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28. Oktober 2011

Der Transrapid unter den Folienproduktions­maschinen

Beitrag aus openautomation 5/2011


Über 700 Kluppen ziehen in den Lisim-Anlagen von Brückner Kunststofffolie durch die Maschine und sorgen für das simultane Strecken des Materials in Längs- und Querrichtung. Dabei werden die Kluppen von einem Magnetfeld gezogen. Linearmotoren mit 728 Wicklungen erzeugen das dafür erforderliche Wanderfeld. Die Ansteuerung übernehmen seit Kurzem Antriebsmodule aus der Acopos-Familie von B&R, die über Powerlink synchronisiert werden.

Mit bis zu 6,6 m/s durchlaufen hunderte Kluppen auf zwei jeweils in sich ringförmig geschlossenen, gegenüberliegenden Schienensträngen die linearmotorbetriebene Simultanreckanlage, kurz Lisim-Anlage. Sie greifen die mithilfe eines Extruders und einer Gießwalze erzeugte Kunststofffolie links und rechts an den seitlichen Rändern und ziehen sie mit zunehmender Geschwindigkeit durch die Anlage und strecken so die Folie in Laufrichtung. Da die Schienen nicht parallel verlaufen, sondern über die Länge der Anlage mit zunehmendem Abstand montiert sind, wird die Folie gleichzeitig orthogonal zur Laufrichtung kratzerfrei gestreckt. Die Folie durchläuft während des Streckprozesses einen Ofen. Die Temperaturbehandlung fixiert die Molekülstruktur und legt damit die mit der Streckung veränderten Eigenschaften der Folie, wie Schrumpf und andere Parameter, dauerhaft fest. Nach Abschluss des Streckprozesses geben die Kluppen die Folie frei und fahren leer wieder zum Anfang der Anlage zurück. Ein Abzugständer transportiert die Folie aus der Anlage wo sie nach Beschneidung der unbrauchbaren Ränder abschließend aufgewickelt wird.

Der Teil der Kluppen, die angetrieben werden (hunderte weitere, nicht angetriebene Kluppen dienen der besseren Querkraftverteilung, um ein Durchhängen der Folie während des Streckprozesses zu vermeiden) ist als Sekundärteil (Läufer) des Linearmotors ausgeführt und daher mit einem Magnetbalkon versehen. Wegen der besseren Kräfteverteilung ist der Linearmotor aufgeteilt, sodass sich die Primärteile (Statoren mit den Wicklungen) symmetrisch oberhalb und unterhalb der Magnetbalkone befinden. Die Wicklungen sind entlang der Schiene in unterschiedlich lange Zonen unterteilt, damit sich in jeder Zone maximal eine angetriebene Kluppe befindet.


728 einzeln angesteuerte Wicklungen

Jede der Zonen wird separat von einem Umrichter angesteuert. Die jüngst von Brückner ausgelieferte Lisim-Anlage setzt dabei auf B&R-Antriebstechnik: Den Strom für die 728 Zonen der ca. 65 m langen Maschine liefern 384 Ein- und Zweiachswechselrichtermodule in Verbindung mit 14 Leistungsversorgungsmodulen aus der Acopos-Geräteserie von B&R, die über Powerlink synchronisiert werden. Da die elektrische Leistung in langen Zonen größer sein muss, als in kurzen Zonen, werden Antriebs­typen von 2,6 A bis 22 A mit einer Nennleistung von 5 kW eingesetzt.

„Das Maschinenkonzept auf Basis von Linearmotoren wurde von uns vor über 15 Jahren entwickelt, ist aber weiter brandaktuell und erlebt gerade durch die rasant steigende Nachfrage der Verpackungs- und Flachbildschirmindustrie nach Folien mit speziellen Folieneigenschaften eine Renaissance. Die bis dato von uns eingesetzte Antriebstechnik ist jedoch in die Jahre gekommen“, begründet Günter Oedl, Electrical Engineering Manager Automation and Development bei der Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG, den Wechsel zu B&R. „Zudem war sie speziell für uns entwickelt worden und nutzte einen proprietären Bus. Eine Neuentwicklung wäre für uns damit aufwendig und teuer gewesen.“

Durch den Einsatz von Acopos-Modulen in Kombination mit Powerlink konnte das Maschinenbauunternehmen die proprietären Produkte durch kostengünstigere Standardlösungen ersetzen, deren Weiterentwicklung von allen Anwendern gefordert und finanziert wird.


Präzise Synchronisation mit Powerlink
„Möglich war dies, da Powerlink die präzise Synchronisation hunderter Netzwerkknoten erlaubt und gleichzeitig einen hohen Datendurchsatz bietet. So ist es uns zum einen gelungen, die Zykluszeit deutlich abzusenken: sie beträgt jetzt nur noch 400 µs. Zum anderen konnten wir umfangreiche Softwareteile aus den Antrieben in eine zentrale Antriebssteuerung verlagern“, erklärt G. Oedl. „Das vereinfacht die Wartung und Pflege der Software spürbar.“

Die insgesamt 398 Acopos-Module (Wechselrichter und Versorgungsmodule) der Anlage werden von zwölf Indus­trierechnern aus der Serie APC810 synchronisiert. Dazu sind sie mit je drei Powerlink-Karten ausgestattet, die jeweils bis zu 13 Module ansteuern. Über eine weitere Powerlink-Karte kommunizieren die Industrierechner untereinander bzw. mit einem übergeordneten APC810, auf dem die Antriebssoftware von Brückner ausgeführt wird. Die Anlagensteuerung, die zum Beispiel für die Steuerung des Ofens verantwortlich zeichnet, ist an den Industrierechner über eine Profibus-Schnittstelle angebunden.

