Industriesteuerungen

Den Kosten einheizen

Modulare dezentrale Heizungssteuerungen als wirtschaftliche Alternative zur konventionellen Gerätetechnik. Bei thermischen Prozessen wie der Folienextrusion, dem Thermoformen oder dem PET-Blasformen kommt es nicht nur auf Präzision an, sondern auch auf Wirtschaftlichkeit. Hier gewinnen Produktionstechnologien an Bedeutung, die sich einfach in das Automatisierungsumfeld integrieren lassen. Typische Anwendungen zeigen, dass modular aufgebaute Gesamtlösungen einfacher im Engineering, kompakter und platzsparend im Aufbau und vielseitiger und flexibler im Betrieb sein können.

Viele Prozesse rund um die Kunststofftechnik leben von der thermischen Umformung mit Hilfe ohmscher Verbraucher. Kompakte und modular aufgebaute Heizungssteuerungen sollen Anlagenkonzeption und –betrieb vereinfachen.

Die Kunststoffverarbeitung ist in vielen Verfahren geprägt von thermischen Prozessen, die mit – teils sehr vielen – Heizelementen optimal gesteuert werden müssen. Die geforderten Temperaturen werden häufig über ohmsche Verbraucher erzeugt, die entsprechend präzise gesteuert werden. Modulare Steuerungstechnik soll die Kosten deutlich senken.

Die Basis dafür können Steuerungen des Typs Siplus HCS (Heating Control System) als Alternative zu einfachen Schützsteuerungen als kompakte Gesamtlösungen bieten. Bei der Gesamtlösung sind in einem Gerät Einzelkomponenten wie Schaltelemente und Sicherungen sowie Funktionen wie Profinet-Kommunikation, Ansteuermechanismen und umfangreiche, detaillierte Diagnose integriert. Die nächste Generation dieser Geräte, Siplus HCS4200 und HCS4300 dienen mit ihrer modularen Bauweise als dezentrale Peripherie. Sie lassen sich in das Simatic-Automatisierungsumfeld von Siemens integrieren. Auch dadurch sollen sich für Anwender Vorteile ergeben, die sich in klare Zahlen fassen lassen: Für eine Thermoformanwendung mit 192 Heizelementen soll die neue HCS-Heizungssteuerungen gegenüber der herkömmlichen Lösungen mit Einzelkomponenten etwa vier Fünftel der Kosten sparen lassen.

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Die Heizungssteuerungen sollen im Engineering, bezüglich Einbauraum, und während des Betriebs entscheidende Vorteile bieten.

In diese Berechnung einbezogen sind das Engineering, die Gerätetechnik inklusive Verdrahtungsaufwand sowie der Platzbedarf. Ähnliche Ergebnisse ergäben sich bei der Lacktrocknung, wo im Automotive-Sektor eine Applikation mit 920 Heizelementen bewertet wurde: Durch Einsatz von HCS-Geräten ließe sich hier drei Viertel der Kosten im Vergleich zu einer konventionellen Heizungssteuerung mit Einzelgeräten einsparen.

Auch bei der Folienextrusion mit 300 Heizelementen ergäben sich Preisvorteile bis 79 Prozent gegenüber einem konventionellen Aufbau sowie eine Platzeinsparung im Schaltschrank von bis zu 2,8 Quadratmeter. Selbst das Blasformen mit 360 Heizelementen profitiere mit 18 Prozent Preisvorteil und 4,7 Quadratmeter gespartem Platz im Schaltschrank von den Möglichkeiten der modernen, kompakten und flexibel anpassbaren Geräte.

Die dezentrale Peripherie Siplus HCS4300 ist für die Ansteuerung von maximal 54 Heizelementen pro Central Interface Modul in 400- und 480 Volt-Netzen ausgelegt.

Anschluss per Plug-and-Play
Als wichtiges Merkmal der Heizungssteuerungen wir herausgestellt, dass alle notwendigen Komponenten wie Schaltelemente, Absicherungen, Profinet-Kommunikation, Power-Controlling und detaillierte Diagnose integriert sind. Darüber hinaus lassen sich die Geräte als dezentrale Peripherie modular und damit flexibel an den Bedarf anpassen. In der Praxis bedeutet das: An das Central Interface Modul (CIM) sind bis zu zwölf Power Output Module (POM) mit jeweils 16 Leistungsausgängen anschließbar, von denen jeder bis 1449 Watt Leistung bei 230 Volt übertragen kann. An Siplus HCS4300 hingegen lassen sich bis zu sechs solcher Module anreihen mit jeweils neun Ausgängen bis jeweils 6400 Watt Leistung bei 400 Volt. Daraus ergeben sich maximal zulässige POM-Ausgangsleistungen von 16,1 oder 57,6 Kilowatt.

