Custom RA Jones Case Packers setzen Beckhoff PC ein

Der kundenspezifische Kartonpacker CP-30 mit integrierter Robotik sorgt für einen ultraschnellen Durchsatz und reduziert die Umrüstzeiten um über 80 % mithilfe fortschrittlicher PC-basierter Steuerungstechnologie und EtherCAT.

Als Teil der in Bologna (Italien) ansässigen Coesia-Gruppe von Verpackungsmaschinenbauern beliefert RA Jones aus Covington (Kentucky) viele der weltweit größten CPGs mit Primär- und Sekundärverpackungsmaschinen. RA Jones ist vor allem für sein breites Sortiment an Standardverpackungsgeräten für Aerosole, Becherabfüllung, Chub-Verpackung, Mehrfachverpackung, Beutelverpackung, Kartonverpackung und Kartonierung bekannt und bietet komplett kundenspezifische Maschinen, wenn die beste Maschine für den Job noch nicht existiert. Eine Technologie, die besonders bei dieser Sonderanfertigung auf dem Vormarsch ist, ist die PC-basierte Steuerung.

„Bei vielen der neuen Maschinenlinien von RA Jones haben wir uns auf PC-Steuerung und Automatisierung von Beckhoff als Standard gesetzt“, sagt Bob Burkhardt, Produktportfoliomanager für Kartonierung, Robotik und Beutelherstellung bei RA Jones. „Dazu gehören einige unserer Sammelpacker, vertikalen Kartonierer und Toplader-Kartonierer, aber auch Lösungen für einige unserer anspruchsvollsten Aufgaben, die kundenspezifische Maschinen erfordern.“

Eine der neuesten Maschinen, die eine einzigartige Kundenherausforderung direkt angeht, ist der kundenspezifische Kartonpacker CP-30. Dies war ein Sonderprojekt für einen großen, multinationalen CPG-Hersteller von Kaffeeprodukten, bei dem RA Jones mit der Entwicklung eines neuen Hochleistungs-Kartonverpackungsmaschinendesigns beauftragt wurde. Die Muttergesellschaft Coesia arbeitete bei der Entwicklung mit RA Jones zusammen, Beckhoff lieferte die Automatisierungstechnik. Bei 12 von der CPG bestellten Maschinen war die schiere Menge an kundenspezifischer Ausrüstung, die in einem engen Zeitrahmen hergestellt werden musste, eine große Herausforderung, ebenso wie der vom Endbenutzer geforderte hohe Automatisierungsgrad.

„Da die Kaffeezubereitungsgeschwindigkeit bei bis zu 1.200 pro Minute lag, mussten die Maschinen auch im Staufall kontinuierlich laufen“, sagt Burkhardt. „RA Jones suchte nach einer Maschinensteuerungsplattform, die Maschinenstillstände automatisch diagnostizieren und korrigieren kann, ohne dass der Bediener manuelle Anpassungen vornehmen muss. Dadurch entfällt für die Arbeiter die Belastung, die Produktion zu stoppen und Ausschusskartons in einer schnelllebigen Produktionsumgebung herauszuziehen.“ Die Maschine verfügt im Inneren über einen Kartonzuführroboter, der flache Wellpappenzuschnitte in den Kartonaufrichtabschnitt befördert.

Die resultierende CP-30-Maschine automatisiert alle Aspekte der Kartonverpackung, einschließlich Staubeseitigung und Verpackungswechsel, über über 70 dynamisch gesteuerte Servoachsen. Es kann Hüllen, die sich unter dem Magazin nicht richtig öffnen lassen, automatisch auswerfen, ohne den Verpackungsprozess zu unterbrechen.

