Im Griechischen bedeutet „ACOPOS“ „einfach“. B&R verwendet diesen Namen für seine neue Generation von Servosystemen, die in das Entwicklungssystem B&R Automation Studio™ integriert sind. 1. Einleitung Kompakte Bauweise und überragende Leistung sind essenzielle Anforderungen an moderne Servoantriebe. Die Antriebssysteme von B&R sind optimal auf den jeweiligen Motor abgestimmt und erfüllen gleichzeitig die Anforderungen an die mechanische Leistung. Für Anwendungen, die exzellente Dynamik und Positioniergenauigkeit erfordern, bietet die ACOPOS-Serie ideale Synchron-Servomotoren. Hochenergetische Magnetkreise und patentierte Spulenanordnungen gewährleisten eine kompakte Bauweise. Der Einsatz von B&R speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Servoregelungssystemen (ACOPOS) in Produktionslinien für Bierverpackungen ermöglicht die vollständige Ansteuerung aller Motoren der Verpackungsmaschine sowie deren synchrone Bewegung. 2. Systemkonfiguration und -schema Eine Verpackungsmaschine besteht im Allgemeinen aus sechs Komponenten: Hauptantrieb, Flaschenzuführung, Flaschentrennung, Kartonzuführung, Folienzuschnitt und Heißgang. Aufgrund unterschiedlicher Konstruktionsphilosophien variieren die mechanischen Strukturen von Verpackungsmaschinen verschiedener Hersteller, ebenso wie die eingesetzten programmierbaren Steuerungssysteme und Servoregelungssysteme. Dieser Artikel beschreibt anhand einer bekannten inländischen Folienverpackungsmaschine die Anwendung des speicherprogrammierbaren Steuerungssystems (SPS) und des Servoregelungssystems (ACOPOS) von B&R in deren elektrischer Steuerung. 2.1 Hardwarestruktur der Folienverpackungsmaschine: Servoregelungssysteme mit synchronen elektronischen Getrieben und Nocken haben die umständlichen mechanischen Nockenmechanismen längst abgelöst und ermöglichen es, die vom Konstrukteur geforderten Synchronisationsbeziehungen zwischen beweglichen Objekten relativ einfach zu realisieren. Mehrere Bewegungsmechanismen der Folienverpackungsmaschine nutzen Servomotoren als Antriebswellen, um Aufgaben von der Flaschen- und Kartonzuführung bis zum Folienschneiden auszuführen. Der Hauptantrieb eines Servomotors dient als Synchronisationsobjekt für die anderen Achsen, und alle Winkel- und Phasenbeziehungen werden anhand des Hauptantriebsmotors bestimmt. Abbildung 1 zeigt die ungefähren Positionen der fünf Motoren in der Maschine. Abbildung 1 2.2 Steuerungssystem Das B&R-Servosteuerungssystem erfüllt die Anforderungen an die grundlegende Bewegungssteuerung aller Motoren der Folienverpackungsmaschine sowie an deren synchrone Bewegungssteuerung. Das Mensch-Maschine-Bedienfeld PP41, das die Logiksteuerung des Verpackungsprozesses integriert und über eine Anzeigefunktion verfügt, kann Befehle und Bewegungsparameter über Parametereingaben an die Bewegungssteuerung übermitteln und zudem zeitnah Rückmeldung zum aktuellen Betriebs- und Alarmstatus der Maschine geben. 2.2.1 Feldbus (CAN-Bus) Der CAN-Bus zeichnet sich durch leistungsstarke Fehlererkennungsfunktionen und Differenzialantriebsfunktionalität aus und arbeitet auch in rauen Umgebungen mit hohem Geräuschpegel zuverlässig. Daher eignet sich der CAN-Bus hinsichtlich Medienübertragung und Schaltungsdesign für die meisten Anwendungen. Durch die Feldbusverbindung (CAN-Bus) wird die Kommunikation zwischen dem HMI (PP41) und den verschiedenen Servoreglern äußerst zuverlässig, insbesondere die Online-Änderung von Synchronisationsparametern in Servobewegungssteuerungssystemen (Abbildung 2). Abbildung 2 2.2.2 Grundlegende Bewegungssteuerung Das ACOPOS SERVO Servobewegungssteuerungssystem von B&R verwendet einen objektorientierten Steuerungsansatz. In der Entwicklungsplattform Automation Studio von B&R können nach der Erstellung eines Achsenobjekts für einen Servoregler mithilfe einer höheren Programmiersprache (Basic oder C) verschiedene Bewegungssteuerungen der Motoren durchgeführt werden. Individuelles Debugging und die Parametersuche jedes Motors in der Folienverpackungsmaschine, das Starten und Stoppen