Steuerungs- und Servoantriebstechnik bei der Lebensmittelverpackung

Hygiene bis zum Edelstahlmotor

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Bei seinen Robotern setzt der Verpackungsanlagen-Hersteller Multivac auf Technik von Beckhoff. Deren Steuerungs- und Antriebstechnik überzeugt durch ihr hygienisches Design.

Multivac Sepp Haggenmüller mit Hauptsitz in Wolfertschwenden ist Komplettanbieter von Verpackungslösungen für die Lebensmittel-, Medizin- und Konsumgüterindustrie. Das Portfolio umfasst neben Verpackungsmaschinen auch Handhabungsmodule für das Beladen, Entladen und Vereinzeln, Inspektionssysteme zur Qualitätskontrolle und Fremdkörperdetektion sowie Kennzeichnungs- und Etikettierlösungen für unterschiedliche Packungsarten. Die wichtigste Anwenderbranche für die Multivac-Lösungen ist die Lebensmittelindustrie, bei der es um die wirtschaftliche, fehlerfreie und vor allem hygienische Verpackung beispielsweise von Fleisch, Wurst, Fisch, Käse, Gemüse oder Fertiggerichten geht.

Bei allen vollautomatischen Verpackungsmaschinen setzt Multivac auf die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff. Bereits im Jahr 2005 ersetzte sie die vorherigen Mikroprozessor-basierten Steuerungen, um durch mehr Rechenleistung und Speicherplatz den steigenden Anforderungen der immer komplexeren Maschinen mit immer höherer Funktionalität gerecht werden zu können. Hinzu kam, dass PC-Control die Kommunikationsanbindungen beispielsweise per Ethernet und OPC durch Standard-Schnittstellen und -Softwarebibliotheken vereinfacht und den Entwicklungsaufwand entsprechend verringert hat.
Einen weiteren Vorteil der PC-basierten Steuerungstechnik sieht Alois Allgaier, Leiter des Multivac-Geschäftsbereichs Steuerungstechnik, in der guten Skalierbarkeit: „Zum einen können wir für kleinere und größere Maschinen den jeweils genau passenden Embedded-PC einsetzen, dabei softwareseitig aber immer die gleiche Funktionalität bieten. Zum anderen lässt sich die I/O-Ebene mit dem modularen und vielfältigen Ethercat-I/O-System optimal und wirtschaftlich den Erfordernissen der Applikation anpassen.“
Anpassbarkeit bedeutet für Allgaier auch, dass sich die Verpackungsanlagen über das Ethercat-Klemmensystem gut modularisieren lassen: „Unsere Maschinen werden zentral über einen Beckhoff-Embedded-PC CX1020 oder CX1030 gesteuert, sind aber in der I/O-Ebene auf drei dezentrale Schaltschränke aufgeteilt. So ist bei einer Formstation die komplette Datenerfassung und -anbindung im zugehörigen Schaltschrankmodul realisiert. Die Kommunikation mit der zentralen Steuerung erfolgt über das sehr schnelle Ethercat, was ebenfalls ein wichtiger Aspekt bei der Entscheidung für PC-Control war. Schließlich hängen die erreichbaren Taktraten der Verpackungsmaschinen direkt von möglichst kurzen Zykluszeiten der Steuerungstechnik ab.“
Mit den Handhabungsmodulen von Multivac lässt sich ein breites Spektrum an Verpackungsaufgaben automatisieren. Dazu zählen das Einlegen von Produkten, das Vereinzeln und Orientieren von Packungen, das Aussortieren fehlerhafter Packungen und das Beladen von Umverpackungen. Die Systeme verfügen je nach Bedarf über Zwei-, Drei- oder Vierachsroboter und sind flexibel einsetzbar, zum Beispiel bei variierenden Produkten, Packungsformaten, Gewichten und Taktzeiten.