Der CP-30 verfügt im Inneren über einen Kartonzuführroboter, der flache Wellpappenzuschnitte in das Kartonaufrichtesegment transportiert. „Wir haben mit Beckhoff-Anwendungsingenieuren zusammengearbeitet, um eine maßgeschneiderte Kinematiksoftware für diesen Spezialroboter zu erstellen“, sagt Burkhardt. „Obwohl dieser Roboter einem SCARA ähnelt, ist er vollständig darauf ausgelegt, dem Aufnahmekopf beim Herausziehen der Rohlinge aus dem Magazin ein hohes Maß an Drehung zu verleihen.“ Wenn sich die Kiste nicht öffnen lässt, erkennen die Sensoren dies automatisch und der Aufnahmekopf weist die Kiste zurück. Anschließend nimmt der Kartonzuführroboter einen neuen Karton auf.

Für den Endanwender stellt die automatisierte Ausschussbearbeitung einen entscheidenden Vorteil dar, ebenso wie der besonders hohe Durchsatz und die Flexibilität. „Bei den 12er-Kartons für kleinere Kartons erreicht der CP-30 eine Geschwindigkeit von 30 Kartons pro Minute“, fügt Nick Werner, Custom Controls Group, RA Jones, hinzu. „Der Kartonpacker CP-30 baut auch flexibel zahlreiche Kartonmuster auf. Unabhängig davon, ob es sich um große oder kleine Kartongrößen handelt, kann derselbe CP-30 nahezu jede Kombination von Kartonzahlen verarbeiten.“

In einer Industrie, die sich so sehr auf Standards wie die Verpackung konzentriert, haben Maschinenbauer, die diesen Bereich bedienen, in der Vergangenheit viele Einzweck-Steuerungen im Black-Box-Stil verwendet, die einem einzelnen Aspekt der Automatisierung gewidmet waren. „Die Möglichkeit, Hardware für verschiedene Kontrollbereiche zu konsolidieren, war ein entscheidender Vorteil für RA Jones“, sagt Paul Schuster, Produktportfoliomanager, Coesia Digital & Aerosol, RA Jones.

„Die Rechenleistung, die wir durch die PC-basierte Steuerung erhalten, ist beeindruckend“, fügt Werner hinzu. „Praktisch gesehen bedeutet dies den Unterschied zwischen der Implementierung einer Beckhoff-Steuerung und der Notwendigkeit, für die Maschinenautomatisierung mehrere Steuerungen eines herkömmlichen SPS-Anbieters unter einen Hut zu bringen.“

Das CP-30 verfügt über einen Beckhoff C6030 Industrie-PC (IPC) mit Intel Core i7-7700 Quad-Core-Prozessor, der im Koffer ausreichend Leistung für alle rechenintensiven Funktionen bietet. RA Jones ist außerdem dabei, mithilfe eines Beckhoff-IPC einen IoT-Fernüberwachungsdienst namens Coesia PerforMate auf seinen Maschinen zu implementieren.

„Eines der größten Dinge, die wir beim Beckhoff IPC beobachtet haben, waren die beeindruckend niedrigen Scanzeiten – etwa 1 Millisekunde Scanzeit für mehr als 70 Servoachsen“, sagt Austin Rismiller, Elektroprojektingenieur, Forschung & Entwicklung/Innovation, RA Jones.

Eine weitere Möglichkeit für schnelle Kommunikation und kurze Scanzeiten ist das EtherCAT Industrial Ethernet-Protokoll, das alle Laufwerke und E/A auf dem CP-30 verbindet. „EtherCAT bietet eine hervorragende Geschwindigkeit in unserer Maschinenkommunikation“, sagt Werner. „Die einfache Einrichtung beim automatischen Scannen von Geräten in das Netzwerk hat uns bei der Inbetriebnahme, Inbetriebnahme und Fehlerbehebung sehr geholfen. Dies und die integrierte EtherCAT-Diagnose machten es einfach, etwaige Verdrahtungsfehler oder Brüche, die bis hin zum genauen I/O-Anschluss aufgetreten sein könnten, schnell zu lokalisieren und zu beheben.“

Das EtherCAT-I/O-System ermöglicht RA Jones auch die einfache Anbindung an andere industrielle Netzwerke, wie zum Beispiel IO-Link. Dadurch wird eine direkte Verbindung zu verschiedenen intelligenten Geräten hergestellt, darunter dem RFID-Lesegerät, einem programmierbaren Stapellicht und intelligenten Lichtschranken. Dieser Ansatz trug dazu bei, die Heimverkabelung zurück zum Hauptschaltschrank zu eliminieren, indem verteilte EtherCAT-I/O entlang der Maschine verwendet wurden.

