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Steuerungstechnik erhöht Prüfsicherheit

EtherCAT- und PC-basierte Technologie für automatisiertes Inspektionssystem
Steuerungstechnik erhöht Prüfsicherheit

Der Übergang vom Distributor zum preisgekrönten OEM ist normalerweise eher langwierig. Genau das schaffte jedoch das Unternehmen Prospection Solutions aus Kearney, Missouri, in nur zwei Jahren. Gleich eine der ersten Eigenentwicklungen für die Lebensmittelinspektion wurde mit einem Branchen-Award ausgezeichnet. Für das optische Fremdkörperdetektionssystem kommt EtherCAT- und PC-basierte Steuerungstechnik zum Einsatz.

Prospection ist darauf spezialisiert, die Inspektion verpackter und unverpackter Fleischprodukte, Milcherzeugnisse und anderer Lebensmittel zu automatisieren. Als das Unternehmen 2017 mit dem Maschinenbau begann, war eine der ersten Entwicklungen das IP-69K-geschützte Low-Density-Foreign-Material-Detection-and-Removal-System. Auf der Process Expo 2019 wurde die Maschine mit dem Innovation Showcase Award in der Kategorie Fleisch, Geflügel und Meeresfrüchte ausgezeichnet. „Dieses Detektionssystem ermöglicht es unseren Kunden, Fremdkörper mit einem wesentlich höheren Grad an Konsistenz, Genauigkeit und einer viel höheren Geschwindigkeit als andere Inspektionslösungen zu erkennen und aus dem Produktstrom zu entfernen“, sagt CEO Jeff Youngs. „Das System hat sich zum Aushängeschild von Prospection entwickelt und das Interesse der größten Konsumgüterhersteller der Lebensmittelindustrie erregt. Diese Aufmerksamkeit half uns auch, unsere anderen Produktlinien auszubauen.“ Zudem bietet das Unternehmen weitere Inspektionssysteme sowie Kontrollwaagen an.

Automatisierter Prüfprozess

Das Fremdkörperdetektionssystem scannt und inspiziert aus mehreren Kamerawinkeln die gesamte Oberfläche von Rind-, Schweine- und Geflügelfleisch, Tiernahrung, geriebenem Käse, Nudeln und anderen Lebensmitteln. Erkannt wird eine breite Palette von Verunreinigungen, darunter Teilchen aus harten und weichen Kunststoffen, von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) und anderen Gegenständen, die in Produktionsbetrieben häufig vorkommen. Alle verunreinigten Produkte werden automatisch ausgeworfen und somit aus der Lieferkette zum Verbraucher entfernt. Ausschlaggebend ist dabei, dass das System die zu prüfenden Produkte nicht wenden muss, da die Kameras die Ober- und Unterseite gleichzeitig prüfen. Deshalb benötigt das System eine viel kleinere Stellfläche als Wettbewerbssysteme, wie Kyle Knudsen, Vice President of Technology von Prospection, berichtet.

Entwicklungsziele für die Maschine waren neben der geringeren Stellfläche ein größerer Durchsatz und eine höhere Zuverlässigkeit als andere Maschinen auf dem Markt. Die proprietäre Bildverarbeitungssoftware muss außerdem in Echtzeit mit der Maschinensteuerung kommunizieren können, um die sofortige Entfernung von Verunreinigungen aus der Produktionslinie sicherzustellen. Für die Erfüllung dieser Anforderungen entschied sich Prospection, die EtherCAT- und PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff einzusetzen.

TwinCAT für SPS- und Motion-Control

Im Sommer 2017 begann Prospection gemeinsam mit dem lokalen Beckhoff-Team, bestehend aus Applikationsingenieur Marc Wilkinson sowie den Vertriebsingenieuren Brian McKee und Brandon Snell, mit dem Design und der Programmierung des Fremdkörperdetektionssystems. Die Steuerungstechnik basiert auf einem Embedded-PC CX5140 mit der Automatisierungssoftware TwinCAT 3 als Maschinensteuerung. Die proprietäre Bildverarbeitungssoftware von Prospection läuft auf einem separaten Rechner und kommuniziert mit dem CX5140 in Echtzeit über das ADS-Protokoll. Knudsen zufolge bietet diese Steuerung ein Höchstmaß an Stabilität und erhöht so die Zuverlässigkeit des Systems. Ein Edelstahl-Control-Panel CP3918 mit 18,5-Zoll-Multitouch-Display unterstützt moderne HMI-Konzepte für die Lebensmittelindustrie.

TwinCAT wird für SPS- und Motion-Control-Funktionen genutzt, aber nach dem Einstieg des Unternehmens in den Maschinenbau waren die Programmierressourcen noch begrenzt. Kyle Knudsen sieht die Unterstützung des Beckhoff-Teams und insbesondere von Marc Wilkinson als entscheidend für den Erfolg des Systems an: „In der Anfangszeit programmierte Marc nahezu die gesamte Maschinensteuerung für uns. Er integrierte die Kommunikation mit unserer Bildverarbeitungssoftware mithilfe von ADS, und er sorgte dafür, dass der Basiscode einfach zu verstehen und für unsere Semi-Standardsysteme leicht abzuwandeln ist.“

Mittlerweile übernimmt Prospection die SPS-Programmierung selbst. Kyle Knudsen fiel es aufgrund seiner Informatikkenntnisse leicht, sich mit der TwinCAT-3-Plattform vertraut zu machen. „Programmiererfahrung habe ich größtenteils mit C++, daher war der Umstieg auf Structured Text in TwinCAT 3 einfach“, erklärt er.

Hohe Durchsatzraten garantiert

Weitere Vorteile ergaben EtherCAT und Motion Control. So unterstützt EtherCAT die Echtzeitkommunikation bei freier Topologiewahl. Prospection wusste außerdem zu schätzen, dass EtherCAT-Koppler und Gateways zu mehr als 30 verbreiteten Kommunikationsprotokollen zur Verfügung stehen. Je stärker das Unternehmen auf dem Markt expandiert, desto wichtiger ist es, mit anderen Feldbussen wie EtherNet/IP oder Profinet bei vor- und nachgelagerten Anlagen zu kommunizieren. Mit dieser Offenheit vereinfacht PC-based Control die Programmierung und Steuerung von Drittherstellerkomponenten, beispielsweise des Förderbands für das Ausschleusen von Fehlprodukten sowie der Linearaktoren für die Kamerapositionierung. Im Prüfsystem dienen verschiedene platzsparende EtherCAT-Klemmen als Standard-Ein-/Ausgänge, der Beleuchtungssteuerung für die Kameras sowie in Form von Schrittmotorklemmen EL7047 als kompakte Antriebstechnik. Die TwinSAFE-Technologie bindet funktionale Sicherheitsfunktionen wie zum Beispiel STO und SS1 direkt in die TwinCAT-Engineering-Umgebung ein.

Durch die schnelle Kommunikation zwischen der Inspektionssoftware und den Motion-Komponenten über EtherCAT kann das System pro Stunde zwischen 4535 und 11 340 kg Lebensmittel mit hoher Genauigkeit verarbeiten. Das Automatisierungssystem protokolliert die Inspektionsergebnisse in einer SQL-Datenbank und speichert beschnittene Bilder, die alle Verunreinigungen mit Zeitstempeln zeigen. So kann der Anwender Verunreinigungen analysieren, um Probleme in der Anlage zu beseitigen und den Ausschuss zu reduzieren.

Beckhoff Automation GmbH & Co. KG, Verl


Autor James Figy

Senior Content Specialist,

Beckhoff Automation USA

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