des Hauptantriebs sowie die Koordination mit den Flaschentrennmotoren nutzen die grundlegende Bewegungssteuerung. Dieser Steuerungsansatz verfolgt klare Ziele und erleichtert die Erstellung von Steuerungsprogrammen. Abbildung 3 2.3 Synchrone Bewegungssteuerung Die synchrone Bewegungssteuerung regelt die Bewegung eines Servomotors relativ zu einem anderen, um eine bestimmte Bewegungsbahn basierend auf einem mathematischen Modell auszuführen. Dieses Konzept wird üblicherweise als elektronische Zahnräder und elektronische Kurven bezeichnet. Beim ACOPOS SERVO besteht zwischen den beiden an der Synchronisierung beteiligten Servomotoren eine Master-Slave-Beziehung. Die synchrone Bewegungssteuerung in einer Folienverpackungsmaschine ist im Allgemeinen eine Positionssynchronisation. Über den CAN-Bus sendet die Masterspindel ihre aktuelle Positionsinformation in kurzen Abständen an das CAN-Netzwerk, und die an der Synchronisierung beteiligte Slavespindel empfängt diese Information ebenfalls in Echtzeit. Anschließend berechnet das System die aktuelle Position der Slave-Spindel anhand des mathematischen Modells und führt die aktuelle Trajektorie aus. Mithilfe des mathematischen Modells lässt sich die Profilbeziehung zwischen Slave- und Master-Spindel ermitteln. Diese Profilcharakteristikparameter müssen vor der Synchronisierung der Motoren an den Servoregler übertragen werden. Der PP41 nutzt den CAN-Bus für diesen Parameter-Download. Der ACOPOS SERVO kann elf Profilbeziehungsgruppen gleichzeitig definieren und ermöglicht es der Slave-Spindel, je nach Bewegungsanforderung zwischen den Gruppen zu wechseln. Die Ereignisauslösung kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch das Senden von vier SIGNAL-Nachrichten über den PP41 oder durch zwei Trigger-Nachrichten vom Servoregler. Dadurch lässt sich die Master-Slave-Beziehung entsprechend bestimmter Anforderungen in mehrere Zustände unterteilen. Durch den Wechsel zwischen den Zuständen können die Synchronisierungsanforderungen für die verschiedenen Zustände erfüllt werden. In einer Folienverpackungsmaschine beginnt der Folientransportmotor nach Empfang des Folienausgabesignals mit der synchronen Bewegung, sobald der Mastermotor eine bestimmte Phase erreicht hat. Dies geschieht, bis der Mastermotor einen Zyklus abgeschlossen hat und der Folientransportmotor einen Folientransportvorgang beendet hat. Dieser Vorgang lässt sich in drei Phasen unterteilen: Warten des Filmtransportmotors auf das Filmtransportsignal, Erreichen der Startphase des Filmtransports durch den Hauptmotor und Ausführen eines Filmtransportvorgangs mit dem Hauptmotor. Beim Filmtransport ist das Prinzip „zuerst langsam, dann schnell“ zu beachten. Die letzte Phase kann weiter in mehrere Teilphasen unterteilt werden. 2.2.4 Konzept der virtuellen Achse: In ACOPOS SERVO verfügt das für jeden Servomotor erzeugte Bewegungsobjekt über eine virtuelle Achse. Diese virtuelle Achse kann, wie die reale Achse, als Slave-Achse fungieren und der Master-Achse folgen, um eine synchrone Bewegung auszuführen. Sie kann aber auch selbst als Master-Achse fungieren und so die Synchronisierung anderer Slave-Achsen ermöglichen. Durch die Einführung des Konzepts der virtuellen Achse kann sich ein Servomotor mit seiner virtuellen Achse synchronisieren. Wird zwischen Filmtransportmotor und Hauptmotor eine Master-Achse eingefügt, lassen sich die Konturbeziehungen der drei Phasen – Warten auf das Filmtransportsignal, Warten auf die Startphase des Hauptmotors und Ausführen eines Zyklus mit dem Hauptmotor – dieser Master-Achse zuordnen. Der Folienzuführungsmotor kann sich mit der virtuellen Masterachse synchronisieren und so die Synchronisierung mehrerer Stufen von langsam bis schnell durchführen. Dadurch kann der Folienzuführungsmotor, selbst wenn sich der Hauptmotor nicht bewegt und die virtuelle Achse einen Zyklus abschließt, einen Folienzuführungsvorgang ausführen, d. h. die Folie einmal manuell zuführen. Dies erleichtert die anfängliche Justierung der Folienzuführungsposition. 