Siemens AG Österreich Sinamics S120: Einzelgänger im Schwarm

Eine der ersten Anwendungen des Multi-Carrier-Systems von Siemens und Festo in der Produktion ist diese von der Optima consumer GmbH realisierte Verpackungsmaschine mit einer Ausbringung von 120 Flaschen pro Minute bei häufigen Produktwechseln. Innerhalb der Maschine bewegen sich die multiformatfähigen, individuell ansteuerbaren selbstfahrenden Carrier einzeln oder in der Gruppe synchron zum Prozess.(Bildquelle: Dr. Wolff)

Flexibel in die Zukunft

(h3)Einer der ersten Anwender des Multi-Carrier-Systems im rauen Produktionsalltag ist die Dr. Kurt Wolff GmbH & Co. KG, Bielefeld.

Das Unternehmen füllt, verschließt und etikettiert auf einer Anlage der Optima Consumer GmbH im ständigen Wechsel und in unterschiedlichen Gruppierungen knapp 20 Flaschenformate seiner Shampoo-Serien Plantur 21, Plantur 39 und Alpecin. Schlüssel für das Erreichen der geforderten Ausbringung von mindestens 120 Flaschen pro Minute waren eine detaillierte Materialflussanalyse, die darauf aufsetzende Simulation im Mechatronics Concept Designer und das perfekte Zusammenspiel der am Projekt beteiligten Partner Optima, Siemens, Festo und Dr. Wolff.

Das realisierte Multi-Carrier-System umfasst mehr als 100 MCS-Linearmotoren und über 60 weitere, im (hier antriebsbasierten) Motion-Control-System darauf synchronisierte (Servo)Achsen an insgesamt neun Stationen. Damit konnte die gewünscht hohe Flexibilität erreicht werden und das ineffiziente Staufahren früherer Maschinengenerationen gehört endgültig der Vergangenheit an, so die rundum zufriedenen Verantwortlichen des Betreibers.

Die Zeiten, in denen auf einer Linie tagein tagaus das gleiche Produkt in hohen Stückzahlen gefahren wurde, sind vorbei. Durch immer mehr Produkt- und Verpackungsvarianten, immer kürzeren Produktlebenszyklen sowie dem Trend zum Individualisieren von Verpackung und Produkt stehen die Hersteller von Abfüll- oder Verpackungsmaschinen sowie deren Endkunden vor einer gewaltigen Herausforderung – und einer großen Chance. Geht es doch darum, den gesamten Prozess innerhalb der Anlage so zu flexibilisieren, dass auch individuelle Produkte mit den Mitteln der industriellen Massenproduktion hergestellt werden. Bis hin zur Losgröße 1.

Mit Hilfe eines virtuellen Zwillings können Umrüstvorgänge und Erweiterungen bzw. Veränderungen der Anlage sicher und effizient simuliert werden.

Antriebs-Performance auf bewährter Basis

Das performante Antriebs- und Regelungssystem für das MCS hat Siemens innerhalb weniger Monate umgesetzt. Entscheidend dafür waren die bereits vorhandenen Standards: das in vielen industriellen Anwendungen bewährte Motion-Control-System Simotion sowie das darauf abgestimmte, modulare Antriebssystem Sinamics S120 und eine zuvor schon für High-End-Anwendungen patentierte Software-Lösung für die präzise, Motorsegmente übergreifende Regelung (closed-loop-Betrieb mit Geber) bzw. Steuerung (geberloser open-loop-Betrieb) der Carrier. Damit sind Geschwindigkeiten von bis zu 4 m/s und Beschleunigungen von bis zu 50 m/s² möglich. Die in der Praxis erreichbaren Werte hängen von der Art und Masse des jeweiligen Produkts ab. Die Bewegungsführung lässt sich mit Bordmitteln von Sinamics und Simotion optimieren. Darüber hinaus ist auch die Kombination mit speziellen Antriebsfunktionen wie Vibration Extinction (VibX) möglich. Damit wirken ausgefeilte Regelungsalgorithmen auch dem Überschwappen flüssiger Medien beim schnellen Beschleunigen und Abbremsen aktiv entgegen.

