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Steuerungen - Als vor 100 Jahren Sigpack Systems die erste Verpackungsmaschine - noch mit Handkurbelantrieb - baute, war es unvorstellbar, dass heute Roboter verpacken, transportieren, gruppieren und stapeln - und das mit höchster Geschwindigkeit und Präzision.

03. August 2007

Mit den ersten 1906 hergestellten und von Hand betriebenen Sigpack-Maschinen wurden Schokoriegel, Suppenwürfel und Zuckerwürfel verpackt. Heute gehört die Sigpack Systems AG zu Bosch Packaging Technology und ist eines der weltweit führenden Unternehmen im Bereich Entwicklung, Herstellung und Verkauf von Verpackungs- und Handlingsystemen. Dazu gehören flexible Lösungen auf Robo­terbasis für verschiedenste Produkte wie Nahrungsmittel, Tierfutter, Gesundheits- und Hygieneartikel oder Pharmazeutika.

Eine solche Roboterzelle innerhalb einer größeren Verpackungslinie arbeitet im Verbund mit weiteren Einheiten. Das heißt, sie muss Signale der vorgeschalteten Zellen übernehmen, mit den eigenen Informationen verarbeiten und die nachgeschalteten Zellen steuern. Dabei ist die Programmierung mit einem einzigen Tool möglich. Großes Gewicht wird auf einfache Bedienung, gute Zugänglichkeit und möglichst wenig Schulungsaufwand gelegt. Dies ist mit der ControlLogix-Steuerung von Rockwell Automation möglich, weil sie neben den Prozess- und Achsfunktionalitäten auch die Programmierung der Roboter-Funktionen gestattet.

ControlLogix ist als universelle Steuerungsplattform angelegt und kann somit bisher getrennte Systeme integrieren. Sie vereint Ablauf-, Achs-, Prozess- und Roboterfunktionen in einem Gerät. Diese Architektur reduziert den Engineering-Aufwand für die Entwicklung neuer Systeme erheblich. Aber auch die Inbetriebnahme und Wartung werden vereinfacht, weil nur ein einziges System alle Funktionen steuert. Die Folgen sind kleinere Engineering- und Trainingskosten sowie eine kürzere Zeit bis zur Markteinführung.

Bei der beschriebenen SigPack-Installation schießt ein kontinuierlich laufendes Zuführband die Produkte in die Gruppiereinheit ein. Sobald ein »Zug« gefüllt ist, wird er in die Entnahmeposition verfahren. Hier saugt der Greifer eines Delta-Roboters die Produkte an, bevor er sie anhebt, gruppiert und schließlich auf einem kontinuierlich laufenden Band absetzt. Dieses bedient dann die nächste Station.

Die Pick-and-place-Operation ist für den Roboter alles andere als trivial. Weil die Positionen der Produkte variieren, gibt es nicht nur eine Pick- und eine Place-Position. Verschiedene Zwischenpositionen kompensieren zeitliche Differenzen. Bei der Bahnplanung ist außerdem berücksichtigt, dass der Arbeitsraum des Roboters begrenzt ist, seine mechanische Beanspruchungsgrenze nicht überschritten wird und die (Pharma-) Produkte möglichst wenig beschleunigt werden.

Dazu wie auch zur Erhöhung der Leistung dient ein »Blending-Radius«, über den kontinuierlich von einer Bewegung in die nächste gewechselt wird. Unter Berücksichtigung der Erdbeschleunigung können auch die Beschleunigungswerte für senkrechte und waagrechte Bewegungen unterschiedlich gewählt werden, um die Leistung der Zelle zu optimieren.

