Steuerungstechnische Basis für neuartige Wertstofftrennung
Kleine Klemme - großer Nutzen
Bei Recycling, Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit gibt es in puncto Automatisierung noch viel Spielraum. Das belegt eine vom belgischen Spezialmaschinenbauer Absolem Engineering realisierte Anlage. Deren neuartiges Konzept soll die Wertstofftrennung auf ein neues Niveau heben - was aber nur durch den Einsatz von moderner Steuerungstechnik und einer schnellen I/O-Klemme funktioniert.
Absolem Engineering bündelt seit 2016 die Expertise im Sondermaschinenbau und in Lasertechnik der ehemaligen Produktionsstätte von Philips im belgischen Turnhout. Die Aktivitäten des Unternehmens umfassen u. a. die Prozessforschung im Laserbereich und den Bau von Maschinen, bei denen Laser einen Mehrwert schaffen. So auch im Rahmen eines Projekts für Vito, einer unabhängigen flämischen Forschungsorganisation auf dem Gebiet von Cleantech und nachhaltiger Entwicklung. "Vito hat eine faszinierende Technologie zur Charakterisierung von Abfallströmen entwickelt", erklärt der technische Betriebsleiter von Absolem, Herman Van Dijck. Die Idee dahinter ist einfach: Je besser man jedes einzelne Element identifizieren kann, umso einfacher ist es, die Bestandteile zu trennen und zu recyceln.
Vito erfasst und kategorisiert die Bestandteile eines Stoffstroms auf Förderbändern über eine Farbkamera, einen 3D-Laserscanner und ein Röntgengerät. Mithilfe von maschinellem Lernen werden anhand dieser Daten einzelne Partikel eines Stoffstroms identifiziert und verschiedene Parameter zugeordnet, z.B. Materialklasse, Form oder Textur. Auf diese Weise entsteht ein digitaler Zwilling jedes Partikels.
Batteriesortierung mit Digital Twin
Um die Theorie in der Praxis zu erproben, hat Vito zusammen mit einem auf Batterierecycling spezialisierten Unternehmen überlegt, wie dieses Konzept in ein industrielles, automatisiertes Verfahren zur Sortierung von Batterien umgesetzt werden kann. In einer Ausschreibung wurde ein Maschinenbauer gesucht, der die von Vito entwickelten Algorithmen in die Praxis umsetzt. Hier kommen Absolem Engineering sowie der Partner und Beckhoff Solution Provider Aasys ins Spiel. Zusammen mit Luc Vermeylen von Absolem Engineering, der das Automatisierungskonzept der Maschine entwickelte, war Dimitri De Keyser von Aasys für die Umsetzung und Programmierung verantwortlich.
Die Anlage sollte insgesamt sieben verschiedene Batterietypen anhand ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden und sortieren. "Unser Vorbereitungsprozess beinhaltete mehrere Workshops mit allen Beteiligten, in denen wir mögliche Lösungswege identifiziert und die effektivste und leistungsfähigste evaluiert haben", blickt Van Dijck zurück. 18 Monate später wurde dann der erste funktionsfähige Prototyp der Sortieranlage ausgeliefert. Der Ablauf sieht wie folgt aus: Ein Förderband transportiert die Batterien in die Sortieranlage. Um zu verhindern, dass Röntgenstrahlen nach außen dringen, wird der Batteriestrom in einem Tunnel über eine Kehre zum Detektions- und Sortierbereich geleitet. Dessen Länge und die Bandgeschwindigkeit wurden so dimensioniert, dass ausreichend Platz und Zeit für 3D-Kamera, Röntgensystem und Farbkamera bleiben, die Batterien zu erfassen. In einem ersten Durchlauf werden die Batterien grob in zwei Kategorien getrennt - gut oder schlecht. Danach erfolgt in einem zweiten Sortiervorgang anhand detaillierterer Algorithmen die Sortierung der Batterien in die sieben Kategorien.
