Zastosowanie falowników w miejsce serwomechanizmów spowodowało obniżenie kosztu uniwersalnych maszyn do napełniania butelek. Napełniacze butelek i worków z elektroniczną regulacją poziomu napełnienia oferują istotne korzyści w porównaniu z maszynami regulowanymi ręcznie, jednak ich dotychczasowy, wysoki koszt ograniczył pole możliwego zastosowania. W najnowszych maszynach firmy IMSB falowniki firmy Eaton zastępują kosztowny system napełniania sterowany serwonapędami, dzięki czemu te nowatorskie maszyny są znacznie tańsze.
IMSB jest obecnie częścią Grupy Aetna, światowego lidera w dziedzinie projektowania i produkcji urządzeń pakujących. Grupa ta specjalizuje się w rozwiązaniach typu „end-of-line” (koniec linii produkcyjnej). Posiada siedem oddziałów na całym świecie oraz sześć zakładów produkcyjnych, w tym jeden w Brazylii, gdzie produkowane są urządzenia IMSB. Grupa Aetna jest obecna w ponad 120 krajach co daje możliwość bezpośredniego kontaktu z klientami niezależnie od lokalizacji, a także opracowywaniem rozwiązań dostosowanych do indywidualnych potrzeb, które rzetelnie spełnią wymagania w dobrej cenie.
Firma IMSB specjalizuje się w projektowaniu i produkcji urządzeń, które obejmują urządzenia do płukania, napełniania i zamykania butelek. Oprócz produktów standardowych, oferuje również rozwiązania dostosowane do indywidualnych potrzeb klientów z branży spożywczej, farmaceutycznej, opieki domowej i innych.
Automatyzacja w przystępnej cenie
Ze względu na często wprowadzane zmiany rozmiarów i formatów opakowań, elastyczność staje się coraz bardziej kluczowym wymogiem dla urządzeń produkcyjnych. W przypadku maszyn do napełniania butelek, takich jak produkowane przez IMSB, użytkownicy końcowi chcą mieć możliwość szybkiej i wygodnej zmiany poziomu napełnienia w celu jej dostosowania do różnych rozmiarów butelek.
Maszyny z ręczną regulacją pozwalają na takie zmiany, jednak ustawienie nowego poziomu napełnienia może zająć nawet godzinę, co w nowoczesnych, szybkozmiennych procesach technologicznych jest nie do zaakceptowania. Elektroniczna regulacja stanowi rozwiązanie tego problemu, jednak do tej pory konieczne było stosowanie kosztownych systemów opartych o serwonapędy tak, aby uzyskać wymaganą dokładność bez negatywnego wpływu na wydajność maszyny.
Firma IMSB zauważyła na rynku zainteresowanie maszynami napełniającymi z elektroniczną regulacją poziomu, o ile ich koszty zostaną zbliżone do kosztów maszyn z sterowaniem ręcznym. Wyzwaniem było zatem opracowanie innowacyjnego systemu, które umożliwiłby takie rozwiązanie.
Przejście od serwonapędów do falowników
W systemie napełniania butelek firmy IMSB, poziom płynu dozowanego do każdej butelki a także natężenie przepływu jest kontrolowane przez system zaworów krzywkowych, jak pokazano na zdjęciu. Krzywka musi obrócić się do dokładnie określonego położenia w przypadku każdej napełnianej butelki, a następnie powrócić do pozycji spoczynkowej zanim następna butelka dotrze do stacji napełniania. W przeszłości uważano, że jedynym sposobem pozycjonowania krzywki z odpowiednią szybkością i dokładnością przy tego typu wymagających aplikacjach jest użycie serwomechanizmu i związanego z nim układu napędowego.
Kiedy inżynierowie techniki napędowej firmy Eaton zapoznali się z tym układem, w porozumieniu z zespołem IMSB szukającym bardziej opłacalnego rozwiązania, dokładnie przeanalizowali istniejące wymagania. Na podstawie przeprowadzonej analizy zaproponowano zastosowanie wysokowydajnego przemiennika częstotliwości PowerXL DA1 do sterowania krzywką, w połączeniu z optycznym enkoderem do ciągłego i precyzyjnego monitorowania jej położenia. Wybrano falownik serii DA1, ponieważ posiada wbudowane, zaawansowane algorytmy sterowania wektorowego, dzięki czemu jest w stanie zapewnić szybką reakcję i wymagany wysoki poziom dokładności.