Die Speicherverwaltung der ControlLogix-Steuerung arbeitet mit symbolischen Namen (Tags), anstelle kryptischer Adressen. Diese Adressierung wird nicht allein in der Programmiersoftware hinterlegt; sie ist auch im Speicher der Steuerung abgelegt. Damit wird die Konfiguration der Kommunikation vereinfacht, sowohl zu dezentralen Feldgeräten als auch zu übergeordneten Überwachungs- und Visualisierungssystemen. Bemerkenswert ist auch der multidisziplinäre Befehlssatz zur rationellen Integration von Ablauf-, Achs- und Robotersteuerung.

Weil die Place-Position ein kontinuierlich laufendes Band ist, das jedoch mit variablen Geschwindigkeiten läuft, bewegt sich der Ablagepunkt um einen bestimmten Weg von der theoretischen Position weg. Die »Tracking«-Funktion der Roboter-Steuerung berücksichtigt diese Verschiebung und addiert die beiden Vektoren, um die erforderliche Bewegung für den tatsächlichen Ablagepunkt zu bestimmen.

Die »Gatekeeper«-Funktion übernimmt die automatische Überwachung der sogenannten Kavitäten im Arbeitsbereich des Roboters. Sobald eine Kavität den Arbeitsbereich verlässt, die nur zum Teil oder gar nicht befüllt oder geleert wurde, stoppt der »Gatekeeper« den entsprechenden Feeder. Damit bekommt der Roboter immer genügend Zeit, um eine Kavität vollständig zu bearbeiten. Mit einem Parameter wird vorgegeben, wie nahe ans Ende des Roboterarbeitsbereiches eine leere Kavität fahren darf, bis der Stoppbefehl erteilt wird.

Die Roboterkinematik besteht aus einer Vorwärts- und einer Rückwärtstransformation. Rückwärtstransformation heißt, aus den Weltkoordinaten (x, y, z) werden die zugehörigen Winkel für die reellen Roboterachsen errechnet. Mittels Vorwärtstransformation werden die aktuellen Jointpositionen in Weltkoordinaten umgerechnet.

Natürlich kümmert sich die Steuerung auch um Präsenz und Vollständigkeit der Behälter, um die verschiedenen Start- und Stoppmöglichkeiten, um die Sicherheit von Roboter, Produkt und Bediener sowie um Kali­brierung und Fehlerbewirtschaftung. Die Steuerung eignet sich dabei insbesondere für umfangreiche und komplexe Anforderungen.

Seit 1999 wurden für die ControlLogix kontinuierlich Programm-Module für verschiedene Anwendungen entwickelt, die auch in der beschriebenen Roboterzelle zur Anwendung kommen. Die noch fehlenden Module entwickelte Rockwell Automation in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden. Die Zusammenarbeit war dabei so eng, dass der Software-Ingenieur von Rockwell Automation seinen Arbeitsplatz zu Sigpack Systems verlegte, um gleich vor Ort die Steuerung zu programmieren und zu testen.

Mit der neuen Steuerungslösung kann Sig-pack Systems neben Ablauf- und Achsfunktionen auch den Roboter und die peripheren Funktionen einer komplexen Anlage steuern. Die mit dieser Pilotanlage gemachten Erfahrungen bilden die Basis für weitere Applikationen.

Der Kunde profitiert von der Struktur »Eine Anlage mit nur einer Steuerung« durch reduzierte Engineering- und Schulungskosten, schnelleres »Time to Market«, einfachere Bedienung und Wartung sowie umfassende Eingriffsmöglichkeiten in die Steuerung.

Stephan Schaufelberger, Rockwell/ml

Fakten:

ControlLogix - Vorteile für den Anwender:

?Ablauf-, Achs- und Prozesssteuerung in einem Gerät,

?dadurch sinkt der Engineering-Aufwand bei der Entwicklung neuer Systeme, Inbetriebnahme und Wartung werden vereinfacht,

?die neue ControlLogix L64 mit 16 MB Speicherkapazität eignet sich besonders für datenintensive Applikationen mit erhöhtem Speicherbedarf und zentralisiert Alarmsysteme, die bislang extern koordiniert wurden.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007