Das Multi-Carrier-System ist formatkompatibel zu etablierten Werkstückträgersystemen, es kann somit beliebig damit kombiniert werden; auch ein nachträgliches Erweitern bestehender Systeme ist einfach möglich. So lassen sich die Carrier auch außerhalb einer Linie (um)rüsten und bei Bedarf einfach ein- und ausschleusen, was Produktionswechsel wesentlich beschleunigt.

Für einen optimierten Fertigungsfluss und dessen lückenlose Nach- und Rückverfolgbarkeit sind die Carrier mit berührungslos les- und beschreibbaren RFID-(Radio FrequencyIdentification)-Transpondern ausgerüstet. Darüber hinaus können auch individuelle Leistungsdaten jedes einzelnen Carriers erfasst und analysiert werden. Mit Hilfe eines solchen Condition-Monitoring-Systems können sich anbahnende Probleme einzelner Carrier oder einer Transportstrecke schnell erkannt und behoben sowie die Anlagenverfügbarkeit auf höchstem Niveau gehalten werden.

Weil das Multi-Carrier-System auf den genannten Standards aufsetzt, kann es ohne Einschränkungen mit (Sinamics-)Antriebsachsen der Kernprozesse wie auch von Nebenaggregaten elektronisch verknüpft werden, mit allen Möglichkeiten von Simotion. Da jeder Carrier technisch einer virtuellen Achse im Antriebssystem entspricht sind perfekt aufeinander abgestimmte, z. B. auch über Kurvenscheiben synchronisierte, interpolierte Abläufe realisierbar. Und das im Idealfall ohne einen zusätzlichen Controller, wobei es aber grundsätzlich möglich ist, die Aufgaben auf mehrere „Schultern“ zu verteilen. Die schnelle, auch Controller-übergreifende Kommunikation über Profinet mit IRT (Isochronous Realtime) steht in jedem Fall für kürzeste Taktzeiten und damit höchste (Antriebs)Performance.

Pilotanlage für die Kosmetikindustrie

Um dieses Ziel auf möglichst effiziente Art und Weise zu erreichen, hat Optima, einer der weltweit führenden Hersteller von Verpackungsmaschinen, eine modulare Abfüll- und Verpackungsmaschine für die Kosmetikindustrie realisiert, die Siemens auf der Hannovermesse 2015 erstmals der Öffentlichkeit präsentierte. Kern der Maschine ist ein innovatives gemeinsam von Siemens und Festo entwickeltes Multi-Carrier-System, das die Transportaufgaben innerhalb der Maschine erstmals nicht auf Basis eines starren, sondern durch ein besonders flexibles individuelles Materialflusskonzept löst.

Dank RFID verfügt jeder einzelne Transportwagen des Multi-Carrier-Systems über alle Informationen, die die Anlage zum Herstellen des Produkts benötigt – für ein Höchstmaß an Effizienz bis zur Losgröße 1.

Die Idee

Innerhalb der Anlage bewegen sich die zu befüllenden Behälter, wie z. B. Flaschen, Dosen oder Flacons, einzeln auf multiformatfähigen, individuell ansteuerbaren selbstfahrenden Wagen (den so genannten Carriern), die über Linearmotoren angetrieben werden. Um Staus zu vermeiden, bewegen sich diese innerhalb der Maschine nach den Regeln des Schwarmverhaltens – entweder einzeln oder in der Gruppe – synchron zum Prozess. Dabei lassen sich Carrier leicht in die Anlage ein- und ausschleusen: das Multi-Carrier-System einfach in die bestehende Transportstrecke einbinden, sodass die Maschine schnell auf unterschiedliche Formate, andere Produktarten oder saisonale Anforderungen umgestellt werden kann. Und da die einzelnen Carrier dank integrierter RFID-Chips sämtliche Informationen, die die Maschine zum Realisieren des Endprodukts braucht, mit sich tragen, können auf der Anlage auch Einzelanfertigungen industriell hergestellt werden. Dadurch weiß sowohl das einzelne Produkt, der einzelne Carrier als auch das einzelne Maschinenaggregat – zu jedem Zeitpunkt der Produktion – was wie in welchem Umfang erledigt werden muss – das ist Individualisierung von Produkten in Höchstform.

