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Foto: Mattke
Eine mögliche Pumpen-Antriebs-Kombination für die universelle Dosiersteuerung.

Antriebs- und Steuerungstechnik

Feldbustechnologie macht die Dosiersteuerung flexibler

Ob Medikamente, Klebstoff, Lötpaste oder Mayonnaise – diese flexible Dosiersteuerung lässt sich durch Feldbustechnologie an viele Anwendungsfälle anpassen.

Das vorliegende Praxisbeispiel zeigt, wie eine modulare Universallösung die exakte Dosierung von Medien verschiedenster Viskositäten erleichtern kann und warum sich die Dosiersteuerung dank Feldbustechnologie noch flexibler integrieren lässt.

Wie es zu der Neuentwicklung kam: In manchen Anwendungsfällen gilt es, beim Dosieren mehrere Komponenten exakt miteinander zu vermischen. Besonders anspruchsvoll wird es, wenn kleinste Mengen hochgenau dosiert werden müssen. Denn schon minimales Nachtropfen kann hier das Ergebnis des Dosiervorgangs negativ beeinflussen. Die Automatisierungsexperten der Mattke AG mit Sitz in Freiburg haben bei der Entwicklung solch einer Mikrodosierlösung für einen namhaften deutschen Hersteller umfangreiches Know-how in der Mikrodosiertechnik erworben. Entwickelt wurde eine Steuerung zum präzisen Dosieren von Zweikomponenten-Flüssigkeiten. Dazu galt es einzelne Anlagenkomponenten sehr gezielt anzusteuern, um das Mischungsverhältnis bis auf zwei Nachkommastellen genau einzustellen.

Vom kniffligen Spezialfall zur Universallösung

Klaus Bütow, Vorstand der Mattke AG erläutert: „Das exakte Dosieren sehr kleiner Mengen ist eine besonders herausfordernde Aufgabe. Abhängig von der Viskosität des zu dosierenden Stoffes, der Stofftemperatur, der Umgebungstemperatur und etlichen weiteren Parametern gilt es, zuverlässig zu dosieren und über einen exakt angepassten Rückzug ein Nachtropfen zu verhindern, bzw. den Fadenabriss aktiv zu gestalten.“

Dazu müssen Pumpe, Antrieb und Steuerung perfekt und reproduzierbar zusammenarbeiten, um vorgegebene Toleranzen einzuhalten und die notwendige Wiederholgenauigkeit zu gewährleisten. Hier haben die Freiburger lange geforscht und entwickelt, bis sie eine hochgenaue, zuverlässige Lösung finden konnten. Im vorliegenden Fall wurde ein eisenloser Glockenanker-Motor mit Getriebe und Inkrementalgeber verwendet, der sehr gute Rundlaufeigenschaften und gute Regelcharakteristiken bietet.

Nachdem sie den Prozess sicher im Griff hatten, wollten sie ihr Know-how mit einer modularen Universallösung einem breiten Feld von Anwendern zu Verfügung stellen. Aus allem angesammelten Wissen und Erfahrungen entstand nun ein neues Produkt: eine universell einsetzbare Dosierpumpensteuerung.

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Foto: Mattke Die flexibel einsetzbare Steuerung regelt das perfekte, reproduzierbare Zusammenspiel von Pumpe und Antrieb entsprechend der jeweiligen Rezepturen, um vorgegebene Toleranzen einzuhalten und die notwendige Wiederholgenauigkeit zu gewährleisten.

Dosiersteuerung flexibel an die Aufgabe anpassen

Bei Bedarf beraten heute die Automatisierungsexperten Anwender von Anfang an bei der Entwicklung von individuellen Dosierlösungen. Das heißt sie stehen schon bei der Auswahl der für die Anwendung passenden Pumpe zur Seite. Fördermengen, Viskosität, geforderte Geschwindigkeiten und vieles mehr sind hier entscheidende Kriterien. Dann ist ein geeigneter Antrieb gefragt. Hier haben die Freiburger in ihrem eigenen Sortiment eine große Auswahl an Gleichstrom- oder bürstenlosen Servoantrieben von wenigen Watt bis hin zu mehreren 100 kW oder auch Lösungen mit Frequenzumrichtern und Asynchronmotoren werden angeboten.

Da Dosierlösungen oft auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, bieten die Spezialisten auch Pumpen und Antriebe mit entsprechender ATEX-Zulassung an. Das Herzstück der Lösung ist dann natürlich die universelle Steuerung für den Pumpenantrieb.

Mehrere Komponenten beim Dosieren mischen

Um die Steuerung an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen, muss man in der zugehörigen Software angeben, welche Pumpe eingesetzt wird. Eine weitere relevante Angabe ist die benötigte Fördermenge in Volumen oder Gewicht. Daraus berechnet die Steuerung dann automatisch die für den Dosiervorgang notwendigen Parameter.

