Zusammenfassung: Verpackungsmaschinen finden breite Anwendung in Branchen wie der Pharma-, Lebensmittel-, Kosmetik- und Tabakindustrie. Dieser Artikel beschreibt den Einsatz von Delta-Industriesteuerungsprodukten wie Frequenzumrichtern, Encodern, Mensch-Maschine-Schnittstellen, SPSen, Servoantrieben und Temperaturreglern in der Parkmaschine LS-300L. Er erläutert kurz die technologischen Anforderungen, die Systemstruktur, den Systemschutz und die Sicherheitsmaßnahmen des Steuerungssystems der Parkmaschine. Schlüsselwörter: Parkmaschine, Frequenzumrichter, Encoder, Mensch-Maschine-Schnittstelle, Programmierbare Steuerung (SPS) 1 Einleitung Verpackungsmaschinen werden in verschiedenen Sektoren der Volkswirtschaft eingesetzt. Dieser Artikel untersucht am Beispiel der neu entwickelten pneumatisch verstellbaren 3D-Verpackungsmaschine LS-300L für transparente Folien eines Verpackungsmaschinenherstellers in Shanghai den Einsatz von Delta-Frequenzumrichtern, Encodern, Mensch-Maschine-Schnittstellen, SPSen, Servoantrieben, Temperaturreglern und anderen Industriesteuerungsprodukten im Steuerungssystem der Maschine. Die Verpackungsmaschine LS-300L wird hauptsächlich in der Pharma-, Lebensmittel-, Kosmetik- und Tabakindustrie zum Verpacken von Kartons mit Kunststofffolie eingesetzt. Zuvor wurden elektromechanische Produkte von Marken wie Mitsubishi und Fuji eingesetzt. Aufgrund des zunehmenden Wettbewerbs und der hohen Betriebskosten entsprach das ursprüngliche Steuerungssystem nicht mehr den Kundenanforderungen hinsichtlich Sicherheit und Bedienkomfort. Dank seines vielfältigen Produktangebots, der hohen Kosteneffizienz und des exzellenten Kundendienstes entwickelte und implementierte Delta Shanghai Electromechanical Co., Ltd. nach knapp zwei Wochen erfolgreich ein neues Steuerungssystem. Die pneumatisch verstellbare, transparente 3D-Verpackungsmaschine LS-300L ist ein integriertes elektromechanisch-pneumatisches Produkt. Nach dem Start des Steuerungssystems führt die Servosteuerung die Folie zu, der Zylinder faltet die Folie, und die Heißsiegelung schließt die Verpackung automatisch ab. Die Maschine eignet sich hauptsächlich für die Umverpackung verschiedener Kartonartikel. Sie bietet verschiedene Verpackungsformate, darunter Flach- und Vertikalverpackungen, und kann je nach Kundenwunsch auch in mehreren Einheiten verpackt werden. Die gefalteten Teile werden heißversiegelt und gewährleisten so eine hervorragende Versiegelung, ein ansprechendes Aussehen sowie Schutz vor Feuchtigkeit und Austrocknung. Darüber hinaus ist die Folie an einer leicht zu öffnenden Kordel befestigt, um das Auspacken zu erleichtern. 2. Anforderungen an das Steuerungssystem im Verpackungsprozess: Der Verpackungsprozess stellt folgende Anforderungen an das Steuerungssystem: 1) Produktionseffizienz: Unter normalen Produktionsbedingungen sollten bei einer unteren Folienlänge von 200 mm 26–28 Kartons pro Minute verpackt werden. 2) Die Größe der Verpackungskartons variiert stark. Bei kleinem Kartonvolumen ist die untere Folienlänge entsprechend kürzer. Große Abweichungen führen beim Heißsiegeln nach dem Falten von Ober-, Unter- und Ecken zu ungleichmäßiger Haftung an der Siegelnaht. Dies verursacht Unterschiede bei der Messung desselben Produkts und beeinträchtigt die Produktionsqualität. Daher ist eine hohe Präzision der unteren Folienlänge erforderlich. 