RA Jones bezieht außerdem EtherCAT-I/O-Klemmen der EL72xx-Serie mit integrierter Antriebstechnologie zur Steuerung ultrakompakter Servomotoren der AM8100-Serie. EL9576-Klemmen bieten Brems-Chopper-Funktionalität im gleichen 12 mm breiten E/A-Format für die DIN-Schienenmontage. „Beckhoff hat direkt auf die kleinen Motor- und Antriebsgrößen reagiert, die für CP-30 erforderlich sind, was einen großen Vorteil darstellt“, sagt Schuster. „Die Kombination der Leistungs- und Feedbackkabel in einer Leitung mithilfe der One Cable Technology (OCT) hat zu unseren Platz- und Verkabelungseinsparungen beigetragen.“ Die Stellfläche des CP-30 ist kleiner als bei vergleichbaren Sammelpackern und seine Schaltschränke lassen sich sogar zusammenklappen, sodass die gesamte Maschine in einem normalen Sattelschlepper transportiert werden kann. Der Sammelpacker CP-30 verfügt über eine Vielzahl kompakter Antriebe von Beckhoff, wie z. Kompakte Servomotoren der AM8100-Serie, verbunden mit EtherCAT-I/O-Klemmen der EL72xx-Serie mit integrierter Antriebstechnik.

Die Maschinensicherheit ist über das TwinSAFE-System in die Standard-Steuerungsplattform und das EtherCAT-Netzwerk integriert. TwinSAFE-I/O-Klemmen werden mit Schutztüren und Not-Aus-Schaltern in der gesamten Maschine verbunden und Sicherheitsdaten werden über Safety over EtherCAT (FSoE) mit einem zertifizierten Black-Channel-Ansatz gesendet. Die Servoantriebe in der Anwendung kommunizieren auch über FSoE, um eine Vielzahl sicherer Bewegungsfunktionen bereitzustellen. Der CP-30 ist in zwei Sicherheitszonen mit jeweils eigener TwinSAFE-Logik unterteilt. Auf der Bedienerseite befindet sich eine Kartonier-Seitenzone, in der der Kartonzuführroboter alle Kartons aufnimmt. In einer Transferseitenzone kommen die Kartons von der Zuführung an und gelangen zum Hochstapler. Dies bietet die Möglichkeit, bei Sicherheitsereignissen die entsprechende Zone anzuhalten, anstatt die gesamte Maschine anzuhalten.

Auch auf der Programmierseite zeigte TwinCAT 3 als Engineering-Umgebung und Laufzeit zur Maschinensteuerung große Vorteile. Die universelle TwinCAT-Plattform übernimmt alle Aspekte der Maschinensteuerung, einschließlich SPS, Sicherheit, Bewegungssteuerung und mehr. „Ich bin ein Fan davon, wie TwinCAT XAE in einer Standard-Microsoft Visual Studio-Shell präsentiert wird“, sagt Rimiller. „Das ist erfrischend im Vergleich zu den Softwareangeboten traditioneller SPS-Anbieter. TwinCAT 3 integriert alle Informatikstandards in der Programmierung, wie C++ und Python, was zu meinen Programmierkenntnissen aus dem Studium passt. Die Bereitstellung dieser Optionen zusätzlich zu SPS-Programmierungsstandards, wie z. B. strukturiertem Text, ist ein wesentlicher Vorteil.“

