TIA Portal

Steuern, was sich ewig bindet

Schweißen von Kunststoffen mit besseren Heizungssteuerungen. Das Fügen von Kunststoffbauteilen läuft ähnlich ab wie Nieten: Temperaturgeregelte Dorne verpressen sogenannte Dome thermoplastisch – analog zur Niete – bis die Oberflächen beider Bauteile fest zusammenhalten. Die Temperaturregelung spielt hierbei die wichtigste Rolle. Aber auch die Automatisierung trägt zur hohen Qualität dieser Verbindungsmethode bei.

Die Metrik Sondermaschinenbau baut Anlagen zum thermischen Verschweißen von Kunststoffteilen mithilfe von Heiz-Dornen und setzt dabei auf Technik nach dem Vorbild von Totally Integrated Automation. (Bild: Siemens)

Das TIA Portal ist in der Handhabung ziemlich einfach, fasst Ernst Gebert, Inhaber der Metrik Sondermaschinenbau im oberfränkischen Creußen seine Erfahrungen zusammen. Als größten Vorteil dieses Engineering Frameworks von Siemens sieht er die Bündelung aller Automatisierungsaufgaben auf einer Softwareplattform. Gleichermaßen folgt er bei der hardwareseitigen Ausrüstung von Maschinen und Anlagen der Strategie „Totally Integrated Automation“ (TIA). Als Sondermaschinenbauer profitiert er von solchem Systemdenken.

Für einen Kunden in der Automobilindustrie lieferte der Sondermaschinenbauer Metrik eine Anlage zum thermischen Nieten von Kunststoff-Bauteilen. Neben der aufwändigen Automatisierung ist das technologische Highlight die präzise Regelung von Druck und Temperatur beim Pressvorgang. Kurz zum Vorgang: Nachdem die zu fügenden Bauteile in die Maschine eingelegt worden sind, müssen die überstehenden Dome präzise gepresst werden. Dies übernehmen beheizte Dorne mit jeweils 200 Watt Leistung im beweglichen Oberteil des Werkzeugs. Bis zu 120 dieser Dorne können in einer Anlage vorhanden sein, so die bisherige Erfahrung der Oberfranken. Der Firmenchef kommentiert: „An dieser Stelle wirkt sich jede Prozessoptimierung auf die Qualität und die Wirtschaftlichkeit aus.“

Anzeige

Steuerung für die präzise Temperaturregelung
Früher wurden zum Beheizen der Dorne Halbleiterrelais eingesetzt, die in Verbindung mit einer schnellen Temperaturregelung eine Regeltoleranz von ±10 °C ermöglichten. Mit der Heizungssteuerung Siplus HCS4200 wären ±1 °C möglich, so die Einschätzung des Automatisierungsexperten. Durch Einsatz dieser leistungsfähigen Systemlösung hat der Endanwender einige Vorteile. So können im Verlauf des Anlageneinfahrens über die Anlagensteuerung sehr schnell neue Sollwerte in Prozent eingestellt werden. Und: Dauerte beispielsweise bisher ein Zyklus etwa eine Minute, so reduziert er sich nun auf etwa 40 Sekunden. Ernst Gebert: „Aufgrund der durchgängigen Systemlösung auf Basis von TIA mit Heizungssteuerung, Anlagensteuerung und dezentraler Peripherie lässt sich nun mal alles viel besser aufeinander anpassen.“

Bis zu 120 Dorne für das Heißnieten/Verschweißen können in einer Anlage vorhanden sein; jeder wird mit minimalen Temperaturdifferenzen gefahren. (Bild: Siemens)

Dank modularem Aufbau der Anlage lässt sich die Heizungssteuerung individuell an die Dorne anpassen. Und es lasse sich bis zu 80 Prozent Verkabelungsaufwand einsparen. Auch die enorme Platzeinsparung spreche für ein großes Plus dieser Lösung: Statt großer Schaltschränke passt die Heizungssteuerung in den Unterbau der Anlagen. Rund 70 Prozent des früher benötigten Platzes sei eingespart worden und die gestalterische Flexibilität sei erheblich höher.