3) Während der normalen Produktion sollten geeignete Schutzmaßnahmen für das Schieben, Eckenfalten, Versiegeln der Ober- und Unterfalte getroffen werden, um mechanische Beschädigungen durch Fehlfunktionen in jeder Produktionsphase zu vermeiden. 4) Die einzelnen Arbeitsschritte wie Drücken, Eckenfalten, Versiegeln der oberen und unteren Faltkante, Formen, Aufbringen der unteren Folie, Luftblasen und Schneiden müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, um die Verpackungsqualität und -wirkung nicht zu beeinträchtigen. 5) Um eine sichere Produktion zu gewährleisten, müssen umfassende und zuverlässige Alarm- und Sicherheitsmaßnahmen vorhanden sein. 6) Verpackungsgeschwindigkeit: 20–28 Kartons/min. 7) Verpackungsgröße: Länge (L): 50–300 mm, Breite (B): 40–220 mm, Höhe (H): 10–90 mm. 8) Verpackungsmaterial: heißversiegelte Zellophan- oder doppelwandige OPP-Folie (BOPP). Die Foliendicke beträgt in der Regel 0,022–0,03 mm, der Kerninnendurchmesser bei Rollenmaterial 76 mm. Die Breite des Entsiegelungsstreifens beträgt 1,2–3 mm. 9) Folienlänge L = 2B + 2H + C (B – Verpackungsbreite; H – Verpackungshöhe; C – Überlappung), üblicherweise C = 10–15 mm; 10) Druckluft wird von einem Kompressor mit einem Auslassvolumenstrom von mindestens 0,6 m³/min, einem Quelldruck von 0,8–1 MPa und einem Betriebsdruck von 0,6–0,7 MPa bereitgestellt. Das Gas wird durch ein Luftverteiler-Triplet, einen Luftfilter, einen Druckregler und einen Ölnebelschmierer gereinigt und getrocknet, um den erforderlichen Druck im Luftkreislauf aufrechtzuerhalten und die Komponenten zu schmieren. 3 Verpackungssteuerungssystem 3.1 Systemarchitektur Das Systemarchitekturdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. 3.2 Systemzusammensetzung Alle Mechanismen der Verpackungsmaschine LS-300L verwenden pneumatische Komponenten und werden pneumatisch gesteuert. Sie gehört im Vergleich zu ähnlichen Produkten derselben Branche zum mittleren bis oberen Preissegment. Diese Verpackungsmaschine kann Kartons verschiedener Formen und Größen mit Kunststofffolie verpacken. Die Verpackung erfolgt einfach durch Anpassen der Förderbandbreite, der Länge und Breite der Verpackungsfolie sowie der Breite der Falt- und Formabschnitte über die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Steuerungssystems. Das System verwendet hauptsächlich industrielle Steuerungsprodukte von Delta, wie z. B. DOP-A57CSTD, DVP-32EH00T, ASD-A0421LA, ASMT04L250AK und DTA4848. Die Betriebsumgebung des Steuerungssystems der Verpackungsmaschine ist in den Abbildungen 2(a), 2(b) und 2(c) dargestellt. Die zugehörige Systemkonfiguration wird im Folgenden beschrieben. 1) Das Mensch-Maschine-Schnittstellensystem DOP-A57CSTD unterstützt die Konnektivität über zwei integrierte Kommunikationsschnittstellen. Diese können gleichzeitig mit zwei Steuerungen unterschiedlicher Kommunikationsformate verbunden werden und ermöglichen so die Vernetzung mehrerer Maschinen. Es verfügt über Online-/Offline-Simulationsfunktionen, die die Programmbearbeitung und das Debugging während der Entwicklungsphase erleichtern und Laufzeitfehler vermeiden. Es unterstützt den Zugriff auf HMI-Daten über eine SMC-Karte, wodurch Programme direkt und ohne Taschenrechner kopiert werden können. Die schnelle Datenübertragung per USB ermöglicht die Auswahl zwischen COM-Port und USB-Port für den Programm-Upload und -Download. USB erlaubt die direkte Programmübertragung während des HMI-Betriebs und verbessert so Bedienkomfort und Datenübertragungsgeschwindigkeit. Das Display ist vom Typ STNLCD; es bietet 256 Farben und eine Auflösung von 320 x 240 Pixeln; ein integrierter ewiger Kalender ist vorhanden; außerdem werden fünf extern programmierbare Funktionstasten unterstützt. 2) Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) DVP-32EH00T verwendet eine Dual-Prozessor-Architektur (CPU + ASIC) mit Arbeitsteilung; die grundlegende Befehlsausführungsgeschwindigkeit beträgt 0,24 ms; die Hochgeschwindigkeits-Impulsausgabe erreicht bis zu 200 kHz mit integrierter, sanfter Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung; die Hochgeschwindigkeits-Zählfrequenz erreicht bis zu 200 kHz in vier Gruppen; die Datenaktualisierungsschnittstelle des I/O-Moduls beansprucht keine Programmlaufzeit; sie verfügt über mehrere integrierte externe Interrupt-Funktionen und integrierte RS-232/RS-485-Kommunikationsschnittstellen. 3) Das Servosystem ASD-A0421LA+ASMT04L250AK ist ein 5-in-1-Gerät, das Positions-, Drehzahl-, Drehmoment-, Positionierungs- und Kommunikationssteuerung integriert. Die Betriebsbefehle stammen von: ① externen Terminalsignalen, ② internen Puffern und ③ übergeordneter Kommunikation. Es verfügt über Funktionen zur Drehzahl- und Drehmomentbegrenzung, automatische Verstärkungsanpassung, einen Automatikmodus, der die Reglerverstärkung basierend auf der geschätzten Trägheit automatisch einstellt (mit 15 einstellbaren Systembandbreitenstufen), sowie einen vereinfachten Modus, der drastische Änderungen der Lastträgheit ermöglicht (mit 15 einstellbaren Systemsteifigkeitsstufen). Zudem bietet es Funktionen zur Befehlsglättung (Glättung der Positions-P-Kurve und der Drehzahl-S-Kurve), die Aufrechterhaltung der Drehzahl- und Beschleunigungskontinuität bei Befehlsübergängen, die Glättung für interne und externe Befehle sowie die Gültigkeit absoluter und inkrementeller Befehle. Die Softwarefunktionen umfassen: Leistungsanalyse, Frequenzgang, digitales Oszilloskop, Statusüberwachung/Diagnose mit Anzeige des E/A-Status und des Anomalieverlaufs. Parametermanagement, einschließlich Parameterübertragung, -speicherung und kategorisierter Verwaltung; Parameterregeln, die relevante Parameter automatisch gemäß den Anforderungen berechnen. Kommunikationsfunktionen umfassen Parameterzugriff/-status und E/A-Überwachung mit Unterstützung von bis zu 254 Achsen gleichzeitig. Weitere Systemmerkmale sind die E/A-Signalverarbeitung, wodurch ein Host-NC-Controller entfällt (Kostenreduzierung), die einachsige Punkt-zu-Punkt-Positionierungssteuerung (interne 8-Punkt-Steuerung), die programmierbare Drehzahlregelung (interne 3-Punkt-Drehzahleinstellung), die programmierbare Drehmomentregelung (interne 3-Punkt-Drehmomentregelung), die absolute/inkrementelle Koordinatenpositionssteuerung, eine integrierte Positionslernfunktion, eine integrierte Ursprungssuchfunktion, ein konfigurierbares PG-Verhältnis, ein integriertes digitales Bediendisplay und Tasten, umfassende Schutzfunktionen und eine Fehlermeldungsanzeige. 4) Der Temperaturregler DTA4848 bietet PID- und Ein-/Aus-Funktionen; automatische Anpassung der PID-Parameter; Kompatibilität mit verschiedenen Thermoelementen und Platin-Widerstandstemperatursensoren; zwei Alarmschalter mit jeweils zehn Alarmmodi; Anzeige der Einheiten Fahrenheit und Celsius; Tastensperre; vier verfügbare Panelgrößen; und einer RS-485-Kommunikationsschnittstelle. 