Flexibilität für die Zukunft und um 40 % gesenkte Steuerungskosten

Als Sondermaschinenbauer Lehnen Industrial Services eine Abfüllanlage für Lippenbalsam vorstellte, war das Unternehmen von dem hohen Interesse an dem System überrascht. Um dieser Nachfrage gerecht werden zu können, wurde die Maschine standardisiert. Die nötige Anpassungsfähigkeit liefert die skalierbare Steuerungstechnik von Beckhoff. Mit einem beeindruckenden Funktionsumfang auf kleiner Stellfläche schließt das System laut Anbieter eine Lücke im Life-Science-Markt.

Lehnen wurde 2001 gegründet und beliefert in erster Linie Kunden aus dem Bereich Life Science. „Unsere Nische sind Sondermaschinen für Reinraumumgebungen mit geringer Stellfläche. Das bedeutet eine eigene Konstruktion für jeden Kunden, um umfangreiche Funktionalität auf kleinem Raum unterbringen zu können“, erklärt Geschäftsführer Peter Lehnen. Als das Unternehmen seine erste Abfüllanlage für Lippenbalsam entwickelte, dachte er, dass es gleichzeitig die letzte sein würde. Sie vereinte zwar eine Vielzahl von Funktionen – Behälterzuführung, parallele Abfüllung, Kühlung, Verschließen, Etikettierung und Codierung – in einer kompakten Maschine. Das System passte jedoch in keine Kategorie. „Bei dieser Art von Abfüllanlagen gibt es typischerweise eine Klasse mit niedrigen Kosten und einer niedrigen Geschwindigkeit. Dann gibt es eine Industrieklasse mit hohem Durchsatz, die aber Millionen von Dollar pro Anlage kostet“, sagt Peter Lehnen. „Im mittleren Bereich dagegen gibt es nur wenige Optionen.“

Nachdem Lehnen jedoch ein Video des ProFill SF-Systems ins Internet stellte, erhielt das Unternehmen sofort Anfragen von potenziellen Kunden, die nach Lösungen im Bereich zwischen Ultra-Low-End und Ultra-High-End suchten. Als der Maschinenbauer aus Keene, New Hampshire, daraufhin beschloss, die Maschine zum Standardprodukt weiterzuentwickeln, galt es, eine neue Herausforderung zu meistern: Wie kann die Automatisierungsplattform optimiert und zukunftssicher gemacht werden? Denn von der bisherigen SPS-Plattform fühlten sich die Ingenieure beim Innovationsprozess behindert. „In einer Zeit, in der Speichermedien billig geworden sind, ist es erstaunlich, dass eine 3.000-Dollar-SPS nur 4 MB Speicherplatz hat. Ich war schon oft gezwungen, Codekommentare aus Programmen zu löschen, um nicht an Grenzen zu stoßen“, erklärt Chris Lehnen, leitender Softwareentwickler. „Deshalb und wegen der willkürlich begrenzten Anzahl an I/Os und Bewegungsachsen haben wir uns nach moderneren Optionen umgesehen.“

Zwar lernte Lehnen Beckhoff bereits 2015 auf einer Messe kennen, aber damals zögerte das Team, die Steuerungstechnik zu wechseln, denn Veränderungen sind in der stark regulierten Life-Science-Branche nicht einfach. 2020 jedoch hatten viele Anbieter Lieferschwierigkeiten und man stellte fest, wie anpassungsfähig die Plattform von Beckhoff durch einfachen Komponentenaustausch ist. So konnte Lehnen einige Kundenprojekte zu Beckhoff migrieren – zur gleichen Zeit, als die Maschinenbauer über die Entwicklung eines standardisierten Abfüllsystems nachdachten.

Innovation durch flexible Automation

Das ProFill-System vereint alle Arbeitsschritte in einer Einheit, die nur 308 x 142 cm misst. Trotz der robusten Edelstahlkonstruktion lässt sich das System auf Rollen an jedem Ort mit Druckluft- und 240-V-AC-Versorgung zum Einsatz bringen. Zusätzlich vereinfacht das System den Wechsel des Füllkopfes, sei es zur Reinigung oder beim Produktwechsel.

