An der langen Leine

Servoantriebe mit Hybridsteckverbinder

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30.10.2014 Hygiene steht an erster Stelle! Das trifft auch auf die Herstellung gefriergetrockneter Lebensmittel zu - seien es Instant-Kaffee, Früchte oder Gewürze. Und große Mengen erfordern einen hohen Durchsatz in der Produktion.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Automatische Be- und Entladesysteme (Automatic Loading and Unloading System, Alus) sollen bei GEA Lyophil die Kontaminationsgefahr durch Personal beim Beschicken und Entladen der Gefriertrockner senken.
  • Die neuen Alus können zum Verschieben durch Ziehen und Aufstecken eines einzigen Steckers sowohl elektrisch als auch steuerungstechnisch vom stationären Schaltschrank ab- und wieder angekoppelt werden.
  • Die Automatisierungslösung basiert auf der Pacdrive-Technologie und integrierten Lexium-Servoantrieben, die klassische Servoregler-Technologie vom Schaltschrank ins Maschinengestell verlagern.

Beides gewährleisten automatische Be- und Entladesysteme. Diese nutzen Antriebe mit integrierter Regelungstechnik und Hybridkabel zum Anschluss an die Leistungsversorgung und die Datenkommunikation via Sercos.

Beim Gefriertrocknungsprozess entzieht eine Folge von Sublimations- und Desorptionsvorgängen unter Vakuum einem gefrorenen Produkt die Feuchtigkeit. Eine exaktere Temperaturführung, bessere Isolation des Prozesses gegen Keime und rationellere Prozessgestaltung haben die Gefriertrocknung in der Vergangenheit sukzessive verbessert. Potenzial für die weitere Optimierung des Prozesses bietet vor allem die periphere Technik: Automatische Be- und Entladesysteme sollen die Kontaminationsgefahr durch Personal beim Beschicken und Entladen der Gefriertrockner weiter senken. GEA Lyophil unternahm bereits 1989 erste Schritte, um das Potenzial automatisierter Be- und Entladeprozesse besser auszuschöpfen.

Elektrotechniker Michael Groth, Technischer Leiter für den Bereich Alus (Automatic Loading and Unloading System) im Hause GEA Lyophil, ist seit 1990 in diesem Produktbereich tätig, zunächst als Entwickler, später in leitender Funktion. Er erläutert: „Im Kern handelt es sich bei einem Alus um eine Transfereinheit, die Behältnisse mit den zu trocknenden Substanzen aus dem Herstellprozess in den Trockner einbringt, transportiert und nach dem Gefriertrocknen wieder in den Prozess einschleust.“ Vereinfacht betrachtet bestehen die Systeme aus einem Ladetisch mit einer Förderlösung zum Be- und Entladen der Gefäße, einer automatisch ausfahrbaren Brücke zum Andocken an die Ladeöffnung des Gefriertrockners und einem Schieber, um die gesamte Ladung in den Trockner hinein und wieder heraus zu transferieren.

Ein Alus ist entweder fest in eine Produktionslinie im Sterilraum integriert oder aber fährt als mobile Einheit auf Schienen außerhalb verschiedene Gefriertrockner an. In beiden Fällen ist größtmögliche Mobilität wichtig: Sterilraum ist teuer, bei der Integration in Isolatoren ist der Platz daher auf das Nötigste beschränkt. Beim Öffnen der Klappe des Gefriertrockners muss das Alus auch bei einer festen Integration in eine Produktionslinie zur Seite fahrbar sein.

Trotz relativ zeitunkritischer mechatronischer Abläufe realisiert GEA Lyophil die Alus mit Servotechnik, weil nur so eine ausreichende Prozesssicherheit erreichbar ist: Die exakte Programmierung sanfter Beschleunigungs- und Verzögerungsprofile verhindert, dass die Gefäße trotz vergleichsweise hoher Endgeschwindigkeit bei den Transfervorgängen umfallen.

Mobilität durch Ein-Stecker-Lösung
Zurzeit führt das Unternehmen eine neue Generation mobiler Alus ein, die sich einfacher als bisher an- und abkoppeln lassen. Michael Groth nennt den Vorteil: „Die neuen Alus können zum Verschieben durch Ziehen und Aufstecken eines einzigen Steckers sowohl elektrisch als auch steuerungstechnisch vom stationären Schaltschrank ab- und wieder angekoppelt werden.“ Bereits länger hatte Groth nach technologisch praktizierbaren Lösungen Ausschau gehalten, um mobile Alus „an der langen Leine“ laufen zu lassen. Es erfolgten auch Versuche mit Schleppketten, die jedoch die Erwartungen nicht erfüllten.

