Happy Hour für Maschinenbauer

Verpackungsmaschinen – Man nehme Logik, Motion Control und mische das Ganze mit Technologiefunktionen ab. Was kann der Konstrukteur von Maschinen und Anlagen mit diesem Mix anfangen? Die Redaktion von :K hat mit Dr. Holger Grzonka über Simotion geredet. Er sorgt bei Siemens A&D für die Automatisierung von Verpackungsmaschinen.
27. Juni 2005

Komplexe Bewegungsführung, Technologiefunktionen und einfache bewegungsnahe Logik-Funktionen, wie das Verknüpfen von Eingangssignalen und das Berechnen und Setzen von Ausgangssignalen, realisiert Simotion in einem System. Damit entfallen zeitkritische Schnittstellen zwischen einzelnen Komponenten sowie der Programmier- und Diagnoseaufwand für die Schnittstellen. Der Bediener erhält jederzeit genaue Informationen über die gesamte Maschine und kann gezielt auf Ereignisse reagieren.

Mit dieser Durchgängigkeit und Offenheit will Deutschlands größter Automatisierer den Kunden, aber auch den Maschinenanwendern, Konfiguration, Programmierung, Service und Diagnose vereinfachen: »Wir setzen auf verbreitete Industriestandards. Unsere Programmiersprachen Structured Text und Kontaktplan sind konform zur internationalen Norm IEC 61131. Für die Kommunikation zur Peripherie, zu den Antrieben und auch zu Steuerungen untereinander setzen wir den Profibus, das mit Abstand am weitesten verbreitete Feldbus-System in Europa, ein«, erklärt Dr. Holger Grzonka, bei Siemens A&D in Erlangen für das Business Development Automatisierung von Verpackungsmaschinen verantwortlich.

In modernen Produktionsmaschinen hat sich Motion Control zu einer Kerntechnologie entwickelt. Die Maschinenanwender fordern immer flexiblere Maschinen, die schnell auf andere Produkte, Formate oder Verpackungsmittel umgestellt werden können.

Bei Verpackungsmaschinen z.B. müssen die Packungen unterschiedlich positioniert, die Bewegungen mit elektronischen Kurvenscheiben an veränderte Formate angepasst werden. »Simotion ist unsere Antwort auf diese Anforderungen«, erklärt Holger Grzonka und weist auf die Kostenvorteile hin, die der Maschinenanwender vom neuen Motion Control System hat. »Mit Simotion werden bei der Maschinenentwicklung - angefangen beim Konzept, über die Konstruktion, Projektierung, Engineering bis zu Inbetriebnahme und Test - Einsparungen von 25 bis 30 % gegenüber anderen Systemen erreicht. Die Integration von Motion Control, Logik und Technologiefunktionen in einem System erlaubt die Automatisierung von Produktionsmaschinen durchgängig und effizient ohne die Programmierung von Kommunikationsschnittstellen, die bisher erforderlich war, um die unterschiedlichen Disziplinen zusammenzuführen.

Hier sparen unsere Kunden ganz massiv Entwicklungskosten.« Der ›Engineering-System Scout‹ führt alle Automatisierungsschritte aus einem Werkzeug heraus durch und verwaltet alle Daten durchgängig und übersichtlich strukturiert in einem Projekt.

Weiterhin setzt Simotion auf offene Standards, wie z. B. den taktsynchronen Profibus, IEC-61131-Konformität oder die OPC-Schnittstelle zur Anbindung der Bedienoberfläche. Simotion bietet die Freiheit bei der Wahl zwischen drei Plattformen: Controller-based, PC-based und Drive-based. Die Controller-Ausführung, Simotion C, eignet sich bei einem sehr breiten Spektrum an Prozesssignalen. Der Industrie-PC, d. h. Simotion P, hat seine Stärken bei umfangreicher Datenhaltung, -auswertung und -protokollierung und erfüllt die Anforderung nach Offenheit zur PC-Welt. Direkt in den Antrieb integriert eignet sich Simotion D für kompakte Maschinen oder dezentrale Automatisierungskonzepte bei Maschinen mit vielen Achsen und zeitkritischen Achskopplungen.