Bei der Weiterentwicklung zum Standardsystem sollte die Maschine ihre kleine Stellfläche und die hochpräzise Abfüllung beibehalten, um zu vermeiden, dass schwer zu entfernende, wachsartige Flüssigkeit auf die Fördertechnik tropft. In Zusammenarbeit mit dem lokalen Team von Beckhoff USA, u. a. Regional Sales Engineer Brian Buck und Applications Engineer Matt Kleven, begann Lehnen im Januar 2023 mit dem Redesign.

Ein Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6015 dient als Maschinensteuerung. Der IPC ist nicht nur äußerst klein bauend, sondern bietet auch Speicheroptionen von 40 bis 320 Gigabyte. Ein Multitouch-Control-Panel CP3918 von Beckhoff ermöglicht die von Smartphones bekannte intuitive Bedienung auch in rauen Produktionsumgebungen.

Die Programmierung von HMI, SPS und Motion Control erfolgt mit der Automatisierungssoftware TwinCAT 3. Als durchgängige Engineering- und Runtime-Plattform bietet TwinCAT alle für die Maschinensteuerung notwendigen Funktionen, mit flexiblen Möglichkeiten zur Codeerstellung. Durch die Integration in Microsoft Visual Studio können Ingenieure immer die am besten passende Programmiersprache nutzen:

• IEC-61131-3-Sprachen mit objektorientierten Erweiterungen,
• benutzerdefinierte Funktionsblöcke oder Hunderte von Optionen in TwinCAT-Bibliotheken
• Informatikstandards, wie C#, C++, Python und HTML5 oder JavaScript für die HMI-Erstellung.

Die Entwickler von Lehnen schätzen die Möglichkeit, Steuerungssoftware vor dem Kauf in der kostenlosen TwinCAT-Engineering-Umgebung auszuprobieren. „TwinCAT bietet eine korrekte Implementierung des IEC-Standards und objektorientierte Programmierung, im Gegensatz zu Plattformen anderer Anbieter, die zwar technisch konform, aber restriktiver sind. Das erlaubt uns, die bewährten Praktiken der Softwareentwicklung zu nutzen“, sagt Chris Lehnen. „Darüber hinaus vereinfacht TwinCAT die Quellcodekontrolle durch die Einbindung von Git. So kann unser Softwareteam gleichzeitig am selben Programm arbeiten, um die Entwicklung zu beschleunigen.“

„Das Lehnen-Team hat die zahlreichen Software- und Hardwarelösungen, die wir anbieten, klug genutzt, wie z. B. die präzise Synchronisation mit EtherCAT“, sagt Brian Buck. „Herausragend sind für mich dabei die kompakten Servoantriebe ELM7222.“ Die zweikanaligen 48-V-DC-Servoverstärker sind als nur 30 mm breite EtherCAT-Klemmen direkt im EtherCAT-I/O-Segment installiert – neben zahlreichen anderen Klemmen zur Vernetzung der Anlage, wie z. B. High-Density-Ein- und -Ausgänge, analoge Temperaturmessklemmen und Thermoelementmodule.

Die Servoklemmen ELM72xx unterstützen zudem die One Cable Technology (OCT) für den Anschluss der Servomotoren AM8100 von Beckhoff mit einem minimierten Verkabelungsaufwand. Dadurch reduziert die kompakte Antriebstechnik zusätzlich den Platzbedarf, vereinfacht die Inbetriebnahme und stellt gleichzeitig eine hohe Leistung sicher.

Mit Potenzial für die Zukunft

Der standardisierte Lippenbalsamfüller behielt seine hohe Leistung und kompakte Bauform bei. Das System verarbeitet Trays mit acht Tuben auf einmal und erreicht einen Durchsatz von 60 Tuben pro Minute. Im Dauerbetrieb kann die Maschine 30.000 Stifte pro Tag abfüllen, verschließen, etikettieren und mit einem Seriencode versehen.

Durch die kompakten Steuerungs-, Vernetzungs- und Servotechnologien von Beckhoff wurde im Schaltschrank der Maschine Platz für zukünftige Funktionserweiterungen frei. „Wir haben nicht nur ein besseres Gesamtsystem geschaffen, sondern auch die Kosten deutlich reduziert“, sagt Peter Lehnen. „Bei der Steuerungshardware haben wir durch die Standardisierung auf Beckhoff etwa 40 % eingespart.“