3.3 Überlegungen zum Design des Steuerungssystems Das Steuerungssystem verfügt über drei Betriebsmodi: 1) manuelle Bedienung; 2) Einzelfunktionsbetrieb; und 3) automatischer Dauerbetrieb. Das Blockschaltbild der pneumatischen Komponenten ist in Abbildung 3 dargestellt. Im Folgenden wird der manuelle Betriebsmodus des Steuerungssystems kurz erläutert. Einzelfunktionsbetrieb und automatischer Dauerbetrieb sind dem manuellen Betriebsmodus ähnlich und werden daher nicht weiter beschrieben. Im manuellen Betrieb können Schieben, Eckenausrichten, Formen, oberes Falten und Versiegeln, unteres Falten und Versiegeln, Zugseil, Folienabsenkung, Schneiden und Luftblasen unabhängig voneinander durchgeführt werden. Im Einzelnen: Schieben: Schieben → In Position schieben → Schieben bis zum Anschlag → Zurückschieben → Zurückschieben bis zur Position → Zurückschieben bis zum Anschlag. Eckenausrichten: Eckenausrichten → In Position schieben → Eckenausrichten bis zum Anschlag. Zurückschieben → Zurückschieben bis zur Position → Zurückschieben bis zum Anschlag. Formgebung: Formgebung startet verzögert → Zeit läuft ab → Formgebung wird zurückgezogen. Oberes Falten und Versiegeln: Oberes Falten nach unten → Oberes Falten in Position → Oberes Falten bis zum Stopp. Oberes Falten nach oben → Oberes Falten in Position → Oberes Falten bis zum Stopp. Unteres Falten und Versiegeln: Unteres Falten nach oben → Unteres Falten in Position. Position -> Untere Faltung und Versiegelung oben stoppen, untere Faltung und Versiegelung unten → Untere Faltung und Versiegelung unten in Position → Untere Faltung und Versiegelung unten stoppen. Zugschnur: Zugschnuraktion → Verzögerung der Zugschnuraktion → Zeit läuft ab → Zurücksetzen. Untere Folie: Untere Folie → Servo-Aktion → Untere Folie stoppt nach Erreichen der eingestellten Länge. Luftblasaktion → Timer → Timer läuft ab → Stopp. Schneiden: Individuelles Luftblasen: Luftblasaktion → Timer → Timer läuft ab → Stopp. Im Automatikbetrieb führt das System Berechnungen durch und zeigt diese auf dem HMI an. 4. Systemschutz- und Sicherheitsmaßnahmen 1) Im manuellen Modus ist das Drücken nur zulässig, wenn die Faltkante in Position zurückgekehrt ist, die obere Faltversiegelung oder die untere Faltversiegelung in Position ist. 2) Im manuellen Modus ist das Falten nur zulässig, wenn der Drücker in Position ist, die obere Faltversiegelung oder die untere Faltversiegelung in Position ist. 3) Im manuellen Modus ist das Versiegeln der oberen Falte nur zulässig, wenn der Drücker in Position ist und die Faltkante in Position ist. 4) Im manuellen Modus ist das Versiegeln der unteren Falte nur zulässig, wenn der Drücker und die Faltkante in ihre Positionen zurückgekehrt sind. 5) Beim Umschalten des Systems vom manuellen in den automatischen Betrieb oder umgekehrt werden alle Zylinder automatisch zurückgesetzt. Das heißt, Drücker, Faltkante, Formgeber, obere und untere Faltversiegelung, Zugseil, Abschaltautomatik und Luftzufuhr werden in ihren Ausgangszustand zurückgesetzt. 6) Beim Start im automatischen Modus prüft das System automatisch, ob sich alle Zylinder im zurückgesetzten Zustand befinden. Falls nicht, gibt das System einen Alarm aus und setzt alle Zylinder zurück. 7) Um einen normalen Luftdruck zu gewährleisten, zeigt das System bei unzureichendem Luftdruck eine Warnmeldung an und informiert den Benutzer darüber, dass das System nicht gestartet werden kann. 8) Das System verfügt über zwei Not-Aus-Schalter. Im Notfall stoppt das Betätigen des Not-Aus-Schalters das gesamte System. Alle Vorgänge sind untersagt, bis die Störung behoben und der Not-Aus-Schalter zurückgesetzt wurde. 