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Jul 14, 2023

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Der Hersteller von Stapelgeräten, Forpak, hat einen Test entwickelt, um zu sehen, wie etabliert das ist

Der Stapelausrüstungshersteller Forpak hat einen Test entwickelt, um zu sehen, wie etablierte pneumatische Aktuatoren im Vergleich zu neuerer mechatronischer Servotechnologie abschneiden, insbesondere bei einer Anwendung zum Stapeln und Einreihen von Tiefkühlkost. Das sind die Ergebnisse.

Dave Brownson, Engineering Manager bei Forpak, war der erste Ingenieur, der beim Erstausrüster für Lebensmittelstapelgeräte eingestellt wurde, als dieser vor mehr als 30 Jahren seine Türen öffnete. Mit drei Jahrzehnten Erfahrung als Ingenieur im Unternehmen erinnert sich Brownson an die Tage, als die Pneumatik für Forpak-Maschinenanwendungen das einzige Betätigungselement in der Stadt war. Er erinnert sich auch an die erste Einführung der linearen Servotechnik anstelle der etablierten pneumatischen Technologie vor etwa sechs oder sieben Jahren.

„Ich war auf der Suche nach einer IP69K-Lösung für ein Projekt, das wir hatten, also habe ich mich an meine Lieferanten gewandt, und sie haben sich LinMot als [Lieferanten von Linearantriebssystemen] ausgedacht“, sagt er. „Ich wurde ihnen vorgestellt und wir haben es nie bereut.“

In jüngerer Zeit hat sich Brownson zum Ziel gesetzt, einen vollelektrischen, pneumatischen Stapler ohne Antrieb zu bauen. Aber es ging darum, darauf zu warten, dass die richtige Größe und Form der Linearbewegungstechnologie verfügbar war – es gab nichts auf dem Markt, das zu seiner Anwendung passen könnte.

„Ich drängte Peter [Zafiro von LinMot] immer wieder, einen immer kleineren Motor zu bauen, und er fragte mich: ‚Wie viele würden Sie kaufen?‘“, erinnert sich Brownson. „Ich antwortete: ‚Nun, wie viele kannst du machen?‘ Denn wenn ich einen vollelektrischen Stapler bauen könnte, würde das die Effizienz wirklich steigern.“

Auf einer kürzlich stattgefundenen PACK EXPO sah Brownson endlich den LinMot-Prototyp, der diese Aufgabe erfüllen würde. Forpak entwickelt derzeit eine Maschine, die zu 100 % elektrisch und ohne pneumatische Technologie ist. Es ist geplant, die neue Maschine auf der PACK EXPO International auszustellen, die vom 23. bis 26. Oktober 2022 in Chicago stattfindet.

Es ist erwähnenswert, dass die Pneumatik nicht verloren geht und fest in den Steuerungs- und Automatisierungstools verankert ist. Und einige Vorgänge erfordern aus Sicherheitsgründen Pneumatik, beispielsweise in explosionsgefährdeten Umgebungen, sodass ein Austausch von Pneumatik gegen Elektrik nicht immer möglich ist.

Dennoch versuchte Brownson, ein vollelektrisches Modell zu entwickeln, weil er sagt, dass LinMot-Linearservomotoren Energie sparen und für seine spezifischen Anwendungen und seinen Kundenstamm äußerst effizient sind. Darüber hinaus ermöglichen sie dank ihrer vergleichsweise wenigen Verschleißteile niedrigere Gesamtbetriebskosten, was zu weniger Ausfallzeiten führt – insbesondere zu unerwarteten Ausfallzeiten. Seiner Erfahrung nach führen diese Faktoren zu realen, langfristigen Einsparungen, die für die CPG- und Markeninhaberkunden von Forpak attraktiv sind.

Aber bisher war das nur Brownsons anekdotische Erfahrung – die Meinung eines Mannes. Um die Effizienz und Energieeinsparungen zu testen, beauftragte Zafiro Brownson zusammen mit Joel Geisel und Adam Shank, beide von Hamilton Automation, einem LinMot-Herstellervertreter, und JB Korte von Van Meter Inc., einem LinMot-Händler. Der OEM, der Automatisierungslieferant und die Händler entwickelten gemeinsam einen Test der Forpak-Maschine mit pneumatischen Aktuatoren im Vergleich zu rein elektrischen Aktuatoren. Die Idee bestand darin, den tatsächlichen Stromverbrauch zu ermitteln und tatsächliche Energieeinsparungsdaten zu entwickeln. Das Ergebnis dieser Tests ist das Ergebnis.