Hygiene durch Edelstahlmotoren. Die Handhabungssysteme können nahezu beliebige Packungsmuster erzeugen, um das Volumen von Sekundärverpackungen optimal zu nutzen. Auch Interlayer und Trenneinlagen lassen sich automatisiert einlegen. Die Gründe für die Entwicklung eigener Handhabungsmodule oder -roboter erläutert Allgaier folgendermaßen: „Mit unseren Verpackungsmaschinen für die Lebensmittelindustrie haben wir sehr hohe Hygieneansprüche umgesetzt, die auch im Bereich Handling und Robotik unser Maßstab waren. Da es auf dem Markt keine passenden Systeme gab, haben wir nach unseren Vorstellungen eine eigene Robotermechanik für den Einlegebereich entwickelt. Das Ergebnis ist eine optimal reinigbare, weil komplett offene und in Edelstahl gehaltene Rahmenkonstruktion. Dazu tragen auch die FDA-konformen Edelstahlservomotoren AM8800 von Beckhoff bei, da sie einfach und ohne zusätzliches Schutzgehäuse montiert werden können.“
Die Servomotoren der AM8800-Baureihe verfügen über ein Edelstahlgehäuse, das nach den Richtlinien der EHEDG im „Hygienic Design“ gestaltet ist. Außerdem enthalten sie nach FDA für Lebensmittel zugelassene Schmierstoffe. Die Motorwicklungen sind in Einzelzahntechnologie ausgeführt, was einen hohen Kupferfüllfaktor und entsprechend hohe Dauerdrehmomente ergibt. Der Statorvollverguss soll für einen thermisch idealen Übergang von der Wicklung an das Gehäuse sorgen. Als weitere positive Folge bietet der Vollverguss einen mechanischen Schutz der Wicklungsdrähte gegen Vibrationen. Da Gehäuse und Motorwelle aus kratzfestem Edelstahl AISI 316L gefertigt sind, ist keine Unterwanderung oder Beschädigung wie bei einer lackierten Ausführung möglich. Durch die Ausführung in Schutzart IP 69K ist der Einsatz von Dampfdruckreinigern möglich.
Für die Motoransteuerung nutzt Multivac bei den Pick&Place-Systemen den Zweikanal-Servo-verstärker AX5206 von Beckhoff, der den Betrieb von zwei gleichen oder sogar unterschiedlich großen Motoren ermöglicht. Als Edelstahlservomotoren kommen die Typen AM8843, mit 3,9 Nm Nenn-, 4,5 Nm Stillstands- und 16,5 Nm Spitzendrehmoment, sowie AM8852, mit 5,1 Nm Nenn-, 6,0 Nm Stillstands- und 22,5 Nm Spitzendrehmoment, zum Einsatz. Damit lassen sich in Verbindung mit der schnellen Ethercat-Kommunikation dynamische und präzise Handlingaufgaben realisieren.
Die Kabelverschraubung der Servomotoren ist wie das Gehäuse im Hygienic Design ausgeführt. Und mit der One Cable Technology (OCT) von Beckhoff kommt für Allgaier beim Anschluss der Servomotoren AM8800 noch ein weiterer Pluspunkt hinsichtlich der Hygieneansprüche dazu: „Da eines der üblichen Motoranschlusskabel entfällt, gibt es auch eine Stelle weniger, an denen sich Schmutznester bilden können. Das war für uns ein wichtiger Grund für den Einsatz von OCT.“ Zudem profitiert man von den grundsätzlichen OCT-Vorteilen der reduzierten Komponenten- und Inbetriebnahmekosten. Schließlich entfällt durch die Übertragung der Motor-Feedbacksignale direkt über die Leitung zur Spannungsversorgung ein Kabel inklusive Steckverbinder, was sowohl Materialkosten wie auch Verkabelungsaufwand spart.
Die Automatisierungssoftware Twincat vereint SPS, Motion Control und Robotik auf einer integrierten Plattform, was für Allgaier von Beginn an ein entscheidender Vorteil von PC-Control war: „Schon bei der Entwicklung der Robotermechanik war klar, dass wir keine separate Robotersteuerung einsetzen wollten. Mit Twincat lässt sich die gesamte Steuerungstechnik komplett in einem System umsetzen und die Inbetriebnahme auf diese Weise sehr schnell vornehmen.“
Vorteil Einkabelanschlusstechnik. Als Bedienterminal dient ein Edelstahl-Panel-PC CP7201, mit 12“-Touchscreen und Schutzart IP 65. Er zeichnet ebenfalls durch ein „Hygienic Design“ aus. Die Benutzeroberfläche HMI 2.0 von Multivac ermöglicht dabei eine intuitive und sichere Bedienung der Handhabungsmodule beziehungsweise der gesamten Verpackungsmaschine.
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