Wie appliziert man bei einem kontinierlichen Produktstrom Tomatensauce auf einem Pizzarohling oder Knoblauchpaste auf einem Pitabrot? Und wie lassen sich Kekse blitzschnell weihnachtlich oder österlich dekorieren? Das niederländische Unternehmen Foodjet hat für solche Herausforderungen verschiedene Dosiersysteme entwickelt. Für die notwendige Präzision und Schnelligkeit sorgt PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff.
Um Pizzateig am laufenden Band mit einer perfekten Schicht Tomatensauce zu überziehen oder Donuts mit zur Jahreszeit passenden Bildern zu verzieren, bedarf es hoch entwickelter Dosiersysteme mit präziser Steuerungstechnik. Foodjet aus dem niederländischen Nijmegen bietet dafür verschiedene Lösungen an, beispielsweise den Moveable Depositor Large (MDL). „Der Vorteil bei unserer Dosiereinheit MDL ist, dass sich das Muster flexibel an die Produktgeometrien anpassen lässt“, sagt Dirk Schindler, Marketing- und Vertriebsleiter bei Foodjet. „Da der Rand der Pizza oder anderer Produkte frei von Sauce bleiben soll, muss jeder Teigrohling auf dem Fließband präzise gescannt werden, sodass der Druckkopf die Sauce richtig platziert“, führt Schindler aus. „Dabei darf der Durchsatz der Anlage nicht beeinträchtigt werden.“
Unbeliebte Handarbeit eliminiert
„Mit dem MDL therapieren wir auch einen Schmerztrigger unserer Kunden“, betont Schindler. Denn trotz aller Automatisierung stehen noch häufig Mitarbeiter am Fließband und verteilen die Soße mit einem Löffel auf den Teigrohlingen: „Das ist stressig, unpräzise und es gibt Gewichtsschwankungen.“
Dieser Kostenblock lässt sich relativ leicht quantifizieren. Bei der Applizierung von Dekorationen sind die ROI-Kalkulationen komplizierter: Wie viel trägt eine Dekoration zu den Verkaufszahlen bei? Lassen sich damit Marktanteile gewinnen? „Wahrscheinlich ja“, bekommt Schindler immer wieder zu hören. Die ersten Hersteller können ihre Produkte bereits flexibel dekorieren, z. B. mit einem Stern zu Weihnachten oder einem Herz zum Valentinstag, andere werden bald folgen. Die damit einhergehende technische Herausforderung konnte Foodjet mit dem Steuerungssystem PC-based Control von Beckhoff meistern.
Um mit der hohen Geschwindigkeit beispielsweise einer Pizzaproduktionslinie Schritt halten zu können, müssen die Maschinen die Dosiermuster blitzschnell ermitteln. Bei einem typischen Abstand von 85 cm zwischen dem Kamerasystem und den Dosierköpfen bleibt für die Berechnung lediglich eine halbe Sekunde Zeit. „Die Pizza muss von der Kamera in einem Frame erfasst werden“, konkretisiert Foodjet-Steuerungstechniker Ed de Leur. Nur wenn der Pizzarohling komplett gescannt ist, kann man ein Muster erzeugen, die einzelnen Punkte für den Druckkopf berechnen und alles mit dem Förderband synchronisieren.
48 Dosierköpfe µs-genau ansteuern
Die zweite Herausforderung liegt in der hohen Wiederholgenauigkeit. „Wir arbeiten mit einer Servopumpe, um genau im richtigen Moment die benötigte Menge an Sauce durch die Düsen drücken zu können“, sagt de Leur. Dabei geht es um wenige Milliliter je Düse, deren präzise Ansteuerung die Form der Tröpfchen entscheidend beeinflusst – und damit auch, wie sauber die Sauce verteilt wird. „Mit der im MDL integrierten Steuerung schaffen wir das mit
einer Genauigkeit von 20 µs“, präzisiert er.
Zusätzlich ist die Anordnung der Druckköpfe zu beachten: Bis zu 48 Köpfe sind in mehreren Reihen versetzt zueinander und zudem schräg zur Laufrichtung des Förderbands positioniert. Das kommt zwar der Auflösung zugute, weil es den effektiven Abstand zwischen den Düsen verringert.
Allerdings müssen die vorderen Düsen viel früher mit der Arbeit beginnen als die hinteren Reihen. Die Konsequenz: „Wir müssen jede Düse einzeln ansteuern und trotzdem sicherstellen, dass jede die gleiche Menge an Sauce dosiert“, so de Leur.