Abgestimmte Bewegungsführung dank Motion-Control-System Simotion und leistungsfähigen Antrieben Sinamics S120.

Manfred Brandstetter
Head of Factory Automation CEE, Siemens AG Österreich

„Für die Umsetzung komplexer, neuer Maschinenkonzepte ist ein optimales Zusammenspiel zwischen Mechatronik-Design und Automatisierungstechnik unabdingbar. Das digitale Abbild der Maschine (Digital Twin) in einer frühen Konzeptphase und später bei der Inbetriebnahme führt zu einer deutlichen Reduktion der Entwicklungszeit und Fehlerquote, was die Kosten für Maschinenbauer und -betreiber senkt.
Die Firma Optima hat die beschriebenen Vorteile der Digitalisierung konsequent genutzt und aufbauend auf dem Multi Carrier System von Siemens und Festo eine hoch innovative Verpackungslinie geschaffen.

Wir werden ein Modell der innovativen Optima-Maschine (samt „Digital Twin“) auf der nächsten SMART-Messe in Wien (Mai 2016) gemeinsam mit Festo live zeigen.
“

Innovatives Maschinenkonzept

Dabei ermöglichen das von Siemens gelieferte Motion-Control-System Simotion sowie die leistungsfähigen Antriebe Sinamics S120 eine individuell auf das Schwappverhalten des Inhalts abgestimmte Bewegungsführung, um ein Verschmutzen der Anlage zu vermeiden, und damit schwingungsfreien Transport bei höchster Dynamik mit Geschwindigkeiten von bis zu m/s sowie Beschleunigungswerten von bis zu 50 m/s² im geregelten Betrieb sicherzustellen. Wobei die Liniengeschwindigkeit für die zukünftigen Kunden der Maschine eine eher untergeordnete Rolle spielt.

„Der Markt fordert immer schneller immer unterschiedlichere Produkte. Heute kann ich mit dem modularen Maschinenkonzept Systeme und Funktionen austauschen – und nur so ist die Maschine auch zukunftsfähig“, ergänzt Rainer Feuchter, CEO bei Optima.

Multi-Carrier-System: Ein Transportsystem, das in punkto Flexibilität keine Wünsche offen lässt. (Foto: Festo AG & Co. KG)

Konsequentes Virtualisieren

Aufgrund der Fülle an Anforderungen in puncto Software, Elektronik, Mechanik, Pneumatik und Automatisierung haben die Experten von Optima von Anfang an großen Wert darauf gelegt, dass die gesamte Maschine als mechatronisches Gesamtsystem simulierbar und sämtliche Umrüstprozesse virtuell plan- und umsetzbar sind. Bereits die Konstruktion der Maschine erfolgte mit PLM Software von Siemens, wie u. a. mit dem auf NX basierten Mechatronics Concept Designer, wodurch umfassende Modellierungs- und Simulationsmöglichkeiten des Maschinendesigns umsetzbar sind. Auf diese Weise konnten die Experten von Optima ihre Ideen überprüfen und weiterentwickeln, bevor die eigentliche Realisierung begann. Dabei galt es für die Maschinensimulation folgende Fragen zu klären:

Welche Waren werden wie transportiert? Aus welchem Material sind sie und welches Gewicht haben sie? Und wie sind Form und Gewicht der Verpackung? Und bei welchem Produktionsschritt müssen die Carrier wie gruppiert bzw. vereinzelt werden?

Während dem Bau der Maschine füllten die Experten von Optima dieses Modell nach und nach mit den Daten der realen Maschine. So wuchs parallel dazu eine virtuelle Maschine heran, die nicht nur zum begleitenden Validieren, sondern auch als virtueller Zwilling genutzt werden kann. An diesem Zwilling können über den gesamten Lebenszyklus der Maschine Umrüstvorgänge simuliert und Materialflussanalysen erstellt werden.

