In der Verpackungsmaschine muss jede Komponente zuverlässig und präzise arbeiten, um das optimale Verpackungsergebnis zu erzielen. Die Antriebstechnik trägt entscheidend dazu bei.

In der Verpackungsmaschine muss jede Komponente zuverlässig und präzise arbeiten, um das optimale Verpackungsergebnis zu erzielen. Die Antriebstechnik trägt entscheidend dazu bei.Lenord+Bauer

Die Endverpackung ist für den Handel ein zentrales Instrument, den Verkauf zu forcieren, sei es mit speziellen Displays, wechselnden Verpackungsformen oder verschiedenen Umverpackungen. Zwangsläufig schlägt diese Varianz auf die Verpackungsanlagen durch. Jede einzelne Komponente muss zuverlässig, präzise und dabei flexibel arbeiten, um ein optimales Verpackungsergebnis zu erzielen. Um das zu erreichen, setzt der Verpackungsspezialist ETT aus Moringen/Fredelsloh bei drei seiner Maschinentypen auf das Antriebssystem Powerdrive der Firma Lenord+Bauer: bei einem Kartonaufrichter, einem Verschließer und einer Wrap-around-Anlage. Die Kartonaufrichter falten pro Minute bis zu 40 Papp-Rohlinge, sogenannte Planos, zum fertigen Karton. Diesen Vorgang übernehmen drei kompakte Stellantriebe der Baureihe A892. Sie regeln das Plano-Magazin, den Kartonvorschub und die Heißleimverstellung. Dabei erfolgen Kommunikation und Spanungsversorgung der Antriebe über jeweils ein schleppkettentaugliches Hybridkabel, die an der Aufrichter-Einheit montierten Powerdrive-Box zusammenlaufen. Als dezentrale Komponente übernimmt die intelligente Box maßgebliche Funktionen wie die Kommunikation der Antriebe mit der Anlagensteuerung, in diesem Projekt eine S7-300-Steuerung.

Anwender im Detail

ETT Verpackungstechnik

Die ETT Verpackungstechnik wurde 1984 in Moringen gegründet und stellt Verpackungssysteme her. Rund 150 Mitarbeiter entwickeln und produzieren am Gründungsstandort Moringen modulare Verpackungsmaschinen, Roboterkonzepte und Palettiermodule, die flexibel kombiniert werden können. Dabei kommt alles aus einer Hand. Mit modularen Anlagenteilen wie Kartonaufrichter, Packer, Toploader oder Verschließer wird jede Maschine auf die Bedürfnisse des Endkunden abgestimmt.

Mithilfe steckbarer Feldbusmodule lässt sich die Box mit nahezu jeder vorgelagerten Steuerung verbinden. Beim Wechsel auf einen anderen Feldbus braucht ETT lediglich das Feldbusmodul auszutauschen. Die Kommunikations-Box initialisiert sich dann automatisch. Die Stell­antriebe inklusive des Hybridkabels bleiben unverändert. Das vereinfacht den Ein- und Umbau sowie die Lagerhaltung. Zur Integration des Antriebssystems in die Anlagensteuerung stehen Funktionsblöcke zur Verfügung. Zusätzlich zu den gerätespezifischen Dateien, die bei praktisch allen Feldbussen obligatorisch sind, erleichtern die Funktionsblöcke die Programmierung der Stellantriebe und der Kommunikations-Box. Je nach Feldbusprofil stehen die Funktionsblöcke für die Programmiertools Step 7, Codesys oder RS-Logix zur Verfügung.

Die Stellantriebe sind kompakt und benötigen jeweils nur ein Hybridkabel für Spannungsversorgung und Kommunikation.

Die Stellantriebe sind kompakt und benötigen jeweils nur ein Hybridkabel für Spannungsversorgung und Kommunikation. Lenord+Bauer

Der Verschließer ist die letzte Station in einer Endverpackung bevor die in Kartons verpackten Güter direkt auf die Reise oder ins Lager gehen. Auch in dieser Station setzt ETT Antriebe von Lenord+Bauer ein. In dem Verschließer der Reihe V872 regeln drei Stellantriebe die unterschiedlichen Zustellachsen. Sie treiben das sogenannte Oberschiff an, verstellen die Antriebskassette für die Kartons und passen die Breite des Förderbands automatisch entsprechend der Kartonmaße an.

Mit System komplett verpackt

Als Komplettsystem nutzt ETT die modulare Antriebstechnik bei einer Wrap-around-Anlage für einen Endkunden in der Pharmabranche: Hier sind insgesamt 21 Stellantriebe im Einsatz. Von der Verpackung der Infusionsflaschen über die Etikettierung der Kartons bis zur Palettierung deckt die Anlage den kompletten Verpackungsprozess ab. Die Stellantriebe ersetzen die bislang verwendeten Schrittmotoren. „Unser Kunde hatte Probleme beim Anfahren der Schrittmotoren. Über die Zeit hatte sich offenbar das Losbrechmoment der Zustellachsen erhöht, so dass die Motoren nicht mehr zuverlässig funktionierten“, erläutert Dr. Peter Velling, Produktmanager bei Lenord+Bauer, das Problem des ETT-Kunden. Man hätte die Schrittmotoren zwar größer dimensionieren können, da deren Drehmomentverlauf über der Drehzahl aber nicht konstant ist, wäre die Auslegung dennoch schwierig geblieben. Abhilfe schaffen Stellantriebe mit elektronisch kommutierten BLDC-Motoren (Brushless-DC-Antriebe). Deren Endstufen sind so dimensioniert, dass sie erhöhtes Losbrechmoment bereitstellen können. Das Drehmoment bleibt dabei bis zur angegebenen Grenzdrehzahl konstant. Zudem haben die Motoren einen integrieren magnetischen Multiturn-Absolutwertgeber auf der Abtriebswelle. Die Kenntnis der Absolut­position ist im laufenden Betrieb von Vorteil; nach einen Spannungsausfall oder Not-Aus oft sogar unverzichtbar. Denn nach einem Not-Aus befinden sich die Stückgüter üblicherweise noch in den Anlagenführungen. Eine Referenz-Fahrt der Anlage ist daher oft nicht möglich oder sehr zeitintensiv. Die Stellantriebe kennen dagegen ihre Position sobald die Versorgungsspannung wieder anliegt und benötigen keine Referenzfahrt.