9) Bei einer Fehlfunktion des Servomotors zeigt das System eine entsprechende Alarmmeldung an und fordert den Benutzer auf, den Servomotor zu überprüfen. 5. Prozessparameter, Bedienoberfläche und Fehlersuche 5.1 Prozessparameter und Bedienoberfläche Die Prozessparametereinstellungen und zugehörigen Bedienoberflächen sind in den Abbildungen 4(a), (b), (c), (d), (e), (f) und (g) dargestellt. 6. Systemfehlersuche 1) Der Steuermodus des Servos mit fester Länge ist: Pt-Modus, Impuls + Richtung; elektronisches Übersetzungsverhältnis 3:1. Wie aus Abbildung 5(a) und (b) ersichtlich, ist der Servo mit einem 35:1-Untersetzungsgetriebe verbunden, dessen anderes Ende wiederum mit einem Kegelrad verbunden ist. Die Förderrolle wird durch den Eingriff der beiden Kegelräder angetrieben. D500: Solllänge; D0: Durchmesser der Förderrolle; P: Anzahl der zu sendenden Impulse; i: Untersetzungsverhältnis. Daraus ergibt sich: P = (1000/3 * i * D500) / πD0. 2) Geschwindigkeit: Werden 10000/3 * 35 Impulse pro Sekunde gesendet, dreht sich die Förderrolle einmal und legt πD0 mm zurück. Ist D502 auf eine Geschwindigkeit von mm/s eingestellt, ergibt sich die Anzahl der benötigten Impulse pro Sekunde zu: P = (1000/3 * i * D502) / πD0. 3) Ein-/Ausgang: ① Eingang: X0: Not-Aus 1; X1: Not-Aus 2; X3, Mikroschalter; X4, Pneumatikschalter; X6, Material in Position schieben; X10, Materialrücklauf-Ende; X11, Untere Endlage der oberen Faltsiegelung; X12, Obere Endlage der oberen Faltsiegelung; X14, Obere Endlage der unteren Faltsiegelung; X15, Endlage des Faltwinkels nach innen; X16, Endlage des Faltwinkels nach außen. ② Ausgang: Y1, Servorichtung; Y2, Servo EIN; Y3, Förderband; Y4, Material hineinschieben; Y5, Material zurückschieben; Y6, Obere Faltsiegelung; Y7, Obere Faltsiegelung; Y10, Untere Faltsiegelung; Y12, Winkel einwärts falten; Y13, Winkel zurück falten; Y14, Folienschneiden; Y15, Formen; Y16, Zugseil; Y17, Luftblasen. 4) Logische Aktionen: Die logischen Aktionen folgen dem beschriebenen Aktionsablaufdiagramm. 5) Servoparameter: P1-00—32; P1-01—00; P1-34—50; P1-35—20; P1-36—300; P1-37—7; P1-44—3; P1-45—1; P2-00—94; P2-02—5000; P2-04—3014; P2-06—60; P2-23—1000; P2-25—4; P2-26—70. 6. Fazit: Die obige Beschreibung erläutert kurz die Anwendung von Delta-Industriesteuerungsprodukten in der pneumatisch verstellbaren, transparenten 3D-Folienverpackungsmaschine LS-300L. Delta Electronics China zählt zu den vielversprechendsten Unternehmen Chinas und bietet Ausrüstung und Dienstleistungen für den Kommunikations- und Automatisierungsmarkt an. Zu den Hauptprodukten und -dienstleistungen gehören Videoausrüstung, Stromversorgungssysteme, Breitbanddaten und elektromechanische Automatisierung. Das Unternehmen produziert Industriesteuerungsprodukte wie Delta-Wechselrichter, Encoder, HMIs, SPSen, Servoantriebe und Temperaturregler und bietet umfassende Lösungen für Kunden verschiedenster Branchen. Delta Electronics China strebt eine engere Zusammenarbeit mit weiteren Kunden an, um innovative Produkte mit unabhängigen Schutzrechten zu entwickeln. Referenzen (ausgelassen) Autorenbiografie: Li Qiang (1976–) Männlich, Automatisierungssystemingenieur. Hauptsächlich tätig in den Bereichen technischer Support, Systementwicklung und Ingenieurarbeiten im Zusammenhang mit elektronischen Automatisierungssystemen.