Las empacadoras de cajas personalizadas de RA Jones emplean Beckhoff PC

La empacadora de cajas personalizada CP-30 con robótica integrada garantiza un rendimiento ultrarrápido y reduce los tiempos de cambio en más de un 80 % utilizando tecnología de control avanzada basada en PC y EtherCAT.

RA Jones de Covington, Ky., que forma parte del grupo Coesia de fabricantes de máquinas de envasado con sede en Bolonia, Italia, presta servicios a muchos de los CPG más grandes del mundo con máquinas de envasado primario y secundario. Mejor conocido por su amplia gama de equipos de envasado estándar para aerosoles, llenado de vasos, envasado en trozos, envasado múltiple, embolsado, envasado en cajas y estuchado, RA Jones ofrece maquinaria completamente personalizada cuando aún no existe la mejor máquina para el trabajo. Una tecnología que se considera que está en auge, especialmente en este trabajo personalizado, es el control basado en PC.

"Con muchas de las líneas de máquinas emergentes de RA Jones, hemos estandarizado el control y la automatización por PC de Beckhoff", dice Bob Burkhardt, gerente de cartera de productos para estuchado, robótica y envasado de RA Jones. "Esto incluye algunas de nuestras empacadoras de cajas, estuchadoras de carga vertical y estuchadoras de carga superior, pero también soluciones para algunos de nuestros trabajos más desafiantes que requieren maquinaria personalizada".

Una de las últimas máquinas que aborda directamente un desafío único del cliente es la empacadora de cajas CP-30 personalizada. Este fue un proyecto especial para un gran fabricante multinacional de productos de café CPG, donde se contrató a RA Jones para desarrollar un nuevo diseño de máquina empacadora de cajas de alto rendimiento. La empresa matriz Coesia colaboró ​​en el desarrollo con RA Jones y Beckhoff proporcionó la tecnología de automatización. Con 12 máquinas encargadas por CPG, el gran volumen de equipos personalizados para fabricar en un plazo ajustado era una tarea difícil, pero también lo era el alto nivel de automatización requerido por el usuario final.

"Como los productos de café llegaban a una velocidad de 1200 por minuto, las máquinas tenían que funcionar continuamente, incluso en caso de atasco", dice Burkhardt. “RA Jones buscaba una plataforma de control de máquinas que pudiera diagnosticar y corregir automáticamente la parada de la máquina sin necesidad de realizar ajustes manuales por parte del operador. Esto elimina la carga de los trabajadores de detener la producción y retirar las cajas rechazadas en un entorno de producción acelerado”. La máquina cuenta con un robot de alimentación de cajas en su interior para mover los espacios en blanco corrugados planos hacia el segmento de formación de cajas.

La máquina CP-30 resultante automatiza todos los aspectos del embalaje de cajas, incluida la eliminación de atascos y los cambios de embalaje a través de más de 70 servoejes controlados dinámicamente. Puede expulsar automáticamente las cajas que no se abren correctamente debajo del cargador sin detener el proceso de embalaje.

El CP-30 cuenta con un robot de alimentación de cajas en su interior para mover los espacios en blanco corrugados planos hacia el segmento de formación de cajas. "Trabajamos con los ingenieros de aplicaciones de Beckhoff para crear un software cinemático personalizado para este robot especializado", dice Burkhardt. "Aunque es similar a un SCARA, este robot está completamente personalizado para proporcionar un alto grado de rotación al cabezal de selección mientras saca los espacios en blanco del cargador". Si la caja no se abre, los sensores lo detectarán automáticamente y el cabezal de selección rechazará la caja. Luego, el robot de alimentación de casos seleccionará un nuevo caso.

Si bien el manejo automatizado de rechazos es un beneficio clave para el usuario final, también lo es el rendimiento y la flexibilidad notablemente altos. "Con las cajas de 12 unidades para cajas más pequeñas, el CP-30 aumenta a 30 cajas por minuto", añade Nick Werner, Custom Controls Group, RA Jones. “La encajadora de cajas CP-30 también construye de forma flexible numerosos patrones de cajas. Ya sea que se trate de tamaños de cajas grandes o pequeños, el mismo CP-30 puede manejar casi cualquier combinación de tamaños de cajas”.