Rolf Baschin, Einkaufsleiter bei ETT: „Die Software-Integration und Inbetriebnahme der einzelnen Stellantriebe war einfach und verständlich.“

Rolf Baschin, Einkaufsleiter bei ETT: „Die Software-Integration und Inbetriebnahme der einzelnen Stellantriebe war einfach und verständlich.“Lenord+Bauer

Für die elektronische Kommutierung der BLDC-Motoren nutzen die Endstufen die integrierten Hall-Sensoren. In Kombination mit den Absolutwertgebern an der Abtriebswelle wurde eine aktive Schleppfehler-Erkennung implementiert: Können die Stellantriebe ihre Zielposition nicht mehr anfahren und der Motorstrom steigt an, etwa weil der Fahrweg blockiert ist, liegt ein Schleppfehler vor. Der Stellantrieb schaltet daraufhin die Motorleistung ab und verhindert so Anlagenschäden.

Automatisierter Formatwechsel: Weniger Fehler

Außerdem verringerte der Einsatz des Antriebssystems den Verkabelungsaufwand. Gespeist werden die 21 Stellantriebe von lediglich fünf Powerdrive-Boxen, die über das Ethernet-basierte Bussystem Profinet mit der Anlagensteuerung, eine S 7-400 von Siemens, kommunizieren. „Der Umbau der Anlage war ein Kinderspiel“, so Rolf Baschin, Einkaufsleiter bei ETT. Als Begründung nennt er die einfache Software-Integration und Inbetriebnahme der einzelnen Stellantriebe. Aufgrund des automatisierten Formatwechsels kann der Pharmakonzern nun sämtliche Losgrößen und Kartonformate mit der Anlage verpacken. Grundsätzlich muss die Ansteuerung der Zustellachsen bei einem Formatwechsel vollautomatisch über die Anlagen-SPS erfolgen. Da in jeder Schicht die Formate oft mehrfach wechseln, sollten die Umstellungen einfach zu bedienen und zu kontrollieren sein. Dazu wurden die jeweiligen Formate in der SPS hinterlegt. Zusätzlich zeigt das System dem Maschinenführer die Soll-/Ist-Positionen beim Wechsel an. Außerdem dokumentiert die SPS automatisch, dass alle Formate richtig eingestellt wurden. Auch für die richtige Reihenfolge und hohe Wiederholgenauigkeit der gesamten Umstellungen ist gesorgt.

Auch wenn die automatisierten Formatwechsel weniger fehleranfällig sind als manuelles Umrüsten, die Erfahrung zeigt, dass auch eine manuelle Ansteuerung einzelner Antriebe über die Anlagen-SPS hilfreich ist: Zum Beispiel können sich die Kartonmaße nach einem Chargenwechsel um Nuancen unterscheiden und ein Nachjustieren verlangen. „Die Option, die Powerdrives auch manuell zu positionieren, sollte in jedem Fall in der SPS implementiert sein. Mit geringeer Geschwindigkeit sind damit die Anschläge der Zustellachsen justierbar, um solche Toleranzen im Verpackungsgut auszugleichen“, erläutert Dr. Peter Velling.

Technik im Detail

Das Powerdrive-System

Das Powerdrive-System besteht aus den Komponenten Powerdrive, Powerdrive-Connect und Powerdrive-Box. Der Powerdrive ist dabei der eigentliche Stellantrieb und kombiniert einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor), ein Stirnradgetriebe, einen magnetischen Multiturn-Absolutwertgeber sowie die mittels Mikroprozessor gesteuerte Leistungs-Endstufe und Feldbus­elektronik in einem Gehäuse. Zur Verfügung stehen kompakte Antriebe mit 2 Nm bei 240 U/min, 5 Nm bei 100 U/min und 10 Nm bei 40 U/m Nennmoment für eine Versorgungsspannung von 24 V DC. Die Stellantriebe haben eine Querschnittsfläche von 60 x 100 mm und wahlweise eine Länge von 163 oder 125 mm und sind in 1.4301-Edelstahl oder eloxiertem Aluminium verfügbar.

Das Powerdrive-Connect-Hybridkabel mit PUR-Mantel ist schleppkettentauglich und ermöglicht die Verbindung der Stellantriebe mit der Powerdrive-Box. Das Hybridkabel führt dabei die Versorgung für die Kommunikation und die Leistungsendstufe sowie die Feldbuskommunikation in einem Kabel. Das verringert den Verdrahtungsaufwand erheblich, da nur noch ein einziges Kabel nötig ist.

Die Powerdrive-Box ist eine Kommunikationszentrale für die gängigen Feldbusse CANopen, Profibus, Profinet, Ethercat, Ethernet/IP und Sercos III. Zusätzlich überwacht sie die Leistungsversorgung zu den einzelnen Stellantrieben. Leistungsmanagement und Konfigurationsdaten der Antriebe sind in der Box gespeichert.