Exakt synchronisiert
Da die Lasertechnik von Absolem auf Windows basiert und auch Vito zur Charakterisierung der Stoffströme einen separaten Windows-PC einsetzt, konnte beides problemlos mit PC-basierter Steuerungstechnik von Beckhoff zu einer performanten Automatisierungslösung auf Basis von Twincat 3 integriert werden. "Wir setzen bei der Automatisierung unserer Maschinen nicht nur wegen der Produkte auf Beckhoff, sondern auch wegen der Mitarbeiter", erklärt Van Dijck mit Blick auf die größte Herausforderung bei dem Projekt - die zeitliche Abstimmung der drei unterschiedlichen Kamerasysteme. Der Grund: Jede Kamera benötigt unterschiedliche Frequenzen und Taktzeiten zur Synchronisation. Die erste Idee war, die drei Systeme über die Software in der SPS zu synchronisieren. Allerdings waren die Zeitvorgaben so kritisch, dass dies selbst mit der kürzesten Zykluszeit der SPS nicht umzusetzen war. "Absolem benötigte daher eine Hardware-Lösung", so Philippe Henin, Support-Ingenieur und Produktspezialist I/O bei Beckhoff in Belgien.
Präziser Impulsteiler
Beim Projekt bestand also die Herausforderung, mehrere Kameras mit jeweils unterschiedlichen Impulszähler-Eingängen präzise mit der Geschwindigkeit des Förderbands zu synchronisieren. Die Bandgeschwindigkeit wird über einen Inkremental-Encoder (5VDC A/B) erfasst, dessen Impulsfolge zwischen 0Hz und 65kHz variiert. Das Problem: Die Zähleingänge der Kamerasysteme können nur niedrigere Frequenzen verarbeiten. Daher musste eine Lösung gefunden werden, die ursprüngliche Impulsfolge des Encoders zu teilen - je nach Kameratyp im Verhältnis 1:4, 1:5 und 1:7. Dabei durfte sich das Tastverhältnis von 50 Prozent nicht verändern. Die maximale Verzögerung zwischen der Impulsfolge des Encoders und der an die Kameras weitergeleiteten Impulsen durfte 10µs nicht überschreiten, um die präzise Synchronisation sicherzustellen.
"Beckhoff schlug eine Lösung vor, die zum Projektstart offiziell noch nicht freigegeben war, aber die Anforderungen ausgezeichnet erfüllte", erinnert sich Van Dijck: die Ethercat-Klemme EL5131 für Inkremental-Encoder mit Differenz- oder Single-Ended-Signalen. "Das Besondere an dieser Klemme sind die zwei schnellen digitalen Ausgänge", betont Henin. Die Ausgänge können so konfiguriert werden, dass sich die Pegel ändern, abhängig von Positionswerten des Encoders und auch mehrmals zwischen zwei SPS-Zyklen. Dadurch entsteht nur eine minimale Phasenverschiebung zwischen der Encoder-Position und dem für die Kamera generierten Ausgangssignal. Mit dieser Lösung ist Absolem in der Lage, die unterschiedlichen Taktsignale für jede Kamera zu erzeugen und auszugeben - bei einer Bandgeschwindigkeit bis 500mm/s.
Sehr schnelle Ausgänge
Die Ethercat-Klemme EL5131 übernimmt also eine zentrale Aufgabe in der Sortieranlage. Sie erfasst Encoder-Signale mit bis zu 5MHz (RS422), 1MHz (TTL) und 100kHz (Open Collector) und verfügt über Digitalausgänge mit Ton von 3 und Toff von 4µs. Für jeden Ausgang können acht Schwellwerte und entsprechende Ausgangszustände konfiguriert und in der Klemme gespeichert werden. Erreicht der Zähler einen dieser Schwellwerte, gibt der Ausgang den entsprechenden Wert aus - unabhängig von der SPS-Zykluszeit und Ethercat-Frame-Rate. Die Ausgänge schalten äußerst schnell und können somit die unterschiedlichen Impulsfolgen für die Kamerasysteme erzeugen.