Die Heizungssteuerung bietet alle zum Ansteuern von Heizelementen notwendigen Komponenten wie Schaltelemente, Sicherungen, Kommunikation über Profinet oder Profibus, Power Controlling sowie eine detaillierte Diagnose. Da die Leistungshalbleiter im Nulldurchgang schalten, reduzieren sich die Belastung auf die Schaltelemente, die Netzrückwirkungen sowie EMV-Störungen.

Ernst Gebert, Inhaber der Metrik Sondermaschinenbau: „Durch die moderne Heizungssteuerung in Verbindung mit dem TIA Portal haben wir viel Engineering-Aufwand gespart.“ (Bild: Siemens)

Die Leitungen von jedem einzelnen Heizelement sind im Gerät abgesichert und der interne Aufbau lässt eine kanalgenaue Diagnose zu. Hierfür stellt Siemens einen entsprechenden Baustein zur Verfügung. Im Vergleich zur manuellen Programmierung von Diagnoseinformationen würden auf diese Weise rund 90 Prozent Zeit gespart werden, schätzt Ernst Gebert. Was eine umfassende Diagnose in der Praxis bedeutet, beschreibt er folgendermaßen: „Die Zeit bis man einen Fehler über Trial and Error lokalisiert hat, war bisher immer sehr lang. Über die Diagnose der Heizungssteuerung geht das jetzt auf Knopfdruck.“

Integriert bis zur Diagnosefunktion
Auch hier erweist sich die nach dem Vorbild von TIA abgestimmte Systemlösung als praktisch. Denn über Profinet ist die Heizungssteuerung mit der Anlagensteuerung Simatic S7-1500 verbunden. So lassen sich die Werte leicht übernehmen und am Comfort Panel mithilfe der Trace-Funktion darstellen. Damit kann die ordnungsgemäße Funktion jeder einzelnen Heizpatrone dargestellt und beobachtet werden. „Diesen Komfort haben wir nun erstmals kennen und schätzen gelernt“, ergänzt der Firmenchef.

So gibt es zum Beispiel Betriebszustände, die nur schwer zu ermitteln sind, zum Beispiel Überschwinger durch fehlerhafte Heizpatronen. Früher konnte man höchstens anhand der Temperaturveränderung auf ein Fehlverhalten schließen, nun sieht man wann und wie oft ein solcher Sprung auftritt. Über die Darstellung am Display wird ein fehlerhaftes Verhalten sofort erkannt und die betreffende Heizpatrone kann getauscht werden. „Das hat die Qualität der Handhabung um 100 Prozent verbessert“, versichert Ernst Gebert.

Die Heizungssteuerung Siplus HCS4200 ist modular erweiterbar und kommuniziert mit der Hauptsteuerung über Profinet. Durch ihre kompakten Abmessungen lässt sich viel Platz im Schaltschrank sparen. (Bild: Siemens)

Verbesserungen in der gesamten Anlage
Mit Totally Integrated Automation als zentralem Leitgedanken bei der Entwicklung der Kunststoff-Schweißanlagen wurden neben der leistungsfähigen Heizungssteuerung noch weitere Verbesserungen in der gesamten Automatisierung umgesetzt. Angefangen bei der Steuerung Simatic S7-1500, die neben der Automatisierung einschließlich der Regelung der Heizungssteuerung und der Visualisierung am HMI, auch Motion Control Aufgaben übernimmt.

Alles wird von einer S7-1500 F-CPU gesteuert, die auf die Antriebsfamilie Sinamics abgestimmt ist. Motion Control heißt hier zum Beispiel Gleichlauf der Vertikalachsen und Positionsregelung der Dornen-Traverse. Die Projektierung der Motion Control Aufgaben sei über Technologieobjekte einfach zu realisieren und durchgängig im TIA Portal integriert. Die Bewegung selbst führen je nach Größe des Oberwerkzeugs ein oder zwei Servomotoren vom Typ Simotics 1FK7 in Verbindung mit den fehlersicheren Frequenzumrichtern Sinamics S120 aus. Dabei läuft die gesamte Kommunikation innerhalb der Maschine über Profinet.