Die neue Dosiersteuerung bietet drei Betriebsarten: Dosieren nach Zeit, Dosieren nach Mengen – also Volumen oder Masse – und Dosieren im Start/Stopp-Betrieb. Bütow ergänzt: „Wir haben in der Steuerungslogik auch verschiedene Tricks und Kniffe abgebildet, die für das Dosieren unterschiedlichster Stoffe relevant sind. Diese stehen Anwendern nun einfach zum Abruf bereit. Zudem sieht die Steuerung auch die Möglichkeit vor, mehrere Komponenten beim Dosieren miteinander zu mischen. Bei Klebstoffen oder Vergussmassen wird das beispielsweise immer wieder angefragt.“

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Foto: Mattke Alle notwendigen Parameter lassen sich unkompliziert eingeben.

Das Dosieren von Mehrkomponentenstoffen ist auch im Master-Slave-Verfahren möglich. Dazu muss in der Steuerung das Mischungsverhältnis basierend auf den jeweiligen Medien eingegeben werden. Beide Pumpenantriebe laufen dann synchron wie bei einem elektronischen Getriebe und bringen automatisch die richtige Gesamtmenge aus. Um eine maximale Dosiergenauigkeit zu ermöglichen, lässt sich auch der Rückzug am Dosierende flexibel an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.

Warum Feldbus-Technologie?

Das Gehirn der Dosierlösung bildet also die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Diese besteht aus einem resistiven 4,3“ oder 7“ Touchscreen mit integrierter Steuerung. Alternativ gibt es eine Steuerung, die sich auf der Hutschiene montieren lässt. Letztere wird kombiniert mit einem HMI (Human Machine Interface) dessen Größe der Anwender frei wählen kann. Zur Visualisierung wird dann HTML5 über den eingebaute Webserver genutzt. Sowohl in der Touchscreen- als auch in der Hutschienenvariante wird jeweils pro Dosiereinheit eine Softwarelizenz mitgeliefert. Bütow erklärt: „Durch den Einsatz von Feldbus-Technologie entkoppeln wir bei unsrer Lösung bewusst das „Gehirn“ von den Aktoren. So haben die Anwender die freie Wahl bei der eingesetzten Antriebstechnik und den Pumpen und sind auch mit der SPS flexibel.“

Dank internem Speicher den Überblick behalten

Damit sich die Steuerung kommunikativ voll in eine Automatisierungslösung integrieren lässt, ist sie mit verschiedenen Schnittstellen ausgestattet: Ethernet, Ethercat, CAN Bus, RS232, RS485 sowie vier digitale Ein- bzw. Ausgänge, vier analoge Eingänge und zwei differenzielle Eingänge. Bütow ergänzt: „Dank der verschiedenen Schnittstellen kann die Steuerung mit einer Mikro-Zahnringpumpe in der Medizintechnik genauso wie mit einer Förderschneckenpumpe zum Abfüllen von Tomatenketchup verbunden werden.“

Um die Dosierlösung flexibel an unterschiedliche Anwendungen anzupassen, werden in der Steuerung die jeweiligen Rezepturen  im internen Speicher hinterlegt. Damit diese nur von Maschinenbedienern mit Berechtigung angelegt oder verändert werden können, hat die Steuerung eine Benutzerverwaltung mit Passwortschutz. Damit diese jeweils nur Mitarbeiten mit den entsprechenden Berechtigungen anlegen oder Parameter verändern, ist eine Benutzerverwaltung mit Passwortschutz hinterlegt. Sie teilt Anwendern die für ihre jeweilige Aufgabe notwendigen Berechtigungen zu.

Ob Klebstoffe in kleinsten Mengen in der Handyproduktion, Dichtungsschäume oder Injektionslösungen, Gele, pastöse Cremes in der Pharmaindustrie dosiert abgegeben werden müssen, oder ob Teig, Wurstbrät oder Mayonnaise in exakten Mengen abgefüllt werden soll – die von Mattke entwickelte universell einsetzbare Dosiersteuerung kann bei der Anlagenentwicklung helfen, schneller zu einer zuverlässigen und genauen Dosierlösung zu gelangen.

Nora Crocoll und Alex Homburg

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Foto: Mattke Klaus Bütow, Vorstand der Mattke AG erklärt zur Feldbustechnologie: „Wir entkoppeln bei unserer Lösung bewusst das „Gehirn“ vom Antrieb. So haben die Anwender die freie Wahl bei der eingesetzten Antriebstechnik und den Pumpen.“
Foto: Mitsubishi Electric Europe

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