Vakuum an Saugern und Saugbalken überwachen: Ansaugen, Verstopfung und Evakuieren an Verpackungs- und Druckmaschinen

Fast jede Verpackungsmaschine arbeitet irgendwo mit Unterdruck. Zuschnitte werden aus dem Magazin gezogen, Kartons vom Roboter abgesetzt, Folie wird über einen Saugzylinder geführt. Solange die Saugkraft reicht, bemerkt das niemand. Lässt sie nach, weil ein Sauger verschleißt oder ein Filter zusetzt, zeigt sich das ohne Messung erst, wenn ein Zuschnitt nicht mitkommt. Dieser Beitrag richtet sich an Instandhalter in Kartonagen-, Verpackungs- und Druckbetrieben und an Konstrukteure von Verpackungsmaschinen. Er beschreibt, welche Größen am Sauger messbar sind, wo die Grenzen eines kombinierten Sensors liegen und was vor dem Einsatz in einer Maschinenbaureihe zu klären ist. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen; eine fest montierte Lösung ist nicht darunter. Ob das Teil selbst am Sauger hängt, ist eine eigene Abfrage am Greifer und nicht Gegenstand dieses Beitrags.

Wichtige Punkte im Überblick

Wer den Verlauf beim Ansaugen im guten Zustand als Bezug festhält, sieht eine schleichende Abweichung durch verhärtete Sauger, zugesetzte Filter oder geknickte Schläuche, lange bevor die Maschine Fehlgriffe macht.
Am Saugbalken sieht ein Sensor in der gemeinsamen Leitung nur die Summe aller Sauger, für eine Aussage über einzelne Sauger braucht es Messstellen näher an der Saugöffnung oder kleinere Gruppen.
Im tiefen Vakuum liefert der Kombinierte Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP nur einen Druckwert, weil die Durchflussmessung bei den kleinen Baugrößen erst oberhalb von -50 kPa und bei den größeren oberhalb von -30 kPa beginnt.
Weil der Durchfluss in beide Richtungen erkannt wird, lassen sich Ansaugen und Abblasen im selben Kreis mit einem Gerät beobachten.
Vor dem Einsatz in einer Maschinenbaureihe mit Evakuieren und Begasen ist zu klären, ob geforderter Druckbereich, Evakuierungsphase und Schutzgasgemisch im Rahmen des Katalogs liegen.

Schaltpunkt, Druckwert, Durchfluss: was am Sauger messbar ist

Ein Vakuumschalter beantwortet eine Ja-oder-Nein-Frage: Liegt der Unterdruck jenseits des eingestellten Schaltpunkts oder nicht. Ein Drucksensor mit Messwert zeigt zusätzlich, wie tief das Vakuum ist und ob es über Wochen langsam flacher wird. Beide sehen jedoch nur den Druck an ihrer Einbaustelle. Sitzt ein zugesetzter Filter oder Sauger zwischen Sensor und Saugöffnung, kann am Sensor ein tiefes Vakuum anstehen, obwohl an der Öffnung kaum noch Luft ankommt. Der Wert sieht gut aus, die Saugstelle greift trotzdem schlechter.

Aus diesem Grund fragen die dokumentierten Anwender neben dem Druck auch nach dem Durchfluss. Der Kombinierte Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP erfasst beide Größen an derselben Stelle der Leitung. In seinem Katalog steht die vorbeugende Wartung von Vakuumsaugern als eigene Anwendung, nachlassende Saugkraft wird dort als häufiges Problem beschrieben. Ein Applikationsmodus für das Ansaugen überwacht den Ansaugzustand und gibt eine Warnung aus, bevor Produkte herunterfallen. Weitere Applikationsfunktionen nennt die Anleitung für das Abblasen und für Zylinder.

Karton, Zuschnitt und Folie: wo an der Maschine angesaugt wird

Die Aufgaben liegen an ganz unterschiedlichen Stellen der Maschine. Im Verpackungsbereich eines Werks setzt ein Roboterarm Karton per Saugkraft ab und richtet ihn dabei aus; dort lässt sich die Saugfunktion über den Luftstrom prüfen, weil ein Karton, der nicht sauber anliegt, den Luftstrom am Sauger verändert.

Ein Betrieb für Kartonverpackungen nennt zwei Arten von Messstellen, Vakuumsauger und Fächerdüsen. Die Druckluftbilanz desselben Werks mit Taupunkt und Leckage am Wochenende behandelt der Beitrag zur Prozesssensorik im Maschinenbau.