3. Funktionale Umsetzung im Steuerungsprozess: Die Aufgaben des ACOPOS SERVO in der Folienverpackungsmaschine sind: Ansteuerung des Flaschenschiebers und des Folienabnehmers, Zuführung des Kartons, Zuführung und Abschneiden der Folie sowie das Trennen der Flaschen. Die Aufgaben, die eine Synchronisierung erfordern, sind die Zuführung des Kartons, die Folienzuführung und das Abschneiden der Folie. Abbildung 3 veranschaulicht die Master-Slave-Beziehung zwischen mehreren Achsen; der linke Pfeil zeigt den Master, der rechte Pfeil den Slave an. Obwohl der Flaschenzuführungsmotor nicht direkt an der Synchronisierung beteiligt ist, nutzt er während des Flaschentrennvorgangs zusammen mit der Druckplatte und der Prallplatte den Phasenwinkel des Hauptmotors als Grundlage für miteinander verbundene Start-Stopp-Operationen und arbeitet so zusammen, um den Flaschentrennvorgang abzuschließen. 3.1 Zuführung und Schneiden der weißen Folie Die Folienzuführung und das Folienschneiden sind die wichtigsten und anspruchsvollsten Schritte der Folienverpackungsmaschine, insbesondere die Folienzuführung. Gemäß den Prozessanforderungen muss die Folienausgabegeschwindigkeit in der Anfangsphase nach dem Start der Folienzuführung der Geschwindigkeit der zu verpackenden Flaschengruppe entsprechen. Der unter dem Karton liegende Folienabschnitt muss die voreingestellte Länge aufweisen und darf sich nicht einrollen. In den folgenden Phasen muss die Folie zügig zugeführt werden, damit die Folienaufnahmestange die nachfolgende Folie ungehindert aufnehmen kann. Die Geschwindigkeit dieser Folienaufnahmestufen muss präzise gesteuert werden; zu hohe Geschwindigkeit führt zu Faltenbildung der Folie, zu niedrige Geschwindigkeit blockiert die Folienaufnahmestange. Unabhängig von der Anzahl der Phasen oder der Folienausgabegeschwindigkeit zwischen den Phasen ist es unerlässlich, dass der Folienzuführungsmotor genau einen Folienzuführungszyklus abschließt, nachdem der Hauptmotor einen Zyklus abgeschlossen hat. Dies erfordert eine Synchronisierung zwischen Folienzuführungsmotor und Hauptmotor. Die Folienschneidemechanismen der verschiedenen Hersteller unterscheiden sich in ihrer Konstruktion. Aktuell werden im Wesentlichen zwei Mechanismen eingesetzt: Bei einem Mechanismus wird eine elektromagnetische Kupplung an der Welle des Folienzuführungsmotors verwendet, um ein Schneidwerkzeug einzurücken, das sich dann einmal dreht. Beim anderen Mechanismus wird eine separate Motorwelle für das Schneidwerkzeug verwendet, die mit der Welle des Folienzuführungsmotors synchronisiert ist. Entscheidend beim Folienschneiden ist, dass die momentane Rotationsgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs die Rotationsgeschwindigkeit der Folie an der Schnittstelle übersteigt. Andernfalls kann die Folie beschädigt werden, nicht sauber geschnitten werden oder die Schneidzähne können sogar brechen. Die Folienverpackungsmaschine von Keshimin verwendet eine unabhängige Motorwelle für das Schneidwerkzeug. Das mit dem Folienzuführungsmotor synchronisierte Schneidwerkzeug ermöglicht eine direktere Geschwindigkeitsanpassung in mehreren Synchronisationsstufen und gewährleistet so die Positionsgenauigkeit jedes Schnitts. Es kann auch zur Steuerung von Farbfolien eingesetzt werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt beim Zuführen und Schneiden von Weißfolie ist die Folienlängenkontrolle bei unterschiedlichen Verpackungsgeschwindigkeiten. Um zu verhindern, dass die Folienwalze aufgrund ihrer Trägheit nach dem Zuführen weiter Folie ausgibt, ist neben der Folienwalze eine Bremsvorrichtung angebracht. Die Zugwirkung der Bremsvorrichtung in Kombination mit der Reibung der Folienzuführungswalze führt dazu, dass die tatsächliche Folienlänge bei unterschiedlichen Wickelgeschwindigkeiten variiert. Anders ausgedrückt: Bleibt die vom Folienzuführungsmotor zugeführte Folienmenge konstant, verkürzt sich die tatsächliche Folienlänge mit steigender Wickelgeschwindigkeit. Daher ist eine Folienzuführungskompensation für unterschiedliche Wickelgeschwindigkeiten erforderlich. 