Die kurze Zykluszeit und der minimale Jitter von Powerlink erlaubten es Brückner, die Zonen eng zu verketten, wie der Leiter Entwicklung Elektrotechnik des Unternehmens bestätigt: „Die einzelnen Zonen bilden ein sehr homogenes Feld. Der Fehler liegt weit unter einer Millisekunde, die die Anwendung erfordert.“

Vorteilhaft für den Maschinenbauer ist zudem, dass Powerlink kein proprietäres Bussystem ist, sondern als Open Source zur Verfügung steht und daher von vielen Herstellern unterstützt wird. Entsprechend groß ist die Auswahl verfügbarer Lösungen, zu denen professionelle Diagnose-Tools gehören.


Mit Energie und Platz sparsam umgegangen
Überzeugt hat die Verantwortlichen bei Brückner auch das breite Produktspek­trum der Acopos-Familie. Angetan waren sie von der Möglichkeit, zwei Achsen bzw. Wicklungen mit einem Wechselrichter ansteuern zu können, wie G. Oedl berichtet. „Statt mit 728 Umrichtermodulen sind wir mit 398 ausgekommen. Das hat uns ganz klar Kosten- und Platzvorteile gebracht.“
Ihr besonderes Augenmerk legten die Manager von Brückner dabei auch auf die Kühltechnik. „Bei der Luftkühlung besteht die Gefahr, dass verstopfte Filter nicht rechtzeitig getauscht, oder noch schlimmer, entfernt und nicht mehr ersetzt werden“, warnt der Brückner-Mann. „Wir haben uns daher eine Cold-Plate-Variante gewünscht. B&R hat sich hier in Vorgesprächen sehr kooperativ gezeigt und eine entsprechende Lösung entwickelt.“ Auch später im Projektablauf sei der Servicegedanke von B&R groß geschrieben worden: Das Unternehmen bildete die gesamte Antriebstechnik im eigenen Technikum in Eggelsberg nach und stellte sie für Entwicklungsaktivitäten zur Verfügung.

Dies und ein weiteres Detail der Acopos-Umrichter hat die Entscheidung, B&R-Antriebstechnik einzusetzen, unterstützt: Die Geräte kommen ohne Wärmeleitpaste aus. „Der Wechsel eines Umrichters im Wartungsfall lässt sich daher – statt wie bisher in einer Stunde – in einer halben Stunde erledigen“, berichtet G. Oedl.

Außerdem wird bei Antrieben mit Cold Plate die anfallende Verlustwärme wesentlich effektiver mithilfe von Wasser oder Öl aus dem Schaltschrank transportiert. Temperaturspitzen und große Temperaturwechsel können so vermieden und damit die Lebensdauer der Elektronik verlängert werden. Wird das Kühlwasser in einen vorhandenen Kühlkreislauf eingespeist, wird zudem gegenüber herkömmlichen Kühlmethoden ein höherer Gesamtwirkungsgrad erreicht.


Sensorlose Regelung für mehr Effizienz und Robustheit
Zusätzliche deutliche Energieeinsparungen soll die geplante Umstellung von einer gesteuerten zu einer geregelten Ansteuerung der Wicklungen bringen. Hierzu muss Brückner auf ein sensorloses Verfahren zurückgreifen, da im Bereich des Ofens keine Sensoren montiert werden können. „Dank der sensorlosen Regelung werden wir die Leistung pro Anlage um 100 kW bis 150 kW reduzieren können“, konkretisiert der Experte. Ein weiterer Pluspunkt dieser Ansteuerungsart ist die höhere Dämpfung im Vergleich zum nur schwach gedämpften Magnetwelle-Masse-System. Damit sind Maschinen mit sensorloser Regelung robuster gegenüber Störungen, wie Prozessvariationen oder Folienriss. „Die Vorzüge der sensorlosen Regelung liegen klar auf der Hand. Wir begrüßen es daher sehr, dass wir entsprechende Lösungen zukünftig von B&R beziehen können“, sagt der Manager von Brückner.


Fazit
Mit dem Übergang zur B&R-Technik konnte der Maschinenbauer aus dem Chiemgau die Kosten für die Antriebstechnik reduzieren und die Zykluszeit verkürzen. Zudem wurde die Wartung der Hard- und Software vereinfacht. Und last but not least brachte die Ablösung der proprietären Umrichter- und Bustechnik durch eine Lösung „von der Stange“ weitere Vorteile.

Andreas Enzenbach
Andreas Enzenbach ist Manager Communcations and Marketing bei B&R in Eggelsberg/Österreich.

Weitere Informationen unter www.br-automation.com.

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