Verpackungsmaschinen für die Lebensmittelindustrie: Skalierbare Lösungen

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Hersteller von Nahrungs- und Genussmitteln benötigen Verpackungsmaschinen, die sich flexibel auf die zunehmende Produkt- und Formatvielfalt zuschneiden lassen. Siemens und Heitec zeigen, wie dies mit einem durchgängig mechatronischen Ansatz möglich ist.
Verpackungsmaschinen

Kaum eine Branche unterliegt den Wünschen der Marketingsstrategen so stark wie die Lebensmittelwirtschaft. Die Komplexität von Verpackungsmaschinen in diesem Segment wird daher in den nächsten Jahren weiter steigen. Das bisher praktizierte Konzept des Make-to-Order-Engineerings wird im Spannungsfeld zwischen hohem Individualitätsgrad, wettbewerbsfähigen Maschinenpreisen und kurzen Lieferzeiten an seine Grenzen stoßen. Einen Ausweg soll das Konzept des Configure-to-Order bieten. Hierbei wird eine Maschine aus einem Baukastensystem zusammengesetzt, entsprechend der speziellen Anforderungen des Verpackungsprozesses beim Kunden.

Verpackungsmaschinen in Module zerlegen

Zu Beginn der Konzeptionierung muss die Maschine modularisiert werden. Hierbei sind die Grundsätze von ANSI/ISA-88.00.01 maßgeblich für die hierarchische Strukturierung der einzelnen Module (Unit, Equipment Module und Control Module). Als Funktionseinheit kann die Verwendung eines oder mehrerer Equipment- und Control-Module bezeichnet werden, die aus Mechanik, Elektronik und Software bestehen und damit eine autonome mechatronische Einheit abbilden.

Die Aneinanderreihung mehrerer Funktionseinheiten bildet durch die Ausführung unterschiedlicher Aufgaben den Maschinenprozess ab, z.B. Einlauf, Befüllung, Kontrolle und Auslauf. Aufgenommen wird das Ganze in einen Maschinenrahmen, der sämtliche Versorgungselemente bereitstellt und die Sicherheitseinrichtungen aufnimmt. In dem mechatronischen Systembaukasten sind sämtliche Funktionen der Maschinen katalogisiert, versioniert und mit den erforderlichen Dokumenten versehen.

„Mit dem Configure-to-Order-Prinzip konfiguriert der Maschinenbauer kundenspezifische Maschinen aus der mechatronischen Bibliothek – und dies automatisiert mit Generatoren, wenig innerer Varianz und wenig Handarbeit im Engineering“, erklärt Dr. Holger Grzonka, Leiter Promotion Verpackungslösungen bei Siemens Digital Industries. „Der Erfolgsfaktor für die Maschinensoftware ist ein standardisiertes Schnittstellendesign, das den automatischen Aufbau des kompletten Steuerungssystems gestattet.“

Damit fügen sich alle Puzzleteile zu einem Ganzen zusammen, angefangen von der Motion Control bis zur fertigen Bedienoberfläche. Bisher betrug die Zeit vom Auftragseingang bis zur Inbetriebnahme einer Maschine typischerweise zwischen 500 und 1.000 Stunden. Mit einem Configure-to-Order-System sei es möglich, die Stunden um bis zu 50 Prozent zu reduzieren, so Grzonka. In der Summe optimiere sich die Ertragskraft des Unternehmens. Einsparpotenziale von 30 bis 60 Prozent gegenüber dem bisherigen Engineering-Aufwand seien möglich.

Prozesse laufen parallel

Wo bisher sequenzielles Engineering mit den unterschiedlichsten Systemen für CAD, CAE, SPS- und Antriebsprojektierung und -programmierung stand, können jetzt viele Prozesse parallel und teilweise auch automatisiert ablaufen. Die Funktionsbeschreibung im mechatronischen Baukasten ist der Bauplan des Maschinenmoduls und besteht unter anderem aus Textdokumenten, Zeichnungen und Ablaufdiagrammen.

