CITplus - Lebensmittel, Pharmazeutika oder Chemikalien in flüssiger Form zu verpacken heißt auch, diese Medien vorher sehr genau und reproduzierbar abzufüllen. Hochautomatisierte Füllmaschinen, oft auch kombiniert mit einer Verpackungsmaschine, sind im produktiven Umfeld dafür verantwortlich, diese Medien mit der passenden Menge in die dafür vorgesehenen Behälter, zu dosieren. Wie Maschinenbauer und Endkunden durch eine Migration von Kolbenfüller auf durchflussbasierte Messtechnik profitieren können, zeigt dieser Beitrag.

Die Anforderungen an diese Füllmaschinen sind nicht nur aufgrund der gesetzlichen Regularien als relativ hoch einzustufen. Vor allem aber die Auslegung solch einer Maschine ist auf Grund der hohen Produktvielfalt mit den unterschiedlichsten Viskositäten für viele Maschinenbauer und Anwender eine Herausforderung. Die meisten Parameter, welche während des Abfüll-Vorgangs vorherrschen, sind vom Anwender nicht beeinflussbar. Dazu gehören Gasbestandteile, die Temperatur des Mediums, mögliche Feststoffanteile im abzufüllenden Produkt aber auch die schon erwähnte Viskosität.
Einfache Fehlerbeseitigungsmaßnahmen einer Maschinenstörung oder die Freiheit des Bedienpersonals, die Maschine auf wechselnde Produkte schnell anzupassen, sind weitere wichtige Aspekte welche die Verfügbarkeit und damit den Output der Produktionseinheit steigern.
Um es vorweg zu nehmen: Durch den Einsatz durchflussbasierter Messtechnik ist es schon jetzt möglich, die meisten flüssigbasierten Abfüllapplikationen, automatisierungstechnisch, in einer Maschine zu realisieren.
Es lässt sich heute ein Markttrend beobachten, dass sich mehr und mehr Endanwender und Lohnabfüller dafür entscheiden, ihre bereits bestehenden Abfüllmaschinen, bestückt mit konventioneller mechanischer Kolbenfüllertechnik, durch durchflussbasierte Messtechnik zu ersetzen. Diese Entscheidung resultiert in der primär höheren Flexibilität, die sich durch den Einsatz solch innovativer Abfüllkonzepte über den gesamten Maschinen-Lebenszyklus ergibt.
Im Bereich leitender, flüssiger und leicht pastöser Medien wird präferiert auf volumetrische Durchflussmessung während des Abfüllvorgangs zurückgegriffen. Kann auf Grund des nicht ausreichend elektrisch leitenden Mediums ein magnetisch induktiver Durchflussmesser nicht eingesetzt werden, so ist oftmals ein direktes Durchfluss-Massemessgerät eine mögliche Option.

Automatisierungspaket für ­Abfüllmaschinen
Mit der „Filling and Dosing Solution" offeriert Endress+Hauser ein vorkonfektioniertes Automatisierungspaket für neue und bestehende Abfüllanlagen. Durch das modulare Konzept ist es gelungen, Abfüllmaschinen mit Kolbenfüllertechnik durchgängig auf durchflussbasierte Messtechnik umzurüsten. Maschinenbauer und Betreiber profitieren beide gleichermaßen von der hohen Intelligenz, welche die Abfülleinheit gepaart mit der Mess- und Ventiltechnik zur Verfügung stellt.
So ist es mitunter gängige Praxis sich über eine Fernzugriffsverbindung, „remote" auf die SPS oder die Prozessvisualisierung zu schalten. Damit kann der „Maschinenfahrer" aktiv von der Ferne aus von einem Spezialisten unterstützt werden, falls es zu erweiterten Supportanforderungen kommt.
Ein sogenanntes „Remote Access Bundle" wird in Kombination mit der Endress+Hauser „Filling and Dosing Solution" ebenfalls mit angeboten. Zentrale Komponente bildet hier ein Remote Access Gateway, welches maschinennah installiert ist. So kann losgelöst von der IT-Infrastruktur des Kunden, über einen separaten VPN Tunnel via Ethernet oder via UMTS/GPRS über gängige Mobilfunkanbieter, eine Direktverbindung auf die Abfüllsteuerung hergestellt werden.
Sind beispielsweise noch zusätzlich HART oder Profibus basierte Feldgeräte im Drucküberwachungskreis oder im Vorlagebehälter installiert, ist selbst ein Dritter von außen aus der Ferne in der Lage bei diesen „intelligenten Assets", eine Diagnose oder Parametrierung vorzunehmen.