Para una industria tan dedicada a los estándares como el embalaje, los fabricantes de máquinas que prestan servicios en este espacio históricamente han utilizado muchos controles tipo caja negra de propósito único dedicados a un solo aspecto de la automatización. "La capacidad de consolidar hardware para diferentes áreas de control fue un beneficio clave para RA Jones", dice Paul Schuster, gerente de cartera de productos, Coesia Digital & Aerosol, RA Jones.

"La potencia de procesamiento que obtenemos del control basado en PC es impresionante", añade Werner. "En la práctica, esto significa la diferencia entre implementar un controlador Beckhoff y tener que hacer malabarismos con varios controladores de un proveedor de PLC tradicional para manejar la automatización de la máquina".

El CP-30 cuenta con una PC industrial (IPC) Beckhoff C6030 con procesador Intel Core i7-7700 de cuatro núcleos que proporciona amplia potencia para todas las funciones informáticas intensivas en el embalaje de cajas. RA Jones también está en proceso de implementar un servicio de monitoreo remoto de IoT llamado Coesia PerforMate en sus máquinas utilizando un IPC Beckhoff.

"Una de las cosas más importantes que observamos con el Beckhoff IPC fueron tiempos de escaneo impresionantemente bajos: alrededor de 1 milisegundo de tiempo de escaneo para más de 70 servoejes", dice Austin Rismiller, ingeniero de proyectos eléctricos, Investigación y Desarrollo/Innovación, RA Jones.

Otro facilitador de comunicaciones rápidas y tiempos de escaneo bajos es el protocolo Ethernet industrial EtherCAT que conecta todas las unidades y E/S en el CP-30. "EtherCAT proporciona una extraordinaria velocidad en la comunicación de nuestras máquinas", comparte Werner. “La facilidad de configuración al escanear automáticamente dispositivos en la red ayudó enormemente con el inicio, la puesta en servicio y la resolución de problemas. Esto, junto con el diagnóstico EtherCAT integrado, facilitó la localización y corrección rápida de cualquier error de cableado o rotura que pudiera haber ocurrido en el terminal de E/S exacto”.

El sistema EtherCAT I/O también permite a RA Jones conectarse fácilmente a otras redes industriales, como IO-Link. Esto establece una conectividad directa a varios dispositivos inteligentes, incluido el lector RFID, una pila de luz programable y fotocélulas inteligentes. El enfoque ayudó a eliminar el cableado interno que regresaba al gabinete de control principal mediante el uso de E/S EtherCAT distribuidas a lo largo de la máquina.

RA Jones también suministra terminales de E/S EtherCAT de la serie EL72xx con tecnología de accionamiento incorporada para controlar los servomotores ultracompactos de la serie AM8100. Los terminales EL9576 añaden funcionalidad de chopper de frenado en el mismo formato de E/S montado en carril DIN de 12 mm de ancho. "Beckhoff abordó directamente los tamaños pequeños de motor y transmisión requeridos para CP-30, lo cual es un beneficio importante", dice Schuster. "La combinación de los cables de alimentación y retroalimentación en una sola línea utilizando One Cable Technology (OCT) aumentó nuestro ahorro de espacio y cableado". El tamaño de la CP-30 es más pequeño que el de las empacadoras de cajas comparables y sus gabinetes eléctricos incluso se pliegan, por lo que toda la máquina se puede enviar en un semirremolque normal. La empacadora de cajas CP-30 cuenta con una variedad de unidades compactas de Beckhoff, como las ultra- Servomotores compactos de la serie AM8100 conectados a terminales de E/S EtherCAT de la serie EL72xx con tecnología de accionamiento integrada.

La seguridad de la máquina está integrada en la plataforma de control estándar y la red EtherCAT a través del sistema TwinSAFE. Los terminales de E/S TwinSAFE se conectan a puertas de protección y paradas de emergencia en toda la máquina y los datos de seguridad se envían a través de Safety over EtherCAT (FSoE) utilizando un enfoque de canal negro certificado. Los servovariadores de la aplicación también se comunican a través de FSoE para proporcionar una variedad de funciones de movimiento seguras. El CP-30 está dividido en dos zonas de seguridad con lógica TwinSAFE dedicada en cada una. Del lado del operador hay una zona lateral de la estuchadora, donde el robot de alimentación de cajas recoge todas las cajas. Una zona lateral de transferencia es donde las cajas entran desde la alimentación y van al apilador. Esto proporciona la capacidad de detener la zona apropiada durante eventos de seguridad en lugar de detener toda la máquina.