Alle Parameter der Ethercat-Klemme wurden mit Unterstützung von Beckhoff richtig eingestellt. In der Folge konnte Absolem für Vito eine Sortieranlage bauen, die sich sehr gut für die Anwendung des neuen Verfahrens eignet. Die Erfolgsgeschichte ist aber noch nicht zu Ende: Man will aus den Erfahrungen im laufenden Betrieb lernen und die Anlage weiter verbessern.
Bei Recycling, Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit gibt es in puncto Automatisierung noch viel Spielraum. Das belegt eine vom belgischen Spezialmaschinenbauer Absolem Engineering realisierte Anlage. Deren neuartiges Konzept soll die Wertstofftrennung auf ein neues Niveau heben - was aber nur durch den Einsatz von moderner Steuerungstechnik und einer schnellen I/O-Klemme funktioniert.
Absolem Engineering bündelt seit 2016 die Expertise im Sondermaschinenbau und in Lasertechnik der ehemaligen Produktionsstätte von Philips im belgischen Turnhout. Die Aktivitäten des Unternehmens umfassen u. a. die Prozessforschung im Laserbereich und den Bau von Maschinen, bei denen Laser einen Mehrwert schaffen. So auch im Rahmen eines Projekts für Vito, einer unabhängigen flämischen Forschungsorganisation auf dem Gebiet von Cleantech und nachhaltiger Entwicklung. "Vito hat eine faszinierende Technologie zur Charakterisierung von Abfallströmen entwickelt", erklärt der technische Betriebsleiter von Absolem, Herman Van Dijck. Die Idee dahinter ist einfach: Je besser man jedes einzelne Element identifizieren kann, umso einfacher ist es, die Bestandteile zu trennen und zu recyceln.
Vito erfasst und kategorisiert die Bestandteile eines Stoffstroms auf Förderbändern über eine Farbkamera, einen 3D-Laserscanner und ein Röntgengerät. Mithilfe von maschinellem Lernen werden anhand dieser Daten einzelne Partikel eines Stoffstroms identifiziert und verschiedene Parameter zugeordnet, z.B. Materialklasse, Form oder Textur. Auf diese Weise entsteht ein digitaler Zwilling jedes Partikels.
Batteriesortierung mit Digital Twin
Um die Theorie in der Praxis zu erproben, hat Vito zusammen mit einem auf Batterierecycling spezialisierten Unternehmen überlegt, wie dieses Konzept in ein industrielles, automatisiertes Verfahren zur Sortierung von Batterien umgesetzt werden kann. In einer Ausschreibung wurde ein Maschinenbauer gesucht, der die von Vito entwickelten Algorithmen in die Praxis umsetzt. Hier kommen Absolem Engineering sowie der Partner und Beckhoff Solution Provider Aasys ins Spiel. Zusammen mit Luc Vermeylen von Absolem Engineering, der das Automatisierungskonzept der Maschine entwickelte, war Dimitri De Keyser von Aasys für die Umsetzung und Programmierung verantwortlich.
Die Anlage sollte insgesamt sieben verschiedene Batterietypen anhand ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden und sortieren. "Unser Vorbereitungsprozess beinhaltete mehrere Workshops mit allen Beteiligten, in denen wir mögliche Lösungswege identifiziert und die effektivste und leistungsfähigste evaluiert haben", blickt Van Dijck zurück. 18 Monate später wurde dann der erste funktionsfähige Prototyp der Sortieranlage ausgeliefert. Der Ablauf sieht wie folgt aus: Ein Förderband transportiert die Batterien in die Sortieranlage. Um zu verhindern, dass Röntgenstrahlen nach außen dringen, wird der Batteriestrom in einem Tunnel über eine Kehre zum Detektions- und Sortierbereich geleitet. Dessen Länge und die Bandgeschwindigkeit wurden so dimensioniert, dass ausreichend Platz und Zeit für 3D-Kamera, Röntgensystem und Farbkamera bleiben, die Batterien zu erfassen. In einem ersten Durchlauf werden die Batterien grob in zwei Kategorien getrennt - gut oder schlecht. Danach erfolgt in einem zweiten Sortiervorgang anhand detaillierterer Algorithmen die Sortierung der Batterien in die sieben Kategorien.
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 13 (Dezember) 2024 - 11.12.24.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