Die Simotion-Anwenderprogramme sind hardwareunabhängig und laufen auf allen drei Simotion-Plattformen ab. Mit Simotion können also unterschiedlichste Maschinen ohne Systembruch automatisiert werden. Auch vorhandene Maschinen können mit Simotion nachgerüstet werden. Grzonka:

»Über die analogen Antriebsschnitt stellen unseres Simotion-Controllers C 230-2 lassen sich auch ältere Antriebe mit analogen Schnittstellen anschließen. Solche Retrofit-Projekte sind insbesondere dann sinnvoll, wenn Flexibilität und Produktivität der Verpackungsmaschine gesteigert werden sollen.«An Referenzanwendungen fehlt es nach knapp zwei Jahren nicht. Allein in der Verpackungsbranche wurde Simotion bisher in mehr als 350 Maschinen eingesetzt, z. B. in horizontalen und vertikalen Schlauchbeutelmaschinen, Tray-Aufrichtmaschinen, Schachtelfüll- und Verschließmaschinen, Maschinen zur Süßwarenherstellung und -verpackung usw. Individuelle Verpackungslösungen in kurzer Zeit erstellen - »diesen Anspruch von Verpackungsmaschinenbauern verwirklicht Simotion ohne Probleme«, betont Grzonka. Dass Simotion auf Trends wie die zunehmende Modularisierung von Produktionsmaschinen setzt, steht für Holger Grzonka außer Zweifel: »Die Maschinenbauer gehen immer mehr dazu über, Baukastensysteme zu erstellen, aus denen Maschinen für unterschiedliche Produktionsaufgaben zusammengestellt werden können. So können schnell und kostengünstig kundenspezifische Maschinen erstellt werden. Gerade für die immer vielfältiger werdenden Verpackungsaufgaben hilft die Modularisierung, die Entwicklungskosten in den Griff zu bekommen.«

Die Steuerungstechnik modularer Maschinen muss dabei besonderen Ansprüchen gerecht werden. Die Maschinenmodule arbeiten weitgehend autark, sie werden separat entwickelt, gefertigt und in Betrieb genommen.

Eine zentrale Maschinensteuerung, wie sie heute noch von vielen Steuerungsherstellern propagiert wird, hat hier eindeutige Nachteile, denn modulare Maschinen brauchen auch modulare Steuerungstechnik.

Nicht nur die Mechanik, auch die Steuerung der Maschinenmodule muss separat entworfen, getestet und in Betrieb genommen werden können.

Zur Synchronisation der Steuerungen untereinander sind intelligente Kommunikationsfunktionen erforderlich.

Holger Grzonka nimmt diese Herausforderung gerne an: »Die Funktionen des modularen Steuerungssystems unterstützen die Projektierung verteilter Steuerungen in separaten Maschinenmodulen und gewährleisten die Synchronisation des Gesamtsystems.« Sein Fazit: »Simotion vereinfacht die Entwicklung modularer Maschinen enorm.« Auch die langfristigen Entwicklungsschwerpunkte der Automatisierer für Verpackungsmaschinen aus dem Hause Siemens A&D schließen sich nahtlos an die kurzfristigen Trends an. Denn die Individualisierung der Verpackungen und damit einhergehend die Verringerung der Auflagengröße pro Verpackungsauftrag wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen.

Schließlich wollen Maschinenbauer ihre Maschinen so konstruieren, dass die ungeliebten Umstell-, Reinigungs- und Sterilisationszeiten weiter reduziert werden können.

Holger Grzonkas Prognose in Richtung Konstruktion von Verpackungsmaschinen gibt die Richtung vor, die man bei Siemens geht: »Die Flexibilisierung wird in Zukunft nicht nur die einzelne Maschine, sondern die gesamte Produktionsanlage und die gesamte Logistik umfassen. Maschinen werden künftig nicht nur modular aufgebaut, sondern während ihrer Betriebsphase auch verändert. Die Module werden dann, je nach Aufgabenstellung, von der Maschine entfernt bzw. zur Maschine hinzugefügt. Auch hier fordert der Maschinenanwender, dass nach der Umkonfiguration möglichst schnell eine hohe Verfügbarkeit der Maschine erreicht wird.«

Einige Markenartikelhersteller denken darüber nach, ihre Verpackungsmaschinen ortsveränderlich aufzustellen, damit die Produktionslinie schneller an die veränderten Verpackungsaufgaben angepasst werden kann. Holger Grzonka: »Das stellt neue Anforderungen an die Automatisierung und Kommunikation in der gesamten Verpackungslinie.