Forpak-Stapler besetzen eine Nische in Backwaren- und Proteinverpackungslinien, die zwischen vorgeschalteten Gefriergeräten und nachgeschalteter Schlauchbeutel-, Beutel- oder Handverpackung liegt. Typische Produkte können gefrorene Hamburger-Patties, Waffeln oder Kekse sein, die den Gefrierschrank entweder zufällig oder halborganisiert verlassen. Dieses Produkt muss für die nachgeschaltete Verpackungsausrüstung ausgerichtet, geordnet und gestapelt werden. Der oben genannte Forpak-Stapler (Modellnummer – GSS5-8) ist ein typischer elektrischer Vertikalstapler mit pneumatischen Horizontalzylindern, der zum Stapeln von Produkten verwendet wird. Der Stapler kann je nach Produktionsbedarf in drei bis zehn Bahnen gefertigt werden. Das Testmodell war ein vierspuriges Gerät (Modellnummer – GSS5-4). Das Bild zeigt auch ein angebautes Mitnahmeband für die manuelle oder nachgeschaltete automatisierte Verpackung.

„Die Schiebeplatte und die Schiebeteile der Stapelung waren pneumatisch, und das war bis vor Kurzem immer der Fall“, sagt Brownson. „Da LinMot nun den Aktuator in der richtigen Größe entwickelt hat, sind wir in der Lage, sowohl herkömmliche pneumatische als auch vollelektrische Antriebe zu betreiben, und wir haben diesen Test durchgeführt, um den Unterschied festzustellen.“

Forpak unterstützte das Team, indem es ihm Zugang zu einer typischen Staplermaschine gewährte, die an vielen Endbenutzerstandorten in Betrieb war. Die Staplermaschine ist eine vierspurige Maschine mit acht pneumatischen Antrieben, die in horizontaler Richtung arbeiten.

Mit Hilfe von Korte von Van Meter Inc. und einem Rockwell Automation Power Monitor 5000 wurde der tatsächliche Stromverbrauch erfasst. Der Power Monitor zeichnete Datenpunkte wie Stromstärke, Zeit und kWh von einem unabhängigen, hocheffizienten elektrischen Luftkompressor mit 7 cfm auf. Das Team ließ die Maschine 30 Minuten lang laufen und nahm alle 10 ms Proben. Dieser Aufbau berücksichtigt keine pneumatischen Leitungsverluste, da die den Zylindern zugeführte Luft nur eine sehr kurze Strecke vom Kompressor entfernt war und keine anderen Geräte mit der gleichen Luftversorgung betrieben wurden.

Während des Testlaufs stieß das Testteam auf eine Einschränkung: die Anzahl der Datenpunkte, die in der SPS gespeichert werden konnten. Die erfassten Daten bezogen sich also auf eine Laufzeit von 15 Minuten und die durchschnittliche Leistung war während der gesamten Studie konstant. Wenn man die Maschine weitere 45 Minuten laufen ließ, um eine stündliche Zählung zu erhalten, zeigte sich, dass sich die Daten nicht geändert hatten. Der Kompressor hat sich in den gesamten 60 Minuten nie ausgeschaltet. Daher ist das Team zuversichtlich, dass die für die gesamten 60 Minuten ermittelten Daten nahezu identisch gewesen wären mit den 15-minütigen Testdaten, die für den 60-minütigen Test extrapoliert wurden. Der Stromverbrauch lag während des gesamten Tests konstant bei 5161 kWh.

Testhinweise: Die Tests wurden am 2. November 2021 in der Produktionsstätte von Forpak abgeschlossen. Es wurde von Adam Shank von Hamilton Automation und JB Korte von Van Meter Inc. mit Hilfe von Dave Brownson von Forpak fertiggestellt. Die Auswertung und Analyse der Ergebnisse wurde von Joel Geisel von Hamilton Automation durchgeführt.

Das Lin Designer-Programm von LinMot zeigt diese spezielle horizontale Schieberanwendung und liefert den berechneten Stromverbrauch für die LinMot-Aktuatoren und einen entsprechenden Pneumatikzylinder. Die Berechnungen des Stromverbrauchs von Pneumatikzylindern von Lin Designer basieren auf den Berechnungen des Energieverbrauchs der beiden beliebtesten Hersteller von Pneumatikzylindern. Hierbei handelt es sich um die direkt ab Werk erwarteten Energieverbrauchsraten.

