Von der Folie zur fertigen Versandtasche

Für das schnelllebige E-Commerce-Geschäft entwickelte das US-amerikanische Unternehmen CMD eine Anlage zur Herstellung von Versandtaschen. CMD weiß, dass eine flexible Automatisierung und hohe Wiederholgenauigkeit in der Verpackungsindustrie unerlässlich sind. Diese Anforderungen erfüllt der OEM-Anbieter durch die ständige Weiterentwicklung seiner kundenspezifischen Kunststoffverarbeitungslösungen.

Für einen Lohnfertiger im Bereich E-Commerce begann das Unternehmen mit der Entwicklung einer neuen Maschine zur Herstellung von Versandverpackungen. Laut Scott Fuller, Product Line Manager, Intermittent Motion Products bei CMD, hatten dabei ein hoher Durchsatz und intuitive Bedienung oberste Priorität: "Durch den höheren Automatisierungsgrad ist die neue Maschine viel schneller geworden, und das war für unseren Endkunden entscheidend." Dieser Endkunde stellt Verpackungen für Onlinehändler her, die die bestellte Ware überwiegend in Kunststoffbeuteln versenden. Eine weitere Kundenanforderung: Die Beutel sollten sich zur automatischen Befüllung eignen.

Für die Unterstützung dieser anspruchsvollen Funktionen war eine leistungsfähige Echtzeit-Steuerungsplattform erforderlich. Darüber hinaus musste das Entwicklerteam enge Zeitvorgaben einhalten, denn es war von entscheidender Bedeutung, das Projekt termingerecht fertigzustellen und eine fehlerfreie, zuverlässige Lösung zu übergeben.

Leistungsstarke Programmierwerkzeuge

Als durchgängige Engineering- und Laufzeitplattform vereint die Automatisierungssoftware TwinCAT alle Funktionen von SPS und Motion Control bis hin zur integrierten Sicherheit und IoT. Bei der Programmierung der neuen Bedienoberfläche mit TwinCAT HMI konnte CMD moderne Webdesign-Standards wie HTML5, JavaScript und CSS nutzen. Die neue responsive Oberfläche erhöht die Benutzerfreundlichkeit mit intuitiver Bedienung. Bei der Programmierung der Maschinensteuerung mit TwinCAT profitierte CMD von der engen Zusammenarbeit mit den Softwareexperten des Special Projects Teams (SPT) von Beckhoff USA. Das SPT Framework baut auf Branchenstandards wie ISA-TR88 und PackML sowie den entsprechenden Bibliotheken in TwinCAT auf. Es vereinfacht die Programmierung der Kommunikation zwischen den Maschinen in einer Produktionslinie. Vorteil für die Programmierer: Sie müssen nicht bei jedem Projekt bei null anfangen, sondern können bestehenden Code wiederverwenden oder einfach an neue Anforderungen anpassen.

Als Maschinensteuerung für die gesamte Linie dient ein Embedded-PC CX2033. Für die hohe Leistungsfähigkeit des hutschienenmontierten Controllers von Beckhoff sorgt ein Dual-Core-Prozessor AMD Ryzen, der darüber hinaus Leistungsreserven für die Zukunft bietet. "Wenn man mit einer nicht so leistungsstarken Steuerung arbeitet, reagiert das HMI träger. Setzt TwinCAT HMI Server aber auf einem CX2033 mit seinen großzügigen Rechenressourcen auf, spricht das Touchpanel sofort an", erklärt Softwareingenieur Adam Benson von CMD.

Safety für die gesamte Maschinenlinie

EtherCAT-Koppler EK1914 integrieren mit digitalen Standard- und Safety-I/Os die Kommunikation entlang der gesamten Linie. Denn die I/O-Segmente der verschiedenen Stationen beinhalten neben EtherCAT-Klemmen für Standardsignale auch TwinSafe-Klemmen für funktionale Sicherheit. Dadurch kann CMD bequem jedem Werkzeug der Maschinenlinie Sicherheitsfunktionen wie beispielsweise Not-Halt zuweisen.

Die bewegungsintensive Applikation von CMD profitiert außerdem von der exakten Synchronisierung der leistungsfähigen Beckhoff-Antriebstechnik über EtherCAT. Das Multiachs-Servosystem AX8000 und Servomotoren AM8000 steuern die vierzehn Achsen der Maschine. "Für seine hohe Leistung baut das Servosystem AX8000 sehr kompakt", so Jason Plutz, Elektroingenieur bei CMD. "Und durch den Einsatz der integrierten Safe-Torque-Off-Funktionalität konnten wir zwei große Schütze einsparen, was den Platzbedarf im Schaltschrank erheblich reduziert."

Für zwei Achsen der Beutelverpackungsmaschine nutzt CMD die Kurvenscheiben-Funktion in TwinCAT 3. Der Beutelöffner war ursprünglich im Bereich der intermittierenden Bewegung positioniert, wurde zur Steigerung der Effizienz jedoch weiter nach hinten verlagert. Durch die Extrapolation der kontinuierlichen Bahnverarbeitung über Kurvenscheiben wird der Beutelöffner exakt so gesteuert, dass die gewünschte Bewegung im richtigen Moment ausgeführt wird.

Gut aufgestellt für die Zukunft

Durch den Einsatz des Software-Frameworks von Beckhoff konnte CMD die Wiederverwendbarkeit des Codes auf 90 % steigern. TwinCAT HMI half dem Team, eine intuitivere Bedienoberfläche zu entwickeln, die zudem eine große Anpassungsfähigkeit bietet. "Die neue Bedienoberfläche ähnelt unserem alten HMI, bietet nun aber ein deutlich übersichtlicheres und benutzerfreundlicheres Design", sagt Softwareingenieur Adam Benson.

Die Steuerung der Maschine mit dem leistungsfähigen Embedded-PC CX2033 über EtherCAT reduzierte die Zykluszeiten. "Dass alles mit derselben hohen Geschwindigkeit gescannt wird, ist ein großer Vorteil. Man muss sich keine Gedanken mehr über die Kommunikation zwischen Prozessstationen machen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeiten, da alles zur gleichen Zeit aktualisiert wird", erklärt Jason Plutz. So konnte das CMD-Team die angestrebte Durchsatzrate von rund 60 m Kunststofffolie pro Minute erreichen. Bei etwa 100 Beuteln pro Minute und Bahn entspricht dies der beeindruckenden Gesamtzahl von 300 bis 500 produzierten Beuteln pro Minute.

Für die Zukunft plant CMD eine Aufrüstung auf den Embedded-PC CX2043 mit einer Quad-Core-CPU AMD Ryzen, um die Leistung der Maschinensteuerung noch weiter steigern zu können. Denn da das breite Industrie-PC-Portfolio von Beckhoff auf Skalierbarkeit ausgelegt ist, ermöglicht es solche Leistungsanpassungen ohne einen erneuten Engineeringaufwand.

Madeline Donkers-Lundquist, Social Media & Content Specialist, Beckhoff Automation USA

Automatica, Halle B6, Stand 310