En el aspecto de la programación, TwinCAT 3 como entorno de ingeniería y runtime para el control de máquinas también demostró grandes ventajas. La plataforma universal TwinCAT maneja todos los aspectos del control de la máquina, incluidos PLC, seguridad, control de movimiento y más. "Soy un fanático de cómo se presenta TwinCAT XAE en un shell estándar de Microsoft Visual Studio", dice Rismiller. “Esto es refrescante en comparación con las ofertas de software de los proveedores de PLC tradicionales. TwinCAT 3 integra todos los estándares informáticos en programación, como C++ y Python, lo que encaja con mis conocimientos de programación de la universidad. Proporcionar estas opciones además de los estándares de programación de PLC, como el texto estructurado, es un beneficio clave”.

Como parte del proyecto, RA Jones utilizó la biblioteca Coesia Automation Framework (AFL) existente en TwinCAT. "TwinCAT ofrece la posibilidad de proteger el software y los bloques de funciones de Coesia y RA Jones como propiedad intelectual", afirma Werner. “Aún mejor, los usuarios finales nunca tienen que preocuparse con el código del PLC para la resolución de problemas y el mantenimiento, ya que estas interacciones se manejan a través de la HMI. Para ayudar a este enfoque fácil de usar, se encuentra un panel de control CP3918 en formato de pantalla ancha de 18 pulgadas con múltiples botones que seleccionamos para las funciones de control de la máquina, todos diseñados directamente en el panel”.

El cronograma para el diseño eléctrico crítico y la instalación de las máquinas CP-30 se redujo a un riguroso período de seis meses para cumplir con el cronograma de actualización de la planta del usuario final. Esto requirió un trabajo en equipo estrecho y constante entre los ingenieros de RA Jones y Beckhoff para cumplir con un plazo de entrega ajustado. "Beckhoff y RA Jones participaron en este proyecto estratégico global que contaba con la dirección de su empresa matriz, Coesia", dijo Mark Ruberg, director de la industria de embalaje de Beckhoff USA. "Nuestra colaboración eficaz y nuestros recursos de apoyo local estuvieron a la altura del desafío de estos hitos de desarrollo".

A lo largo del diseño y construcción de esta máquina personalizada, el equipo local de Beckhoff trabajó codo a codo con RA Jones. “Ha sido fantástico trabajar con Garth Gaddy y Keith Bunke del equipo local de Beckhoff”, dijo Werner. "Keith fue nuestro punto de contacto para la ingeniería de aplicaciones; trabajamos juntos tan estrechamente que lo tenía en marcación rápida".

También cabe destacar que la flexibilidad del CP-30 se ve reforzada por la solución Acc-U-Change Plus de RA Jones que permite a los usuarios manejar los cambios con solo presionar un botón, lo que garantiza un inicio vertical y una alta calidad de las cajas durante la producción. Los componentes extraíbles Acc-U-Change Plus están habilitados para RFID, por lo que los usuarios finales pueden verificar que el equipo correcto esté instalado en el lugar correcto para todos los tamaños y patrones de cajas. “Mientras que en otras empacadoras de cajas los tiempos de cambio a una caja de diferente tamaño suelen ser de 20 a 30 minutos, hemos podido reducir el tiempo de cambio a alrededor de cinco minutos o incluso menos en la CP-30”, dice Werner. "Al utilizar la automatización de Beckhoff, hemos eliminado 19 movimientos manuales de la ecuación: con un solo toque en la HMI, el cambio automático puede pasar del tamaño más grande al más pequeño y viceversa".

Después de estas experiencias, RA Jones tiene al menos dos nuevos proyectos de máquinas en desarrollo que tendrán a Beckhoff como plataforma de control de máquinas estándar para aumentar de manera similar el rendimiento, reducir el espacio ocupado por la máquina y acortar los tiempos de cambio. Junto con la máquina empacadora de cajas personalizada, RA Jones ha estandarizado la tecnología de control de Beckhoff para una nueva máquina empacadora de tubos para carne molida de ave y cerdo. "RA Jones también presenta una nueva estuchadora de carga vertical y contará con Beckhoff como plataforma de controles estándar", añade Burkhardt. VP