Inbetriebnahme leicht gemacht - Flexibler Servoantrieb für Butterverpackungsanlage

Egal ob Neuentwicklung oder Retrofit, die Inbetriebnahme einer Maschine bleibt immer der spannende Moment. Das gilt auch für die Integration von Antriebstechnik. Schön, wenn sich dann vor Ort zeigt, dass die Inbetriebnahme des Antriebs so reibungslos funktioniert, dass selbst erfahrene Maschinenbauer erstaunt sind. Zwei Anwendungsfälle zeigen, wie einfach das bei Servoantrieben sein kann.

 

Die oldenburgische WAL Mess- und Regelsysteme GmbH entwickelt und produziert Messanlagen und Steuerungen für den industriellen Einsatz (Firmenkasten 1). Der Schwerpunkt liegt auf der Messung und Regelung physikalischer Größen. Hergestellt werden auch kundenspezifische Lösungen für die Lebensmittelindustrie. Ein Beispiel dafür ist eine vollautomatische Abfüll- und Verpackungsanlage für Butter, Pflanzenfette und weitere pastöse Lebensmittel (Bild 1). Sowohl in der Butterverpackung selbst als auch bei einem Zusatzmodul der Anlage, einem Kartonaufrichter (Bild 2), werden Servoantriebe von Yaskawa eingesetzt. 

Zuverlässig abgewickelt

In der vollautomatischen Butterabfüll- und Verpackungsanlage werden große Buttereinheiten zu je  25 kg abgefüllt und verpackt. Die Anlage führt einen leeren Karton der Füllposition zu, welcher dann innen mit Folie ausgeschlagen und befüllt wird. Hierfür wird mit einem Antrieb die Folien von einer Rolle abgezogen (Bild 3), die benötigte Länge abgeschnitten und um den Füllkopf gelegt. Dieser fährt dann zusammen mit der Folie in den Karton. Wird nun die Butter durch das Füllrohr in den Füllkopf gepumpt, so "schwimmt" dieser auf der Butter auf. Bei der Konstruktion der Maschine lagen deren Langlebigkeit und die Hygiene im Fokus: Einfach zu reinigende Innenbereiche oder vollautomatisches CIP (Cleaning in Place) aller produktberührenden Bauteile sowie die Innen- und Außenreinigung des Füllkopfes waren gefordert. Ein modularer Aufbau der Anlage erlaubt kurze Inbetriebnahmezeiten und eine einfache Erweiterung.

Die motorbetriebene Folienzuführung sorgt durch ein gleichmäßiges Abrollen ohne Nachlauf sowie einer exakten Folienlänge für eine zuverlässige Verpackung. Den Abzug der Folie übernahm in der Vergangenheit ein Schrittmotor. Wurde dieser nicht regelmäßig gewartet, kam es in etlichen Fällen zu Störungen. Auch war schwierig, dass der Schrittmotor bauartbedingt nur im Stillstand sein maximales Drehmoment erreichte, bei steigender Drehzahl das Drehmoment aber abnahm. Für den Folienzug war zunehmend eine Dynamik gefordert, die der Schrittmotor nicht bieten konnte. Ein Servoantrieb war gefragt (Bild 4). Mathias Willner, (Bild 5) technische Leitung bei der WAL Mess- und Regelsysteme GmbH, erklärt: „Wir vertreiben unsere Anlagen nicht nur in Europa sondern auch in den USA. Daher war eine wesentliche Anforderung an den neuen Servoantrieb, dass dieser sowohl Profinet als auch EtherNet/IP als Kommunikationsmedium unterstützt. Mit dem Sigma7 (vgl. Technikkasten) von Yaskawa haben wir hier eine gute Lösung gefunden.“ Egal ob die Butterabfüllanlage nun in Europa oder den USA eingesetzt wird, es ist immer derselbe AC-Servomotor verbaut, nur der Servoverstärker wird mit der jeweils benötigten Busschnittstelle ausgewählt. Herr Willner freut sich über eine weitere Verbesserung: „In manchen Ländern hatten wir Probleme mit unsauberer Netzspannung. Das war für den Schrittmotor eine echte Herausforderung. Die Servoantriebe dagegen laufen auch bei schwankenden Netzspannungen zuverlässig.“

Gut aufgestellt

Passend zur Butterabfüllanlage bieten die Oldenburger auch einen Kartonaufrichter als weiteres Anlagenmodul an. Hier werden pro Minute bis zu 12 Faltkartons vollautomatisch einem Magazin entnommen, aufgerichtet, die gefaltete Bodenlasche mit Klebeband verschlossen und der Karton an die Füllstation übergeben. Diese Anlage war kein Retrofit, sondern eine Neuentwicklung. Wegen der hohen geforderten Taktzahlen fiel die Wahl von vornherein auf Servoantriebe. „In diesem Anlagenmodul haben wir ebenfalls zwei Sigma-7 Antriebe im Einsatz," berichtet Willner. "Weil uns beim Retrofit an der Butterabfüllanlage sowohl der 