Eine Verpackungsdruckerei möchte Druckluft, Feuchte und Vakuum an jeder einzelnen Maschine erfassen. Ein Automatisierungsunternehmen sucht für eine Verpackungslinie einen Drucksensor zur Vakuumkontrolle; dafür kommt ein Digitaler Drucksensor der Modellreihe AP-20 in Frage. Hier geht es um den Druck allein, ohne Durchfluss.

Nachlassende Saugkraft früh erkennen: verstopfte Sauger und Filter

Saugstellen werden selten schlagartig schlecht. Gummilippen verhärten, Filter nehmen Staub und Fasern aus Karton und Papier auf, Schläuche knicken an bewegten Achsen. Jeder dieser Effekte verändert den Verlauf beim Ansaugen: wie viel Luft beim Aufsetzen strömt und wie schnell das Vakuum steht. Wer diesen Verlauf im guten Zustand als Bezug festhält, kann eine schleichende Abweichung davon sehen, lange bevor die Maschine Fehlgriffe macht. Ab welcher Abweichung gewarnt wird, ist keine Katalogzahl, sondern eine Entscheidung an der jeweiligen Saugstelle, abhängig von Material, Takt und Sauger.

Am Saugbalken kommt die Frage der Einbaustelle hinzu. Hängen viele Sauger an einer gemeinsamen Leitung, sieht ein Sensor in dieser Leitung die Summe. Setzt sich einer von vielen Saugern zu, ändert sich die Summe nur wenig. Für eine Aussage über einzelne Sauger braucht es Messstellen näher an der Saugöffnung oder kleinere Gruppen. Mehr Messstellen bedeuten mehr Aufwand, weniger Messstellen eine gröbere Aussage. Wo die Grenze liegt, entscheidet, wie teuer ein Fehlgriff an dieser Stelle ist.

Abblasen und Ansaugen im selben Kreis

Viele Saugstellen arbeiten in zwei Richtungen: Erst wird angesaugt, beim Ablegen wird kurz abgeblasen, damit der Zuschnitt sauber löst. Der Kombinierte Druck- und Durchflusssensor erkennt den Durchfluss in beide Richtungen. Sein Katalog nennt das für Zylinder und für den Fall, dass das Vakuum während des Transports unterbrochen wird. Damit lassen sich Ansaugen und Abblasen im selben Kreis mit einem Gerät beobachten, statt zwei getrennte Prüfungen aufzubauen.

Wo eigene Düsen Luft abgeben, wie die Fächerdüsen im Kartonbetrieb, kommt außerdem ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-EC in Frage. Er wird von außen auf den Schlauch gesetzt und eignet sich laut Unterlagen für Luft, Stickstoff und Argon. Für die Saugstelle bleibt der kombinierte Sensor die naheliegende Wahl, weil er zusätzlich den Druck liefert.

Nenndruck, tiefes Vakuum und Gasart: was der Katalog festlegt

Bevor eine Saugstelle mit der Modellreihe FD-EP ausgerüstet wird, lohnt der Abgleich mit drei Katalogwerten. Der Nenndruck reicht von -100 kPa bis 0,75 MPa, deckt also Vakuum und mäßigen Überdruck ab. Im tiefen Vakuum fehlt der Durchflusswert: Bei den kleinen Baugrößen beginnt die Durchflussmessung erst oberhalb von -50 kPa, bei den größeren oberhalb von -30 kPa. Arbeitet eine Saugstelle tiefer als diese Grenze, liefert der Sensor dort nur einen Druckwert. Für die Auslegung heißt das, den tatsächlichen Arbeitspunkt der Saugstelle zu kennen, bevor die Baugröße gewählt wird.

Als Gasart lassen sich Luft, Stickstoff oder Argon einstellen, alternativ ist eine manuelle Eingabe vorgesehen. Die Schutzart ist IP65. An normalen Saugstellen wird Umgebungsluft angesaugt, die Gasart ist dort unkritisch. Anders ist es, wenn eine Verpackungsmaschine evakuiert und anschließend begast.