Über einen Vorteil dieser reinelektrischen Designvariante freut sich Ernst Gebert besonders: „Mit dieser Lösung positionieren wir etwa 80 Prozent schneller als bei den früher eingesetzten pneumatischen Linearantrieben.“ Und es gebe weitere Vorteile. So sorge der über die Elektroachsen und die Steuerung erzeugte Gleichlauf dafür, dass sich in den Maschinen mechanische Elemente wie Führungen in merklichem Umfang einsparen lassen.

Im TIA Portal gibt es für die Heizungssteuerung entsprechende Diagnosebausteine. Damit lassen sich die Vorgänge in den Heizpatronen kanalgenau überwachen. (Bild: Siemens)

Einheitliche Lösung – Sicherheitstechnik inklusive
Der Systemgedanke durchzieht indes nicht nur die Standard-Automatisierung, sondern auch die Sicherheitstechnik. Während Metrik früher Sicherheitsschaltgeräte mit entsprechender Hardwareverdrahtung für die Überwachung der Not-Halt Befehlsgeräte und der Schutztüren genutzt hat, setzen die Entwickler nun ganz auf die Möglichkeit, diese Sicherheitsfunktionen in einer fehlersicheren CPU der S7-1500 abarbeiten zu können. Je nach Anlagengröße wird die CPU1513F bis CPU1516F eingesetzt. Über Profinet/Profisafe ist die CPU mit der dezentralen Peripherie Simatic ET 200SP verbunden, in der gleichzeitig Standard- und fehlersichere Signale verarbeitet werden. Auch die integrierte Sicherheitsfunktion STO (Safe Torque Off) des Sinamics S120 wird über Profinet/Profisafe angesteuert, was den Verkabelungsaufwand weiter reduziert und die Verfügbarkeit erhöht.

Dabei konzentriert sich alles auf das TIA Portal als zentrale Software. Programmierung, Parametrierung, Visualisierung und Sicherheitstechnik lassen sich auf einer gemeinsamen Plattform realisieren. „Eine Software für alles – das ist unbezahlbar“, weiß der Metrik-Firmenchef. Welche Vorteile sie bringt, erleben die Oberfranken tagtäglich. Ohne Probleme funktioniere Totally Integrated Automation auch in Verbindung mit der Heizungssteuerung HCS4200. Diese habe in den Anlagen zum Thermo-Verschweißen von Kunststoffen ihre Feuertaufe bestanden. Ernst Gebert resümiert: „Die modular erweiterbare Lösung fügt sich perfekt in das Automatisierungskonzept ein und sorgt gleichzeitig an vielen Stellen für spürbare Verbesserungen. Wir wollen nun mal mit innovativer Technik Standards in der Branche setzen.“

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Petra Schäffer. Sie arbeitet in der der Siemens-Division Digital Factory / Process Industries and Drive.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Ultraschall-Schweißtechnik

Schallschutz neu aufgelegt

Bereits 1973 war Herrmann Ultraschall mit der ersten serienmäßigen Schallschutzkabine Vorreiter für Arbeitssicherheit und Ergonomie. Der Ultrasafe veränderte die Arbeitswelt beim Ultraschallschweißen. Zur Fakuma gibt es eine moderne Neuauflage...

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Radial-Optik 68

Runde Lösung für das Schweißen

Zur Fakuma ist eine neue Variante der Radial-Optik angekündigt, um rotationssymmetrische Kunststoff-Bauteile bis 68 Millimeter Durchmesser simultan verschweißen zu können. Beim Radialschweißen wird aus einem punktförmigen Laserstrahl ein Ring...

mehr...