Sigma-7 Servoantrieb als und die Zusammenarbeit mit den Yaskawa Mitarbeitern überzeugen konnte, haben wir hier die gleichen Antriebstypen verbaut." Auch in dieser Maschine kann der Sigma-7 seine Vorteile ausspielen (Bild 6): Die gesamte "Intelligenz" steckt im Servoverstärker (Bild 7). Funktionen wie Tuning-Less, Vibrationsunterdrückung, Resonanzfilter, Rippel-Compensation u.v.m. sind unabhängig von der übergeordneten Steuerung verfügbar.

Schnell eingerichtet

Wie gut ein Antrieb wirklich ist, hängt letzten Endes auch davon ab, wie einfach er sich in Betrieb nehmen lässt. Yaskawa hat hierfür die Tuning-Less-Funktion entwickelt. Hierbei passt der Servoverstärker selbständig und kontinuierlich seine Reglerparameter an die aktuelle Situation an. Dies erlaubt den sofortigen Betrieb des Antriebs ohne aufwändige Parametrierung oder spezielle Kenntnisse der Regeltechnik. Für die meisten Anwendungen ist diese Funktion völlig ausreichend. Für sehr anspruchsvolle Anwendungen stehen natürlich ergänzend weitere Tuning-Funktionen zur Verfügung. Herr Willner jedenfalls war von der schnellen Inbetriebnahme beeindruckt: „Wir hatten alles gut vorbereitet, also die mechanischen Schnittstellen für den Motor durch entsprechenden Adapterbau und natürlich auch die Ansteuerung über die jeweiligen Protokolle. Die Integration selbst war dann bei der Butterabfüllanlage innerhalb eines halben Tags erledigt. Die Unterstützung durch die Yaskawa Mitarbeiter war in beiden Anwendungsfällen top.“ Auch beim Kartonaufrichter war die Integration der Antriebe in weniger als einem Arbeitstag abgeschlossen.

Technikkasten: Sigma-7 Servoantrieb

Bei der Entwicklung der Servoantriebe der Sigma-7 Serie standen drei wesentliche Ziele im Fokus: zuverlässig schnelle Inbetriebnahme, hohe Produktionsleistung und maximale Betriebssicherheit. Die reaktionsschnellen Servomotoren decken bei Versorgungsspannungen von 200 bzw. 400 V Leistungen von 50 W bis 15 kW ab und überzeugen mit äußerst kompakten Abmessungen und sehr ruhigen Lauf. Zur Serie gehören schmale Einzel- und Doppelachs-Verstärkermodule für 200 V oder 400 V in platzsparender Bauform, die sich im Schaltschrank lückenlos aneinanderreihen und optional per Daisy-Chain ganz unkompliziert verdrahten lassen. Das reduziert den Installationsaufwand und die gute Platzausnutzung ermöglicht Schaltschränke mit sehr hoher Leistungsdichte. Hinzu kommt ein weiterer Platzvorteil: Bei Umgebungstemperaturen von -5°C bis + 55°C ist keine Zusatzkühlung erforderlich. Die Servos überzeugen durch hohe Auflösung (integrierter 24-bit Absolut-Encoder), hohe Dynamik und Funktionen wie Vibrationsunterdrückung, Ausblendung von Maschinen-Resonanzfrequenzen und Tuning-less für die einfache Inbetriebnahme.

Alternativ zu den Servomotoren können an den gleichen Verstärkern auch Linearmotoren oder bei 200 V auch Torque-Motoren betrieben werden. Typische Einsatzgebiete für die kompakten AC-Servosysteme finden sich in z.B. Verpackungsmaschinen, Anlagen zur Halbleiterfertigung und Holzverarbeitung oder in Digitaldruckmaschinen.

Image info:

Image 1:     Fully automated filling and packaging plant for butter, vegetable fats and other food pastes (copyright: Yaskawa)

Image 2:     Carton erector (copyright: Yaskawa)

Image 3:     Cutting the foil to length (copyright: Yaskawa)

Image 4:     Servodrive for cutting the foil to length (copyright: Yaskawa)

Image 5:     Mathias Willner, Technical Director at WAL Mess- und Regelsysteme GmbH: “We were very impressed with both the Sigma-7 series servodrives and how easy the Yaskawa staff were to work with.” (Copyright: Yaskawa)

Image 6:     Sigma-7 in the carton erector (copyright: Yaskawa)

 

Image 7:     The servo package is the brains of the drive. Thanks to their space-saving design, the amplifier modules can be lined up seamlessly in the control cabinet and can easily be daisy chained if required. (Copyright: Yaskawa)