Evakuieren und Begasen: was vor dem Einsatz in der Baureihe zu klären ist

Ein Hersteller von Verpackungsmaschinen will Druck und Durchfluss an seinen Maschinen über die ganze Baureihe gleich erfassen. Gemessen wird bisher nur der Druck, den Durchfluss überwacht niemand. Seine Kunden fragen jedoch zunehmend, was die Maschinen verbrauchen. Messen will er am Hauptstrang und an der Zuleitung, nicht an jedem einzelnen Verbraucher. Zwei Medien sind zu erfassen: das Gas für den Evakuierungs- und Begasungsschritt, ein Schutzgasgemisch, das überwiegend aus Stickstoff besteht und CO2 und Sauerstoff enthält, und die Druckluft der Maschine. Gefordert ist ein Bereich von -1 bis 10 bar. In Frage kommt die Modellreihe FD-EP.

Vor dem Einsatz sind mehrere Fragen zu beantworten, die der Katalog offenlässt oder anders beantwortet. Die geforderten 10 bar liegen über dem Nenndruck von 0,75 MPa; welcher Teil des Bereichs am Hauptstrang tatsächlich auftritt, ist an der Maschine festzustellen. Beim Evakuieren durchquert der Druck den Bereich, in dem kein Durchflusswert ausgegeben wird. Und das Gemisch steht nicht namentlich in der Gasliste; sie nennt Luft, Stickstoff und Argon sowie nicht korrosive Gase, die Ultraschall übertragen. Für andere Gase sieht die Gasartenwahl eine manuelle Eingabe über Wärmekapazitätsverhältnis und Molekulargewicht vor; ob das Gemisch damit stabil gemessen wird, ist nicht dokumentiert. Was davon die Anforderung abdeckt, zeigt erst eine Messung am realen Aufbau; bis dahin ist es eine Anforderung und keine Eignung.

Vom Druckschalter zum Messwert in der Steuerung

An einer Beutellinie sitzen mehrere pneumatische Druckschalter, die ein kombinierter Sensor der Modellreihe FD-EP ersetzen könnte. Der Unterschied ist schlicht: ein Wert statt eines Schaltpunkts.

Ein Messwert verändert die Arbeit an der Maschine. Grenzwerte lassen sich anpassen, ohne an jedem Schalter nachzujustieren, ein Trend wird sichtbar, und bei einer Störung steht fest, wie das Vakuum davor aussah. Für einen Maschinenbauer kann hinzukommen, dass derselbe Sensortyp an mehreren Stellen Druck und Durchfluss liefert, aus denen sich eine Verbrauchsangabe ableiten lässt, sofern Druckbereich und Gas im Rahmen des Katalogs liegen. Wie der Wert in die Steuerung gelangt, hängt von Ausführung und Steuerungskonzept ab und gehört vor der Auswahl geklärt.

Häufige Fragen

F Kann ein einzelner Sensor am Saugbalken jeden Sauger überwachen?

Ein Sensor in der gemeinsamen Leitung sieht die Summe aller Sauger. Fällt einer von vielen ab, ändert sich die Summe nur wenig. Für eine Aussage über einzelne Sauger sind Messstellen näher an der Saugöffnung oder kleinere Saugergruppen nötig.

F Was bringt die Durchflusserkennung in beide Richtungen?

Die Modellreihe FD-EP erkennt laut Katalog den Durchfluss in beide Richtungen. Damit lassen sich Ansaugen und Abblasen im selben Kreis mit einem Gerät beobachten. Der Katalog nennt das ausdrücklich für Zylinder und für ein Vakuum, das während des Transports unterbrochen wird.

F Kann ein kombinierter Sensor einen Druckschalter ersetzen?

Ja, in dem Sinn, dass er statt eines Schaltpunkts Druck und Durchfluss als Werte liefert. An einer Beutellinie käme er für mehrere pneumatische Druckschalter in Frage. Wie die Werte in die Steuerung kommen, ist je Ausführung zu klären.

F Was ist vor dem Evakuieren mit Schutzgas zu klären?

Ob der geforderte Druckbereich im Nenndruck der Modellreihe FD-EP liegt, ob die Evakuierungsphase in den Bereich ohne Durchflusswert fällt und ob das Gasgemisch einstellbar ist. Die Gasartenwahl nennt Luft, Stickstoff und Argon und lässt eine manuelle Eingabe zu. Erst eine Messung am realen Aufbau zeigt, welche Teile der Anforderung abgedeckt sind.

F Gehört die Prüfung, ob der Zuschnitt am Sauger hängt, zu diesem Thema?

Nein. Ob ein Teil am Greifer vorhanden ist, ist eine eigene Abfrage direkt am Greifer. Dieser Beitrag behandelt das Vakuum als Medium der Maschine, also Druck und Durchfluss in der Saugleitung.

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