriebe getrennt. „Dadurch können wir beispielsweise die Papierlänge eines Teebeutels variieren und auch die Geschwindigkeiten in Relation zu den anderen Antrieben anpassen“, sagt Andel. Das gibt Teepack und seinen Kunden mehr Optionen bei der Verarbeitung verschiedener Teesorten und Materialien.
Tee wird von oben zugeführt
Bei bis zu 450 Teebeuteln je Minute ist der eigentliche Prozess nicht mehr mit bloßem Auge nachzuvollziehen: Das Filterpapier wird aus der Zuführeinheit eingezogen und läuft unter der Dosierstation durch. Dort wird der Tee von oben zugeführt und über eine Dosierstation mit einzelnen Dosierkammern auf dem Filterpapier portioniert. Nach dem Portionieren wird das Filterpapier zum Doppelkammer-Teebeutel – er wurde von Teepack erfunden – gefaltet, was ausschließlich durch mechanisches Formen und Falzen in der nachfolgenden Station erfolgt. Hier wird auch der Faden zugeführt und mit dem Beutel verknotet. Anschließend werden die einzelnen Teebeutel aufgereiht und in die zuvor in der Perfecta 450 aufgestellten und verklebten Verpackungskartons konfektioniert. Das spart wertvollen Platz in der Produktion und erhöht die Prozesssicherheit, denn die Teepackungen sind bereits verschlossen, wenn sie über ein Förderband ausgeschleust werden.
Software synchronisiert die Achsen
Die Synchronisation der Achsen per Software steigert zudem die Flexibilität in der Entwicklung und reduziert den Aufwand beim Feintuning des Bewegungsablaufs. Früher wurde eine Kurvenscheibe berechnet, gefräst und gehärtet. Die typische Zeitdauer: drei Wochen. Heute berechnet der Kinematik-Experte eine Kurve in zwei Tagen und liefert die Daten in Tabellenform, die anschließend im Handumdrehen in die Servoantriebe aufgespielt werden können.
Die Perfecta 450 ist die erste Maschinengeneration, die komplett mit der Beckhoff-Plattform realisiert wurde. Teepack suchte einen Anbieter, der das gesamte Portfolio an Komponenten anbietet: PLC, Safety, Motion inklusive IPC-Technologie und Bedienpanel. Dazu Franz Andel: „Vor Beckhoff haben wir uns zu 60 % mit dem Automatisierungssystem beschäftigt und nur zu 40 % mit der Applikation. Jetzt können wir uns zu 98 % mit der Applikation beschäftigen.“ Verantwortlich dafür sei auch der sehr gute Support, der unter Umständen auch bis in die Entwicklungsabteilung reiche. Bei Bedarf unterstützen Applikationsexperten von Beckhoff bei der Implementierung und Auswahl der passenden Komponenten und Systeme.
Alles läuft auf einem Embedded-PC
Bei der Perfecta 450 laufen sämtliche Anwendungen – von der Regelung und Synchronisation aller Servoantriebe über Safety und HMI bis hin zur Datenerfassung und Datenbankapplikation für das Monitoring – auf einem einzigen Embedded-PC CX2043 mit Multicore-CPU (AMD Ryzen mit vier Kernen und 3,35 GHz Systemtakt).
„Bei der anspruchsvollen Motion-Control-Applikation trotzdem noch ein HMI und eine Datenbank mitlaufen lassen zu können, ohne die Echtzeitfähigkeit zu beeinträchtigen, das ist nicht selbstverständlich“, unterstreicht Wilm Schadach, Leiter der Beckhoff-Niederlassung in Monheim. Im Maximalausbau werden bis zu 30 Servomotoren AM8000 über das Multiachs-Servosystem AX8000 oder über die Servomotorklemmen der Serie ELM72xx geregelt. Die Sicherheitstechnik ist systemintegriert mit Twinsafe realisiert. Das gesamte Twincat-Automatisierungsprojekt sowie das HMI lassen sich entsprechend der gewählten Maschinenkonfiguration flexibel zusammenstellen.
Flexibilität bei der Projektierung
Eine wesentliche Anforderung bei der Auswahl der Automatisierungsplattform war die Flexibilität bei der Projektierung. Teepack kann nun die Hardware entsprechend der Maschinenkonfiguration skalieren, ohne die Steuerungsplattform wechseln zu müssen. Und das Unternehmen profitiert von der kompakten Ausführung der Automatisierungstechnik. „Das Schaltschrankvolumen ist ein großes Thema bei Verpackungsmaschinen und wir haben eigentlich immer zu wenig Platz“, stellt Theine fest. Das Multiachs-Servosystem AX8000 und die kompakte Antriebstechnik ELM72xx in Kombination mit der One-Cable-Technology-Anschlusstechnik sorgen hier für deutliche Entlastung im Schaltschrank und bei der Montage.
Ideen für die nächste Ausbaustufe
Weitere Entlastung im Schaltschrank versprechen dezentrale Antriebe der Baureihe AMP8000 mit integriertem Servoverstärker. Auch beim Kartonaufsteller sieht Andel das Potenzial für weitere Innovationen auf Basis von Beckhoff-Technologien: „XPlanar bietet sehr viele Ansätze, was die unterschiedlichen Verpackungsformate betrifft.“ Mit den frei schwebenden Movern könnten die Schachteln vor der Klebedüse flexibel bewegt werden, z. B. um einzelne Klebepunkte aufzubringen. Das würde den mechanischen Aufbau der Klebestation wesentlich vereinfachen und den Aufwand für die Heizstation reduzieren.
Für die nächste Perfecta-Generation planen die Entwickler von Teepack außerdem den Einsatz eines Bildverarbeitungssystems für die Inline-Qualitätskontrolle. „Systemintegriert und über Ethercat echtzeitfähig mit dem Maschinenzyklus gekoppelt passt Beckhoff Vision optimal“, erklärt Schadach, „zumal das System keinen zusätzlichen Platz im Schaltschrank beansprucht.“
Twincat Analytics und Twincat Scope sind ebenfalls Bestandteile der konkreten Überlegungen zur nächsten Ausbaustufe. Geplant ist, zusätzliche Betriebsdaten für Maschinenstatistik und Leistungskennzahlen zu erfassen. Andel denkt dabei an Motortemperaturen, Motorströme, Drehmomente und Ähnliches: „Aus den Korrelationen wollen wir Kenntnisse über den Verschleiß ermitteln und bei Bedarf eine vorbeugende Wartung anstoßen.“
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG, Verl
Halle 7.1, Stand D19
Autor: Frank Würthner
Global Business Management Packaging,
Beckhoff Automation
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