Flexible Dosiersteuerung für alle Fälle

Medikamente, Klebstoffe, Lötpaste oder Mayonnaise?

Medien verschiedenster Viskositäten exakt nach konkreten Vorgaben zu dosieren, ist eine Aufgabe, die in den unterschiedlichsten Industriebereichen erfüllt werden muss. Je nach hergestelltem Produkt ist die genaue Dosierung relevant für die zuverlässige Funktion sowie die Sicherheit der Anwender oder wirtschaftliche Gründe erfordern eine hohe Präzision. Nicht selten spielen mehrere der Faktoren gleichzeitig eine wichtige Rolle. In jedem Fall muss ein Dosiersystem, das aus Pumpe, Antrieb und Dosiersteuerung besteht, exakt auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sein. Das ist meistens sehr aufwendig. Nun erleichtert eine praxiserprobte, modulare Universallösung die Systementwicklung, denn sie lässt sich durch Feldbustechnologie einfach an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.

Zuverlässig dosiert werden muss in der Lebensmittelindustrie ebenso wie bei der Herstellung und Verpackung von Medikamenten. Aber auch beim Aufbringen von Klebstoffen, Lötpasten oder Dichtungsmitteln sowie beim Austragen von Vergussmassen entscheidet die richtige Dosierung über die Qualität von Produkten, sei es in der Elektronik-, in der Automobil- oder der Konsumgüter-Fertigung. In manchen Anwendungsfällen gilt es beim Dosieren mehrere Komponenten exakt miteinander zu vermischen. Knifflig wird es, wenn kleinste Mengen hochgenau dosiert werden müssen. Schon minimales Nachtropfen kann hier das Ergebnis des Dosiervorgangs negativ beeinflussen.

Vom Spezialfall zur Universallösung

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

Die Automatisierungsexperten der Mattke AG mit Sitz in Freiburg haben bei der Entwicklung 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. 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 (Bild 3).

„Wir entkoppeln bei unserer Lösung
bewusst das „Gehirn“ vom Antrieb.
So haben die Anwender die freie Wahlbei
der eingesetzten Antriebstechnik und den Pumpen.“ 
Klaus Bütow, vorstand der Mattke AG

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 Freiburger auch Pumpen und Antriebe mit entsprechender ATEX-Zulassung an. Das Herzstück der Lösung ist dann natürlich die universelle Steuerung für den Pumpenantrieb.

Pumpensteuerung: Flexibel an den Anwendungsfall anpassen

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

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 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.“ 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.

Das Gehirn der Dosierlösung bildet also die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Diese besteht aus einem resistiven 4,3“ oder 7“ Touchscreen mit integrierter Steuerung (Bild 4). 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.“

Den Überblick behalten

Alle notwendigen Parameter unkompliziert eingeben: Bild Mattke

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 universell einsetzbare Dosiersteuerung kann bei der Anlagenentwicklung überall helfen, schneller zu einer zuverlässigen und genauen Dosierlösung zu gelangen.

 

 Mattke – Elektronik und Mechanik aus einer Hand

Klaus Bütow, Vorstand der Mattke AG. Bild: Mattke

Die Mattke AG ist ein mittelständisches Unternehmen, das seit seiner Gründung im Jahre 1965 in Freiburg im Breisgau dem Standort Baden und Deutschland verbunden ist. Elektronik und Mechanik aus einer Hand lautet das Motto, das das Unternehmen seit über 50 Jahren zum Erfolg führt und weltweit für zufriedene Kunden sorgt. Fast alle Automatisierungsaufgaben, von der einfachen Drehzahlregelung bis hin zur hochpräzisen Positionierung mit Linearantrieben lassen sich mit dem Lieferprogramm lösen, das eines der umfangreichsten in der Industrie ist. Die Spezialität der Freiburger Antriebsspezialisten sind innovative Projekte, die Hand in Hand mit dem Kunden entstehen. Sonderanfertigungen und Änderungen bestehender Systeme gehören dabei zum Alltag. Was nicht standardmäßig verfügbar ist, wird auf Wunsch von Mechanikern, Elektronik- oder Softwareingenieuren im Hause entwickelt oder kann aus dem Partnerprogramm bereitgestellt werden. Wo Standardkomponenten nicht mehr ausreichen, werden Sonderlösungen angeboten, vom Steuerungs- und Schaltschrankbau bis hin zum Vorrichtungs-, Apparate- und Sondermaschinenbau.

Autoren des Beitrags:

Dipl.-Wirt. Ing. (FH) Alex Homburg Redaktionsbüro Stutensee

Dipl.-Ing. (FH) Nora Crocoll Redaktionsbüro Stutensee

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