3.2 Flaschensortierung Die Flaschensortierung ist seit jeher ein wichtiger Aspekt bei Folienverpackungsmaschinen. Die Qualität der Flaschensortierung beeinflusst direkt die nachfolgende Wickelgeschwindigkeit und somit die Geschwindigkeit der gesamten Produktionslinie. Derzeit werden üblicherweise zwei Arten von Flaschensortiervorrichtungen eingesetzt: Die eine verwendet zwei Motorwellen, die synchron mit dem Hauptmotor laufen (eine schnelle und eine langsame); die andere verwendet eine Druckplatte, eine Leitbleche und eine Flascheneinlass-Motorwelle, die für Start und Stopp mit der Phase des Hauptmotors synchronisiert sind. Die zweite Art der Flaschensortiervorrichtung verhindert das Umkippen von Flaschen und erhöht die Sortiergeschwindigkeit. 3.3 Flascheneinlauf und Flaschenauslauf im Heißgang Neben der Folienzuführung und Flaschensortierung erfordern auch der Flascheneinlauf und der Flaschenauslauf im Heißgang eine präzise Steuerung. Sowohl der Einlauf als auch der Heißgang sollten mit einem Frequenzumrichter ausgestattet sein, um den Flaschentransport reibungslos zu regeln. Entsprechend den Prozessanforderungen muss die Geschwindigkeit des Einlaufförderbandes und des Heißgangförderbandes proportional zur Geschwindigkeit des Hauptmotors sein. Dies gewährleistet eine grundlegende Synchronisation zwischen Hauptmotor, Einlaufförderband, Flaschensortierung und Heißgangförderband. Die Geschwindigkeit des Einlaufförderbandes beeinflusst den Abstand zwischen den Flaschen und somit die Qualität der Flaschensortierung. Die Geschwindigkeit des Heißgangförderbandes beeinflusst in Kombination mit der Temperatur den Schrumpfungsgrad der Folienverpackung. Daher ist die synchrone Abstimmung der vorderen und hinteren Förderbänder ebenfalls ein wichtiger Faktor. 4. Erläuterungen zum Schneiden von Farbfolien Weiße Folie ist positionsunabhängig und kann von jeder beliebigen Position aus geschnitten werden, solange die Folienlänge bei jedem Schnitt gleich bleibt. Im Gegensatz dazu ist die Präzision beim Schneiden von Farbfolien deutlich höher. Neben der Folienlänge ist auch die Symmetrie des Musters auf der geschnittenen Farbfolie ein Prüfkriterium. In der Regel weist die bedruckte Farbfolie nach zwei symmetrischen Mustern einen leeren Bereich auf, der zu schneiden ist. Jeder dieser Bereiche ist am Rand mit einer kleinen schwarzen Markierung (Aufdruck) versehen. Ein Lichtschrankensensor erfasst diese Markierung während des Folientransports, sodass der Servoregler diese Information erhält. Sobald die Markierung erkannt wird, führt der Folientransportmotor eine bestimmte Bewegung aus und beginnt mit dem Schneiden. Bei konstanter Geschwindigkeit des Folientransportmotors lässt sich der Schneidemotor – von der Markierungserkennung und Synchronisierung bis zum endgültigen Schnitt – leicht steuern. Der Folientransportmotor muss jedoch weiterhin mit dem Hauptmotor synchronisiert bleiben und eine zunächst langsame, dann schnelle Bewegung ausführen. Für die anfängliche manuelle Kalibrierung kann selbstverständlich ein Verfahren mit gleichmäßiger Folientransport- und Schneidgeschwindigkeit verwendet werden. Daher wurde in diesem Fall in der Keshimin-Folienverpackungsmaschine ein dynamisches Steuerungsverfahren für die Folienzuführungslänge angewendet, um die Folienzuführung und den Folienschnitt zu steuern und bestimmte Prozessanforderungen zu erfüllen. Tatsächlich gibt es weitere gute Verfahren für die Folienzuführung und den Folienschnitt, die es wert sind, untersucht zu werden, und auch fortgeschrittene ausländische Erfahrungen sind lehrreich. 5. Fazit: Die Schrumpffolienverpackungsmaschine ist das letzte Glied in der gesamten Bierproduktionslinie und ein wichtiger Faktor, der die Endausbeute an Bier beeinflusst. Inländische Bierproduzenten verwenden erst seit ein bis zwei Jahren im Inland hergestellte Folienverpackungsmaschinen. Daher besteht noch erhebliches Potenzial für effektive Verbesserungen in Bezug auf Mechanik, elektrische Systeme und die Steuerung des Gesamtsystems.