Celem ułatwienia użytkownikowi końcowemu obsługę systemu, rozwiązanie uzupełniono o panel operatorski Eaton XV100, który łączy funkcje kolorowego panelu dotykowego HMI ze sterownikiem programowalnym (PLC) w jednym, kompaktowym i konkurencyjnym cenowo urządzeniu. Maksymalne uproszczenie okablowania maszyny uzyskano poprzez doprowadzenie sygnałów z enkodera i innych czujników montowanych na maszynie do XV100 za pomocą stacji rozproszonych wejść/wyjść serii XI/ON. Moduł XI/ON używany w enkoderze jest modułem szybkiego licznika o maksymalnej szybkości liczenia 100 kHz spełniający wymagania tej aplikacji.
Opracowane przez firmę IMSB oprogramowanie dla XV100, przyjmuje intuicyjne podejście oparte o receptury. Oznacza to, że operatorzy maszyn za pomocą kolorowego ekranu dotykowego HMI, po prostu wybierają przepis odpowiadający rodzajowi i wielkości używanej butelki. Następnie sterownik XV100 automatycznie ustawia tryb pracy zaworu napełniającego oraz optymalną prędkość posuwu dla przenośników wprowadzających i wyprowadzających, z których każdy sterowany jest falownikiem PowerXL DC1 firmy Eaton. Obecny układ oferuje 15 receptur (przepisów), natomiast system sterowania umożliwia rozbudowę o znacznie większą liczbę receptur, jeśli zajdzie taka potrzeba.
Podczas operacji napełniania panel XV100 stale monitoruje informacje otrzymywane z enkodera i w połączeniu z informacjami zawartymi w wybranym przepisie, wykorzystuje do obliczenia sygnału prędkości referencyjnej falownika DA1. Celem zapewnienia wymaganej prędkości pracy, sygnał ten jest przesyłany do falownika poprzez magistralę CANopen, wraz z sygnałami startu i zatrzymania.
Obliczanie sygnałów sterujących odbywa się w panelu XV100 za pomocą specjalnego bloku funkcyjnego stworzonego z wykorzystaniem oprogramowania CoDeSys. Blok ten został napisany przez inżynierów z firmy IMSB, którzy dzięki wsparciu technicznemu ekspertów ds. oprogramowania z firmy Eaton zaznajomili się z środowiskiem CoDeSys przy okazji tworzenia innych projektów.
Niesamowita precyzja i powtarzalność
Wyniki osiągane przez nowy system były zachwycające. Dokładność napełniania oceniono na podstawie kontroli wagi każdej z butelek. Przy dłuższym okresie kontrolnym wykazano dokładność systemu powyżej 99,5%. Wielokrotne testy operacji napełniania z łatwością spełniły rygorystyczne wymagania powtarzalności i niezawodności stawiane przez firmę.
Wyniki te uzyskano przy kosztach znacznie niższych niż w przypadku serwonapędowego systemu napełniania zapewniającego podobną wydajność. Dla użytkowników końcowych oznacza to, że mają możliwość nabycia maszyny z elektroniczną regulacją poziomu napełniania w cenie zbliżonej do maszyny regulowanej ręcznie. Maszyna niemal natychmiast przełącza się między wielkościami butelek, pozwalając na znacznie bardziej elastyczne działanie i lepsze świadczenie usług klientom.
Osmar Vieira, kierownik produkcji odpowiedzialny za elektrotechnikę w firmie IMSB podsumował: „Kiedy korzystaliśmy z serwonapędów, koszt automatyzacji był po prostu zbyt wysoki dla wielu potencjalnych użytkowników naszych maszyn. Firma Eaton zaoferowała jednak kompletne rozwiązanie w zakresie automatyzacji i napędów, które naprawdę zaskoczyło nas wszystkich pod względem wydajności i stosunku jakości do ceny. Jesteśmy tak bardzo zadowoleni, że znormalizujemy rozwiązanie firmy Eaton dla wszystkich przyszłych procesów produkcji naszych maszyn do napełniania”.