Die zentrale Datenbasis ist dabei die mechatronische Bibliothek, in die alle Änderungen, Fehlerbeschreibungen und Rückmeldungen eingetragen werden. Auf diese Datenbasis greifen dann die entsprechenden Engineering-Tools zu. Einmal erstellt, kann der Vertriebskonfigurator auf die mechatronische Bibliothek zugreifen. Die intuitiv bedienbare Applikation zeigt in Abhängigkeit des gewünschten Maschinentyps das zugehörige Produktportfolio an.

Über Drag & Drop lässt sich die gewünschte Maschinenausprägung zusammenstellen. Plausibilitätsprüfungen schließen Fehler aus. Die Konfiguration bildet dann die Baseline für das Engineering und hält den Anteil an individuellen Anpassungen in Grenzen. Output ist ein Strukturplan in Form einer XML-Datei, die die Maschine durch alle Prozesse begleitet. Sie enthält die gesamte Maschinenkonfiguration inklusive Mechanik, Elektronik und Software. Mit ihr können die entsprechenden Schnittstellen der Applikationen bedient werden.

Der Vertriebskonfigurator für Verpackungsmaschinen

Die aus dem Vertriebskonfigurator generierte Maschinenkonfigurationsdatei dient dem Engineering-Generator als Input und quasi als Generieranleitung, wie das entsprechende Projekt zu entwickeln ist. An dieser Stelle sind verschiedene Generatoren denkbar, mit denen verschiedene Gewerke ihre Maschinen automatisch erstellen können. Der Engineering-Generator analysiert die Maschinenkonfigurationsdatei und baut mit den nötigen Bausteinmodulen und den damit verwendeten Standardkomponenten das Kundenprojekt zusammen. Über die TIA-Openess-Schnittstelle ist es möglich, bis in die Sinamics-Antriebsparameter Änderungen vorzunehmen.

Die Bedienoberfläche wird mit dem Simatic Visualization Architect (SiVarc) aufgebaut. Der regelbasierte Editor erzeugt ein dynamisches HMI in direkter Abhängigkeit des SPS-Programms, das sofort nach dem Generieren funktionsfähig ist. Bilder, Popup, Ereignissteuerung, Animation, Variablenanbindung usw. werden automatisch erstellt. Die Lösung passt zum Anwendungsprogramm. Änderungen lassen sich durch Neugenerieren sofort im Projekt umsetzen.

Verpackungsmaschinen
Beim Configure-to-Order-Konzept wird eine Maschine aus einem Baukastensystem zusammengesetzt. Bild: Heitec

Mit einem virtuellen Test können Maschinenbauer ihre Maschinenabläufe und das Zusammenspiel der Funktionsmodule testen. Notwendig ist dazu das entsprechende TIA-Projekt. Eine virtuelle PLC wird bereitgestellt durch das Programm PLCSim advanced. Es testet das Zusammenspiel aller Funktionsmodule und gibt Auskunft über konzeptionelle Schwachstellen der Software. „Bisher baute man zuerst die Mechanik und automatisierte dann die Maschine. Jetzt geschieht beides zeitgleich virtuell“, bekräftigt auch Frank Hampe, Standortleiter bei Heitec in Neckarsulm.

Der Baukasten in der Praxis

Siemens und Heitec haben für einen Hersteller von Abfüllmaschinen für Molkereiprodukte einen mechatronischen Baukasten entwickelt. Ziel war, dass sich Elektronik und Automation für eine konfigurierbare Maschine zu 100 Prozent automatisch generieren lassen. Die Projektpartner entwickelten mit einem Programmierer vor Ort das Grundgerüst für diesen neuen Maschinentypen in einem systematischen Prozess. Zunächst wurde die mechatronische Bibliothek entworfen und mit standardisierten Schnittstellen versehen. Über diese Schnittstellen lassen sich die Funktionsbausteine aufrufen, ohne dass man einen erweiterten oder zusätzlichen Konfigurationsaufwand hat.

Gleichzeitig genügt die Bibliothek den Anforderungen für die Generierbarkeit. Modularisierung, Betriebsartenverwaltung und Maschinenzustandsautomat genügen außerdem dem Branchenstandard PackML. Mit der Bibliothek können jetzt kundenspezifische Verpackungsmaschinen nach dem Baukastenprinzip automatisiert generiert werden.

Der Autor Michael Rögner ist Projektingenieur für Automatisierungstechnik bei Heitec.

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