Integration
Bisher sind wir näher auf die messtechnischen Belange der Endress+Hauser „Filling and Dosing Solution" eingegangen, doch steht und fällt die Reproduzierbarkeit und Performance jeder Abfüll-Linie mit der Integration des Gesamtsystems und dessen Ablauflogik in die SPS.
Das korrekte Zusammenspiel zwischen Sensorik und Aktorik in diesem System ist von essentieller Bedeutung. Erst aber durch die vollumfängliche Integration dieser Assets (hier: Messgeräte, Ventile) in eine leistungsfähige Steuerung, kann das gesamte Potential der Abfüll/Dosiereinheit in der Maschine, voll ausgeschöpft werden.
Eine Rockwell Automation Steuerung aus der Compact Logix Familie, zeichnet sich verantwortlich für die Erfassung der schnellen Eingangsimpulse kommend von den Messgeräten und steuert über entsprechende Algorithmen die komplette Steuerung und Regelung der Ventile in jeder einzelnen Fülllinie.
So ist z. B. ein sich selbst optimierender Regelalgorithmus in der SPS während des Dosiervorgangs in der Lage, kleinste Abweichungen des Ist-Abfüllwertes vom Sollabfüllwert, automatisch auf ein Minimum zu reduzieren. Zusätzlich patentierte Funktionen in der Steuerung wie die Nachlaufmengenkorrektur und auch die kontinuierliche Überwachung der Ventile und Durchflussgeräte sorgen für ein Höchstmaß an Reproduzierbarkeit.

„Filling and Dosing Solution" Facts

• Modulares Abfüll-Konzept basiert auf Durchflussmessung
• Für klein bis mittelgrosse Rund und Geradläufer bis 48 Füllköpfe
• Inklusive SPS, SCADA Einheit
• Offen für sämtliche etablierte Kommunikationsschnittstellen
• Rezeptverwaltung + Batchdatenerfassung
• Automatische Überwachung und Optimierung der Füll-Linien
• Anpassung der Abfüllzeiten
• Integrierte Druck- und Füllstandsregelung
• Intelligente offset und Nachlaufmengenkorrektur
• CIP/SIP Betriebsartumschaltung

Die Reproduzierbarkeit ist ein entscheidender Performanceindikator, der für Endanwender von höchster Priorität ist. Mit der Beeinflussung eines der wichtigsten Parameter aus dem Applikationsumfeld während der Abfüllung, nämlich dem „Druck", kann ein Optimum an Wiederholbarkeit erreicht werden.
Konstanter Druck bedeutet konstante lineare Verhältnisse in der Abfüll-Linie, so zumindest die Theorie. Dies wirkt sich natürlich positiv auf den gesamten Regelkreis aus. Deswegen sollte der Druck in der Praxis nicht mehr als fünf Prozent vom Sollwert abweichen. Um genau diese konstanten Druckverhältnisse sicherzustellen, wird im vorgelagerten Versorgungskreis über den die Abfüll-Linien mit Medium beaufschlagt werden, intelligente Sensorik und Aktorik verbaut. Die Berücksichtigung dieser Eingangs und Ausgangsgrößen in z. B. einem Vorlagebehälter ist ebenso Bestandteil des Automatisierungspaketes von Endress+Hauser.
Für viele Maschinenbauer ist die einfache Integration einer unterlagerten paketierten Automatisierungslösung (was die Filling and Dosing Solution von Endress+Hauser darstellt), in ihre übergeordnete Maschinensteuerung, von höchster Priorität. So kann von der Kommunikationsseite, die Abfülleinheit über standardisierte digitale Schnittstellen in die bereits bestehende Maschine integriert werden. Alle gängigen Protokolle im Automatisierungsumfeld wie EtherNet/IP, Profibus DP/PA, Modbus TCP, HART, WirelessHART und Binärsignale, werden hier unterstützt.
Eine Investition in das vorgestellte Lösungspaket macht sich auf der Grundlage einer Optimierung von älteren Abfüllmaschinen teilweise schon nach wenigen Monaten bezahlt. Viele Maschinenbauer und Endkunden haben durch eine Migration von Kolbenfüller auf durchflussbasierte Messtechnik stark profitiert.