Platzwunder im Brownfield
Bei der Integration von automatisierten Prozessen in bestehende Produktionslinien stoßen Maschinenbauer oft an Grenzen: Die Anforderungen an die Funktionalität sind hoch und der verfügbare Bauraum klein. Vor dieser Herausforderung stand auch der Sondermaschinenbauer Nordfels bei der Entwicklung einer sehr speziellen Verpackungsapplikation. Die passende Lösung fand sich im MX-System von Beckhoff und im dadurch möglichen Wechsel zur hybriden Architektur: Antriebsregelung und 48-V-Versorgung sind jetzt dezentral genau dort positioniert, wo die Bewegung stattfindet, während sich das Volumen des Schaltschranks – und damit auch die Abmessungen der Anlage – entsprechend reduzierten.
Das oberösterreichische Bad Leonfelden ist bekannt für seine Heilquellen und den Kurbetrieb, dessen Tradition bis ins 17. Jahrhundert zurückreichen. Immer bekannter wird der Ort aber auch für leistungsfähige Maschinenbaulösungen. Dafür sorgt das lokal ansässige Unternehmen Nordfels, das sich als Technologiepartner für komplexe Automatisierungsaufgaben positioniert und auf modernste Technologien setzt.
Nordfels bedient ein breites Spektrum an Branchen – von der Aluminium- und Stahlbearbeitung über die Lebensmittel- und Pharmaindustrie bis hin zu Automotive und Packaging. „Unsere Kunden kommen aus vielen Bereichen, haben aber zwei Dinge gemein: Sie sind überwiegend in der Region ansässig und setzen auf präzise Produktionsprozesse mit höchsten Automatisierungsansprüchen“, erklärt Bernhard Hartl, Leiter Automation bei Nordfels. Darauf aufbauend wurde eine hohe Transferkompetenz entwickelt. „So können wir die Technologien der Automatisierung gut auf die jeweiligen Industriezweige übertragen“, ergänzt Matthias Mitterlehner, verantwortlich für Elektrokonstruktion und Schaltschrankplanung. „Die Technik von Beckhoff zieht sich dabei wie ein roter Faden quer durch alle Applikationsbereiche. Wir können uns auf einen Automatisierungspartner konzentrieren und sind entsprechend gut mit dem Portfolio vertraut, was die Lösungsfindung in der Regel beschleunigt.“
Mit rund 85 Mitarbeitenden testet Nordfels immer wieder die Grenzen im Maschinenbau aus. „Wir wollen in Sachen Automatisierung ganz vorne mitspielen“, betont Bernhard Hartl. Das zeigt sich etwa in der Kombination neuer Technologien oder dem Einsatz künstlicher Intelligenz – das erste KI-System in einer Produktionsmaschine lieferte das Unternehmen bereits 2020 aus. Dem Selbstverständnis nach ist Nordfels längst nicht mehr nur Maschinenbauer, sondern genauso Software-Schmiede für anspruchsvolle Automatisierung.
Herausforderung Brownfield
Ein aktuelles Projekt für den Pulverlackhersteller TIGER Coatings demonstriert eindrucksvoll, wie neue Technologien die physikalischen Beschränkungen in Brownfield-Projekten überwinden können. Konkret ging es um einen automatisierten Kartonverschließer, der einen bislang manuellen Prozess ablösen sollte. Die Anlage übernimmt von einer Abfüllstation mit Pulverlack befüllte Säcke in Kartons und führt alle nachgelagerten Schritte vollautomatisch durch – vom Verschließen des Innensacks über das Verkleben des Kartons, Wiegen und Etikettieren bis zur Palettierung. „Verschiedene Stationen aus der Qualitätssicherung wurden ebenfalls eingebunden“, sagt Projektleiter Hannes Stöllner. „So etwa der sogenannte Pulverdieb, der im laufenden Verpackungsprozess Proben entnimmt, um den exakten Farbton jeder Pulverlack-Charge zu verifizieren.“ Die Ansprüche von TIGER waren hoch gesteckt: Gefordert waren eine durchgängige Vernetzung und Echtzeit-Datenübertragung, hohe Modularität sowie adaptive Prozesse inklusive intelligenter Qualitätssicherung und Cobot-Palettierung. Die neue Maschine muss zudem in eine bestehende Linie integriert werden, in der Platz extrem rar ist.
Um diesen Zielkonflikt aufzulösen, setzt Nordfels auf das MX-System von Beckhoff, den skalierbaren Baukasten für schaltschranklose Automatisierung. „Für uns eine ideale Basis, um in logischen Funktionsgruppen zu denken, und diese gekapselt in Hardware umzusetzen“, betont Matthias Mitterlehner. „Die Automatisierung wird dort platziert, wo sie in der Maschine stattfindet.“ Bei der Anlage für TIGER verfolgte Nordfels einen hybriden Ansatz. Die Maschine verfügt zwar noch über einen Schaltschrank, dessen Dimensionen konnten jedoch im Vergleich zu einer konventionellen Lösung mehr als halbiert werden. Die gesamte Antriebsregelung sowie die 48-V-Spannungsversorgung wanderten aus dem Schaltschrank direkt an den Prozess. Technisch realisiert wurde dies durch zwei separate MX-System-Einheiten, je eine davon im Unter- und Oberbau des Kartonverschließers. Der untere Teil der Maschine übernimmt den Transport der Kartons, während im staubgeschützten oberen Teil die komplexe Mechatronik für den Verschluss von Innensack und Karton untergebracht ist.