Softwarefunktionalität statt Mechanik
„Wir sehen oft, dass sich Produzenten alle möglichen Tricks einfallen lassen, um die Rohlinge in ordentlichen Reihen auf dem Förderband anzuordnen“, so Dirk Schindler. Beim Einsatz eines MDL fällt dieser Aufwand komplett weg, da Orientierung und Form des Teigs überhaupt keine Rolle spielen. Beim Erstellen der Rezeptur mit dem Foodjet Food Designer als Software muss lediglich der Abstand zwischen Sauce und Rand eines Rohlings parametriert werden. Danach verfügt das System über genug Daten, um jedes Produkt exakt auszulegen. Bei Bedarf können sogar Pizza und Baguettes willkürlich hintereinander auf dem Band laufen – sie werden dennoch korrekt belegt. Zudem erkennt der MDL beim Scannen bereits Rohlinge, die außerhalb der Spezifikation liegen, und kann diese unbelegt aussortieren.
Da die MDL-Anlagen die verschiedensten Muster am laufenden Band berechnen müssen, war für de Leur klar: „Die Steuerungstechnik muss von Beckhoff kommen. Ich kenne den Markt ziemlich gut, aber unsere Anwendung ist so speziell, dass man nicht viel Auswahl hat. Vorteile der Technik von Beckhoff sind die Rechenleistung und die Tatsache, dass man direkt auf dem Win-dows-Kern programmieren kann.“
Foodjet verwendet einen Embedded-PC CX2040 mit Intel-Core-i7-Quadcore-CPU. Die Hardware garantiert, dass die Berechnungen innerhalb von 150 µs abgeschlossen sind und ein Ergebnis über EtherCAT zur Verfügung steht. Das Befüllen der Puffer in den Druckköpfen dauert etwas länger. Und für die Fahraufträge, die die Servopumpen steuern, veranschlagt de Leur 500 µs. Hinzu kommen die regulären Maschinenaufgaben, das HMI, die Safety-Funktionen und die Druckmessungen, für die 50 ms Zykluszeit ausreichen. Ed de Leur ist sehr zufrieden mit der Wahlfreiheit, die die Beckhoff-Plattform bietet: „Es gibt eine große Auswahl an I/Os, nicht nur die Standard-Klemmen für Ventile oder Pumpen, sondern auch sehr spezifische Ausführungen.“
Beim HMI entschied sich Foodjet für die Visualisierung in C# in einer Windows-Umgebung. Der Vorteil bei PC-based Control ist, dass auch diese Anwendung auf dem gleichen Rechner läuft – trotz der harten Echtzeitanforderungen, die die Dosierköpfe erfordern. Denn das HMI läuft auf einem anderen CPU-Kern. „Die Freiheit, die man als Softwareentwickler hat, verschiedene Anwendungen auf der gleichen Hardware zu haben, ist eine weitere Stärke von PC-based Control“, so de Leur. Der Automatisierungsspezialist lobt auch die Zusammenarbeit mit Beckhoff: „Ich bin ein typischer Software-Ingenieur, der einfach loslegt und versucht, die Dinge zu lösen.“ Die Vorlaufzeiten sind kurz und Probleme treten oft erst spät auf. Für de Leur ist es daher wichtig, schnell Antworten und Unterstützung zu bekommen. Beides erhält er in der Regel prompt.
Derzeit nutzt Foodjet noch einen separaten PC für das Bildverarbeitungssystem. Erklärtes Ziel ist allerdings, die Bildverarbeitung ebenfalls in die Beckhoff-Plattform zu integrieren. Der Grund: Das Timing zwischen den beiden Systemen kann ziemlich kompliziert sein.
Von vollflächig zu filigran
„Als nächster Schritt soll die MDL-Technologie auch für die Dekoration von Lebensmittelprodukten genutzt werden. Dann geht es um andere Geschwindigkeiten, andere Auflösungen und andere Mengen an Output“, führt Schindler aus. Foodjet hat bereits Maschinen für diesen Markt entwickelt, die aber auf PC-based Control umgestellt werden müssen. Das Ziel ist, nur noch eine einzige, generische Steuerungsplattform für alle Anwendungen und Branchen zu nutzen.
Ein weiteres Arbeitsfeld ist, verschiedene Saucen über zwei hintereinander platzierte MDL-Systeme zu kombinieren. Der erste MDL bringt die Tomatensauce auf, die zweite Einheit dann Ricotta, Bechamelsauce oder Olivenöl.
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG, Verl
Autor:
Jurjen Verhoeff,
Managing Director
Operations,
Beckhoff Niederlande