Für diesen speziellen Zyklus schätzt das Lin Designer-Programm von LinMot einen Stromverbrauch von 4575 kWh. Bei dem Test wurde der niedrigere der beiden Werte verwendet, um die Betriebskosten für die Energie des Pneumatikzylinders wie folgt zu berechnen:

Die 4575 kWh multipliziert mit 0,20 US-Dollar pro kWh bei Volllast (Testhinweis: Dieser Wert ist normalerweise viel höher, insbesondere wenn die Anlagen den größten Teil des Kalenderjahres während der Spitzenlastzeiten während der Tageslichtstunden laufen) würden erwartete Kosten von 915 US-Dollar pro Zylinder ergeben pro 8.000 Betriebsstunden pro Jahr. Da diese Maschine acht Pneumatikzylinder verwendet, würden die Betriebskosten für diese spezielle Maschine 7.320 US-Dollar pro 8.000 Betriebsstunden pro Jahr betragen.

Die entsprechende Maschine mit LinMot-Aktuatoren und einem Linearmotor liefert das folgende Stromverbrauchsergebnis:

Der gleiche Zyklus ergab 243 kWh für einen PS01-23x80F-HP-SSCP-R20-Motor in einem 175-mm-Zyklus in 200 ms und -175 mm in 200 ms mit einer Verweilzeit von 600 ms. Die 243 kWh multipliziert mit 0,20 US-Dollar pro kWh bei Volllast würden 48,60 US-Dollar pro LinMot-Aktuator ergeben. Alle acht Aktuatoren würden 388,80 US-Dollar kosten, um 8.000 Betriebsstunden pro Jahr zu betreiben.

Die Einsparungen betragen hier 7.320 $ (pneumatisch) minus 388,80 $ (elektrisch) oder 6.931,20 $ pro Kalenderjahr. Wenn eine Anlage mit einer geringeren Leistung arbeitet, beispielsweise bei einem Zeitplan von 6.000 Stunden pro Jahr, würden die Einsparungen 5.198,40 US-Dollar pro Kalenderjahr betragen.

Zafiro, Geisel und Korte weisen darauf hin, dass diese Werte keine Wartungs- oder unerwarteten Ausfallkosten enthalten, wenn ein Pneumatikzylinder ausfällt.

„Solche Ausfälle treten häufiger bei Anwendungen mit häufigem Radfahren auf, wie in dieser Studie“, bemerkt Brownson. „Ich würde schätzen, dass der Austausch eines Pneumatikzylinders normalerweise zwischen 30 und 90 Minuten dauert, wobei die typische Ausfallzeit einer Anlage auf 15.000 bis 20.000 US-Dollar pro Stunde geschätzt wird. Auch wenn dies in diesem Test nicht berücksichtigt wird, ist die Ausfallzeit enorm.“

„Bei diesem Aktuatortyp gibt es nur sehr wenige mechanische Teile, sodass der mögliche Verschleiß im Wesentlichen begrenzt wird“, fügt Geisel hinzu. „Und durch die Begrenzung des Verschleißes erfordert er weniger Wartung als ein Pneumatikzylinder. Es gibt keine Dichtungen, die kaputt gehen. Es geht keine Luft verloren und Sie müssen nicht mehr billigere Komponenten ersetzen.“ oft. Es gibt nur sehr wenig Verschleiß oder notwendige Ausfallzeiten.“

Die Teststudie ergab, dass zumindest für diesen konkreten Anwendungsfall der Betrieb von acht Pneumatikzylindern deutlich mehr kostet als acht Linearmotoren. Nach Angaben* der beiden weltweit größten Hersteller von Pneumatikzylindern würde die CO2-Einsparung bei über 4.600 Pfund liegen. pro Zylinder oder mehr als 36.000 Pfund. Einsparungen bei den CO2-Emissionen dieser speziellen Maschine bei 8.000 Betriebsstunden pro Jahr.

Wenn man dies zu den Stromkosteneinsparungen im Wert von über 6.900 US-Dollar hinzufügt, war Brownson beeindruckt. Er weist darauf hin, dass dieser Test auf einer vierspurigen Forpack-Staplermaschine durchgeführt wurde. Ein typischer Forpak-Stapler nutzt zwischen sechs und zehn Bahnen, was bedeutet, dass bei diesen Maschinen die Einsparungen höher ausfallen, wenn auf mehr Bahnen hochgerechnet wird.

„Ich hatte eine Ersparnis erwartet, aber diese Höhe der Ersparnis hatte ich nicht erwartet“, sagt Brownson. „Es wird mir wirklich helfen, die neue Maschine in Zukunft zu präsentieren – sowohl auf der PACK EXPO International als auch für den Verkauf in der Zukunft. Es zeigt, dass die Betriebskosten auf der Vorderseite etwas höher sein werden.“ , aber insgesamt wird es im Laufe der Lebensdauer der Maschine weniger sein. PW