Im Rahmen des Projekts nutzte RA Jones die bestehende Coesia Automation Framework Library (AFL) in TwinCAT. „TwinCAT bietet die Möglichkeit, Software und Funktionsblöcke von Coesia und RA Jones als geistiges Eigentum zu schützen“, sagt Werner. „Noch besser ist, dass Endbenutzer sich bei der Fehlerbehebung und Wartung nie mit dem SPS-Code herumschlagen müssen, da diese Interaktionen über die HMI abgewickelt werden. Unterstützt wird dieser benutzerfreundliche Ansatz durch ein CP3918-Bedienfeld im 18-Zoll-Breitbildformat mit mehreren Drucktasten, die wir für Maschinensteuerungsfunktionen ausgewählt haben – alle direkt in das Bedienfeld integriert.“

Der Zeitplan für das kritische elektrische Design und die Installation der CP-30-Maschinen wurde auf einen strengen Zeitraum von sechs Monaten komprimiert, um den Zeitplan für die Anlagenmodernisierung des Endbenutzers einzuhalten. Dies erforderte eine enge und ständige Teamarbeit zwischen den Ingenieuren von RA Jones und Beckhoff, um ein enges Lieferfenster einzuhalten. „Beckhoff und RA Jones wurden in dieses global strategische Projekt einbezogen, das von ihrer Muttergesellschaft Coesia geleitet wurde“, sagte Mark Ruberg, Packaging Industry Manager bei Beckhoff USA. „Unsere effektive Zusammenarbeit und unsere lokalen Supportressourcen waren den Herausforderungen dieser Entwicklungsmeilensteine ​​gewachsen.“

Bei der Konstruktion und dem Bau dieser kundenspezifischen Maschine arbeitete das örtliche Beckhoff-Team Seite an Seite mit RA Jones. „Die Zusammenarbeit mit Garth Gaddy und Keith Bunke vom örtlichen Beckhoff-Team war großartig“, sagte Werner. „Keith war unser Ansprechpartner für die Anwendungstechnik – wir haben so eng zusammengearbeitet, dass ich ihn per Kurzwahl anrufen konnte.“

Bemerkenswert ist auch, dass die Flexibilität des CP-30 durch die Acc-U-Change Plus-Lösung von RA Jones gesteigert wird, die es Benutzern ermöglicht, Umstellungen per Knopfdruck durchzuführen und so einen vertikalen Start und eine hohe Kartonqualität während der Produktion sicherzustellen. Die abnehmbaren Acc-U-Change Plus-Komponenten sind RFID-fähig, sodass Endbenutzer überprüfen können, ob für alle Gehäusegrößen und -muster die richtige Ausrüstung am richtigen Ort installiert ist. „Während die Umrüstzeit auf eine andere Kartongröße bei anderen Kartonpackern oft 20 bis 30 Minuten beträgt, konnten wir die Umrüstzeit beim CP-30 auf etwa fünf Minuten oder sogar weniger verkürzen“, sagt Werner. „Dank der Automatisierung von Beckhoff haben wir 19 manuelle Handgriffe überflüssig gemacht – mit nur einem Tastendruck auf dem HMI kann der automatische Wechsel von der größten zur kleinsten Größe und umgekehrt erfolgen.“

Nach diesen Erfahrungen hat RA Jones mindestens zwei neue Maschinenprojekte in der Entwicklung, die Beckhoff als Standard-Maschinensteuerungsplattform nutzen werden, um den Durchsatz ebenfalls zu steigern, den Maschinen-Footprint zu reduzieren und Umrüstzeiten zu verkürzen. Neben der kundenspezifischen Kartonverpackungsmaschine hat RA Jones bei einer neuen Döbelverpackungsmaschine für Tuben mit gemahlenem Geflügel und Schweinefleisch auf Beckhoff-Steuerungstechnik gesetzt. „RA Jones stellt außerdem einen neuen vertikal beladenen Kartonierer vor, der Beckhoff als Standardsteuerungsplattform verwenden wird“, fügt Burkhardt hinzu. PW