Antriebstechnik dezentral gekapselt
Die zwei MX-Systeme fungieren in dieser Applikation als dezentrale Antriebseinheiten. Sie umfassen neben der Regelungstechnik auch Einspeisemodule, Netzteile sowie Bremswiderstände und I/Os. Die obere Baseplate versorgt zwölf Servoachsen, die z. B. Mehrachsportale antreiben. Im unteren Maschinenteil werden zehn weitere Achsen für die Fördertechnik und das Handling angesteuert. Nordfels nutzt zur Anbindung der Motoren konsequent die One Cable Automation (OCA), mit der Power, EtherCAT-Kommunikation und Feedback-Signale über eine Leitung und standardisierte Hybridsteckverbinder übertragen werden. Die Schnittstelle am Schaltschrank ist ebenfalls sehr schlank, denn die beiden MX-Systeme stellen jeweils nur einen Abnehmer für 400 V AC, 24 V DC und EtherCAT dar. Nahezu alle Achsen des Kartonverschließers werden von Motoren der Serie AM8000 bewegt, was ein homogenes Systemverhalten gewährleistet. „Wir haben sogar einige Pneumatik-Achsen durch Servoachsen ersetzt, weil TIGER als Endkunde sehr hohen Wert auf Energieeffizienz legt“, erklärt Hannes Stöllner. Auch die Sicherheitsarchitektur ist nahtlos integriert. Die erforderliche Safety-Funktionalität der Achsen wird direkt über das MX-System und FSoE bereitgestellt.
Der Blick auf die verbleibende Automatisierung im Schaltschrank zeigt: Als zentrale Maschinensteuerung kommt ein Embedded-PC CX5330 zum Einsatz. Ergänzend integrierte Nordfels einen Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 als Edge-Server. Dort laufen in einer virtualisierten Umgebung mit Container-Architektur Infrastrukturpakete, die Anlagenvisualisierung sowie weitere Softwarelösungen, etwa für die KI-basierte Qualitätssicherung. Die nahtlose Integration erfasster Daten in das übergeordnete ERP-System erfolgt via REST-API. Beckhoff liefert mit TwinCAT und EtherCAT-Klemmen alle notwendigen Schnittstellen für die horizontale und vertikale Integration – von EtherCAT und PROFINET über IO-Link bis zu OPC UA. Als HMI ist an der Maschine ein Control Panel CP39xx in Tragarmausführung verbaut.
Technologie als Wettbewerbsvorteil
Für Nordfels war der Einsatz des MX-Systems nicht nur eine technische, sondern auch eine strategische Entscheidung. „Durch den hohen Anspruch an die eigenen Automatisierungslösungen sind wir immer zur Stelle, wenn es neue Technologien bei Beckhoff gibt“, sagt Bernhard Hartl. Da das MX-System zum Projektzeitpunkt eine noch junge Lösung war, arbeitete Nordfels eng mit den Beckhoff Experten zusammen. Die Konfiguration erfolgte über den MX-System Designer, über den sich auch Stücklisten, CAD-Daten und EPLAN-Makros generieren lassen. „Anpassungen, die im späteren Verlauf noch dazu kamen, ließen sich mit diesem Tool schnell umsetzen“, bestätigt Thomas Oberreiter, Produktspezialist für das MX-System bei Beckhoff in Österreich. Künftig steht das Tool webbasiert zur Verfügung, sodass Anwender ihre dezentrale Lösung inklusive Systemkonfiguration für TwinCAT eigenständig planen können. „Damit reduziert sich der Planungs- und Projektierungsaufwand drastisch“, so Thomas Oberreiter. Ein entscheidender Vorteil für die Software-Entwickler bei Nordfels: Die Projektierung in TwinCAT bleibt identisch, unabhängig davon, ob die Hardware im Schaltschrank oder als MX-System ausgeführt ist. Diese Durchgängigkeit unterstreicht, dass die Koexistenz von klassischem Schaltschrank und MX-System kein untypisches Szenario ist, sondern als Anwendungsfall die Vorteile beider Welten gezielt und ohne zusätzlichen Engineering-Aufwand kombiniert.
Blaupause für die Zukunft
Der Kartonverschließer bei TIGER Coatings zeigt, dass dezentrale Automatisierung viele Probleme im Maschinenbau lösen kann. Die Investitionskosten lagen im Vergleich zu einer konventionellen Lösung auf gleichem Niveau. Doch der Mehrwert für den Endanwender ist immens: deutliche Platzeinsparung, robustes Design ohne anfällige Klimatisierung, hohe Energieeffizienz und vereinfachte Instandhaltung.
„Auch bei anderen Applikationen wollen wir künftig – soweit technisch und wirtschaftlich sinnvoll – auf dezentrale Architekturen setzen“, resümiert Matthias Mitterlehner. Beim Kartonverschließer evaluiert Nordfels bereits den nächsten Schritt: Die vollständige Umsetzung der Automatisierung im MX-System – inklusive Edge-Server. „Aus unserer Sicht ist die komplett schaltschranklose Maschine sehr spannend. Das ziehen wir natürlich in Erwägung“, blickt Bernhard Hartl voraus. „Unser Ziel ist es, weiterhin linear zu wachsen und so werden wir neue Technologien gemäß unseres Erfolgsrezepts auch künftig möglichst früh aufgreifen. Mit seiner außergewöhnlichen Innovationskultur ist Beckhoff dafür der perfekte Partner.“
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