In den kommenden Jahren wird es sicher einige interessante Entwicklungen im Produktionsmaschinenbau geben. Wir sind auf jegliche Form von maßgeschneiderten Maschinen vorbereitet.« Eine maßgeschneiderte Verpackungslösung ist die neue »Low cost - high speed«-Maschine OM2 mit intelligenter Maschinensteuerung zum Verpacken von Damenbinden und Slipeinlagen. Die Maschine der Optima filling and packaging machines GmbH bietet Prozesssicherheit, einfache Bedienung, niedrige Kosten und flexible Produktion. Damenbinden oder Slipeinlagen werden zunächst in Packungsgrößen mit einer definierten Anzahl von Einzelprodukten gruppiert und der Maschine zugeführt. Bevor sie über ein Stegband zur Verpackungsmaschine kommen, werden sie in einer Komprimierstation zwischen zwei Platten verdichtet. Um die Formation aus Einzelbinden sicher transportieren zu können, ist das Stegband mit zwei Gleitschienen ausgerüstet. Am Ende des Stegbands schiebt ein so genannter Schieberarm die Packung in einen vorbereiteten Beutel. Dieser wird aus einem integrierten Speicher abgezogen und mittels zwei Saugarmen geöffnet, der Querschnitt fixiert, damit das Füllgut eingeschoben werden kann. Der befüllte Beutel wird anschließend zugeschweißt und abtransportiert. Eine optionale vierte Servo-Achse erlaubt die Handhabung übergroßer Packungen. Die Vor-Komprimierstation, die Stege des Stegbandes, die Grundmaschine und die optionale vierte Achse werden jeweils separat angetrieben und über eine Kurvenscheibe elektronisch gekoppelt. Die OM2 verfügt damit über bis zu vier elektrisch angetriebene Achsen, die allesamt mit Servomotoren des Siemens-Typs 1FK7 ausgerüstet sind. Als Umrichtersystem kommt Simodrive 611 universal zum Einsatz, als Bedien- und Beobachtungsgerät das Touch Panel TP 170B aus dem Simatic HMI-Spektrum. Für die Visualisierung kommt Simatic ProTool zum Einsatz. Für den Beuteltransport selbst und die Positionierung der Beutelstapel werden Normmotoren eingesetzt.

Zur Bewegungssteuerung der gesamten Maschine entschied sich Optima erstmals für Simotion, das neue Motion Control-System von Siemens. Die Simodrive-Umrichter und das Touchpanel sind über den taktsynchronen Profibus mit der Simotion-Steuerung verbunden. Die Antriebsschnittstelle von Simotion entspricht dem Profidrive-Profil V3.

Simotion wurde zwar besonders für den Einsatz in Maschinen entwickelt, bei denen viele Bewegungsachsen schnell und genau gesteuert werden müssen. Die OM2 hat aber gezeigt, dass Simotion ebenso gut geeignet ist für Low-Cost-Maschinen, bei denen nur wenige Achsen schnell und präzise mit gleichbleibend hoher Qualität funktionieren müssen. Die drei wesentlichen Funktionen für die Bewegungssteuerung, nämlich Motion-Control-, Logik- und Technologiefunktionen, sind in Simotion vereint: Komplexe Bewegungsführung, Technologiefunktionen und einfache bewegungsnahe Logik-Funktionen, wie das Verknüpfen von Eingangssignalen und das Berechnen und Setzen von Ausgangssignalen, werden in einem einzigen System realisiert. Damit entfallen zeitkritische Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten der Anlagen sowie der Programmier- und Diagnoseaufwand für die Schnittstellen. Der Bediener erhält dadurch jederzeit genaueste Informationen über die gesamte Maschine und kann dadurch gezielt auf alle Ereignisse reagieren.

Erschienen in Ausgabe: 02/2004