Dann wurde er auf die Pacdrive-Systeme von Schneider Electric aufmerksam. Diese arbeiten nicht mit Servotechnik und Reglerbaugruppen in Schaltschrankausführung, sondern mit integrierten Servoantrieben der Lexium-ILM62-Baureihe. Neben den Antrieben mit integrierter Reglerelektronik besteht die Komplettlösung aus einer zentralen Stromversorgung für alle Servoantriebe einer Maschine und einem flexiblen Vernetzungskonzept zur Anbindung an die zentrale Stromversorgung und die Steuerung.

Die Vernetzung besteht aus Verteilerboxen und beidseitig steckbaren Hybridkabeln für die Anbindung jedes Antriebs an die Leistungsversorgung und die Datenkommunikation via Sercos: Der Bus wird – vom Pacdrive-Controller kommend – in der zentralen Stromversorgung zusammen mit der Leistungsversorgung der Antriebe und dem Motor-Feedback-Signal über ein Koppelmodul mit einem Hybridkabel vom Schaltschrank bis zur ersten Verteilerbox in der Maschine geführt. Von dort verteilt sich das Hybridkabel in Baum- oder Linienstrukturen bis zu allen Servoantrieben. Auch serielle Daisy-Chain-Topologien ohne Verteilerboxen sind möglich.

Hybridkabel führt alle Signale und Versorgungsleistung
Durch das Hybridkabel ist der Sercos-Bus an jedem Antrieb verfügbar. Ein Zusatz-Modul an der Regler-Elektronik des Motors erlaubt es, den Bus auszukoppeln, um über M8-Standardanschlüsse I/Os in die Sercos-Kommunikation einzubinden. Somit stellt ein einziges Verbindungskabel zwischen stationärem Schaltschrank und Maschine alles bereit, was für Steuerung und Antriebstechnik der Maschine erforderlich ist: Antriebs- und I/O-Kommunikation über Sercos, eine Motor-Feedback-Signalleitung sowie die Leistungsversorgung für die Antriebe.

Das Projekt begann bei GEA Lyophil ursprünglich als Diplomarbeit: Schneider Electric stellte GEA-Mitarbeiterin Anne Gerlach ein Starter-Kit zur Verfügung, um mit der Pacdrive-Technologie die projektierte Lösung aufzubauen. Gerlach kam mit der Motion Control-Technologie schnell zurecht und blickt zurück: „Die Inbetriebnahme der Antriebe erwies sich als unproblematisch“. Das von ihr realisierte Projekt überzeugte, und Michael Groth bestätigt: „Die Möglichkeiten, die Versorgung einer ganzen Maschineneinheit auf ein einziges Kabel zu reduzieren, konnte zumindest zum Zeitpunkt der Entscheidung kein anderes Unternehmen in dieser Form anbieten.“

Einbindung von Fremdantrieben ohne Systembruch
Die Automatisierungsarchitektur des neuen Alus umfasst einen Motion Controller PacDrive LMC400 Logic, der über Sercos mit den insgesamt sechs Servoantrieben kommuniziert. Soweit möglich, verwendet Groth integrierte Servoantriebe der Lexium-ILM-62-Reihe. Das zentrale Netzteil speist neben den vier ILM62-Antrieben auch einen so genannten Double Drive des Typs Lexium LXM 62. Bei dieser Serie handelt es sich um klassische Servoregler in Schaltschrankausführung, über einen Schiebemechanismus zum Kontaktieren bei der Reihenmontage ebenfalls gespeist von der zentralisierten Stromversorgung.

Der Double Drive steuert zwei Third-Party-Spezialmotoren mit Hohlwelle an, die durch Kombination eines Servomotors mit einem Getriebe Vorteile hinsichtlich der Baugröße haben. Für das Einbinden der Drives in die Systemkommunikation auf Basis elektronischer Typenschilder erhielt GEA Lyophil entsprechende Parameter-Dateien zum Download in die Motoren. Daher verursachen die Fremdantriebe keinen Bruch in der Systemkommunikation, so dass die Diagnose-Mechanismen und -Meldungen von Pacdrive auch diese Antriebe mit einschließen.

 

Heftausgabe: November 2014
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Christian Hoepner, Kommunikation  Schneider Electric

Über den Autor

Christian Hoepner, Kommunikation Schneider Electric

Christian Hoepner, Kommunikation Schneider Electric

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