Im internen Transportsystem einer Anlage können die fixierten Wagen des Multi-Carrier-Systems in einem Umlaufsystem von einer Seite der Anlage zur anderen transportiert werden. (Foto: Festo AG & Co. KG)

Rainer Ostermann
Country Manager Festo Österreich

„Intelligente Komponenten einzelner Anbieter sind nur der Anfang - echte Industrie 4.0 wird erst durch die intensive Zusammenarbeit aller Beteiligten an der Wertschöpfungskette in der Automation Realität.
Das gemeinsam mit Siemens entwickelte Multi-Carrier-System ist das beste Beispiel für dieses Erfolgsrezept.“

Auf den Mix kommt es an

Erst der Einsatz von Standardkomponenten wie Sinamics S120 und Simotion im Zusammenspiel mit abgestimmter Software ermöglichen diese flexible Systemlösung. Ein ganzheitlicher Ansatz steht hierbei im Vordergrund, und zwar beginnend bei der Konzeptplanung bis zur lauffähigen Maschine über alle Engineering-Phasen hinweg. Somit ist es möglich die CAD-Daten im Mechatronics Concept Designer zu übernehmen, und die Maschine anschließend „lebendig“ zu machen, also die Abläufe zu simulieren und unmittelbar Optimierungspotential zu erkennen.

Diese Erkenntnisse bilden wiederum die Datenbasis für den Projektgenerator easyProject, ein Bestandteil von Simotion Scout, der automatisiert ein lauffähiges und direkt in das Motion-Control-System ladbares Maschinenprogramm erzeugt.

Die Softwarearchitektur ist dabei so aufgebaut, das jeder Carrier technisch einer virtuellen Achse im Antriebssystem entspricht. Dies ermöglicht das Nutzen sämtlicher Freiheitsgrade von Simotion. Die Basisfunktionen des Systems, wie beispielsweise die Kollisionsüberwachung, sind direkt im Antrieb auf Basis einer speziell entwickelten Open-Architecture-Applikation enthalten. Siemens hat also hier sein umfangreiches Know-how im Bereich Automatisierung in die Entwicklung des Transportsystems eingebracht.

In der Konstruktionsphase ist eine ebenso flexible Systemintegration mit kundenindividuellen Lösungen erforderlich. Technische Basis für die Bewegung und genaue Positionierung der Transportwagen des Multi-Carrier-Systems sind Linearmotoren von Festo. Bereits heute sind zahlreiche Carrier-Varianten verfügbar und kundenspezifische Versionen jederzeit realisierbar – horizontale und vertikale Anordnungen oder auch verschiedenste Rückführmöglichkeiten.

Für hochdynamische Anwendungen wie das Multi-Carrier-System: das skalierbare und modulare Motion Control System SIMOTION.

Die große Innovation liegt in der Software

"Mit unserem durchgängigen Engineering-Ansatz und unserem Know-how ist es uns gelungen, die Anforderungen unseres Kunden nach höchster Flexibilität und Individualität zu erfüllen“, sagt Marco Gierden, Siemens AG, Business Development Packaging Machines. Das zunehmende Individualisieren industriell hergestellter Produkte erfordert also modulare Maschinenkonzepte, die minimale Losgrößen bei höchster Geschwindigkeit und maximaler Flexibilität ermöglichen. Produzierende Unternehmen sowie Anlagen- und Maschinenbauer suchen daher nach Lösungen, um die Flexibilität in der Fertigung zu erhöhen. Das Multi-Carrier-System ist genau hier ein wesentlicher Beitrag dazu. Dies verändert den Maschinenbau im Bereich der Verpackung grundlegend.

Breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten

Die Einsatzmöglichkeiten dieses Multi-Carrier-Systems sind praktisch unbegrenzt. Derart flexible Lösungen bieten sich für alle Branchen mit hoher Produktvielfalt an – ob bedingt durch die hohe Zahl an Produktvarianten wie in der Kosmetikindustrie, den schnellen saisonalen Wechsel wie in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie oder das industrielle Anfertigen von Unikaten, die der Endkunde per Online-Konfigurator zusammenstellt. Dieses modulare Konzept ermöglicht die Integration in bestehende Maschinen und Transportlösungen, somit zielt es nicht nur auf Neuentwicklungen sondern auch auf den schrittweisen Umbau bewährter Systeme für einen effizienten Übergang in den digitalen Maschinenbau.