Auch beim Netzbetrieb unterscheiden sich die beiden Heizungssteuerungen. Während die „kleinere“ in 230 Volt-Netzen betrieben wird, ist die „größere“ für 400- und 480 Volt-Netze ausgelegt. Der Anschluss der Strahler geschieht bei der einen in Stern-, bei der anderen in Dreieckschaltung. Neben den erhöhten Netzausgangsleistungen ist vor allem auch die neue Möglichkeit der Profinet-Kommunikation ein wichtiger Faktor für das vereinfachte Engineering. Denn viele Maschinen und Anlagen basieren bereits auf dem modernen und leistungsfähigen Industrial Ethernet. Als einbaufertiges Subsystem wird die Heizungssteuerung per Plug-and-Play an die übergeordnete Maschinen- oder Anlagensteuerung angeschlossen.

Bis zu 192 Heizelemente kann die dezentralen Peripherie Siplus HCS4200 in 230 Volt-Netzen ansteuern.

Vereinfachtes Engineering
Ebenso einfach sei das Engineering der neuen Heizungssteuerungen, was neben den Einsparmöglichkeiten beim Platz und bei der benötigten Zahl der Einzelgeräte ein starkes Argument für den Einsatz der neuen Technik ist. Gerade bei komplexen Applikationen sind die Vorteile der schnellen und einfachen Projektierung der Heizungssteuerungen mithilfe des Engineering Frameworks Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) besonders deutlich. Vor allem von der Möglichkeit der grafischen Programmierung profitiert der Anwender bei jedem Programmschritt. Es ist weniger Aufwand für das Erlernen einer Software erforderlich, die Energie kann auf die eigentliche Engineering-Aufgabe verwendet werden. Die Visualisierung wird durch Einsatz von TIA Portal und der umfangreichen „Thermografik“-Bibliothek für WinCC-advanced, dem Siemens-Programmteil zum Programmieren des HMI (Human Machine Interface), spürbar vereinfacht. Damit lassen sich beispielsweise Heizfelder schnell und komfortabel visualisieren.

Vor allem in Verbindung mit den leistungsfähigen Maschinen- und Anlagensteuerungen Simatic S7-1200 und S7-1500 des gleichen Herstellers ergibt die in den HCS-Geräten integrierte Diagnose zusätzliche Vorteile, zum Beispiel die detaillierte Erkennung interner und externer Fehler. Denn in vielen thermischen Prozessen ist die Qualität des Heizprozesses ein entscheidender Parameter für die Qualität des Endprodukts. Fallen Heizungselemente aus, erkennt die Heizungssteuerung das und kann es an die Maschinen- oder Anlagensteuerung weitergeben. Durch steuerungstechnische Anpassungen in den einzelnen Heizfeldern oder -zonen kann sofort darauf reagiert werden. Bevor also Fehlteile entstehen, ermöglicht die umfassende Diagnose entsprechende Gegenmaßnahmen – wie das automatische Erhöhen der Stromstärke in den übrigen Heizelementen.

Dezentrale Heizungslösung für mehr Flexibilität
Gerade Applikationen mit einer großen Zahl von Heizelementen profitieren von den technischen Vorteilen der modular aufgebauten Siplus HCS-Heizungssteuerungen. In diesem Zusammenhang spricht der Hersteller davon, dass bei mehr als 20 einzelnen Heizelementen eine solche modulare Lösung bereits wirtschaftlich interessant für die Gesamtanlage sein kann. Umso mehr gilt das, wenn Produktionsmaschinen automatisierte, integrierte Heizprozesse enthalten oder unterschiedliche Endprodukte variable Sollwertvorgaben erfordern.

Die Integration der Heizungssteuerungen in die Maschinen- oder Anlagenautomatisierung über Profinet ist entsprechend komfortabel.

Spezielle Routinen ermöglichen ein prozentgenaues Ansteuern der Heizelemente und sorgen so für eine gleichmäßige Netzbelastung. Außerdem lassen sich damit auch Stromspitzen reduzieren. Zudem kann man mithilfe variabel programmierbarer Heizprogramme Ausgangsleistungen dosieren und Produktionszeiten verkürzen.

Dezentrale Peripherie als Gesamtlösung
Nahezu alle thermischen Prozesse mit ohmschen Lasten in 230-, 400- und 480 Volt-Netzen lassen sich mit den Systemen steuern. Je mehr Heizelemente daran angeschlossen werden, umso wirtschaftlicher und komfortabler in der Handhabung erweise sich eine solche dezentrale Peripherie. In Verbindung mit dem Engineering Framework TIA Portal lässt sich diese modular aufgebaute Lösung individuell mit vergleichsweise geringem Engineering-Aufwand in Applikationen der Kunststofftechnik integrieren. In Verbindung mit der umfassenden Thermografik-Bibliothek kann auch die Visualisierung übersichtlich, schnell und komfortabel umgesetzt werden.

Die größten Vorteile ergeben sich bei vielen Heizelementen und hohem Automatisierungsgrad, denn in den Geräten sind alle für die Heizungssteuerung notwendigen Komponenten integriert. Neben der integrierten Ansteuerung der Heizelemente im Nulldurchgang sind auch schnelle und umfassende Diagnosefunktionen vorhanden. So lässt sich der Ausfall einzelner Heizelemente schnell erfassen und exakt lokalisieren, was sich positiv auf die Produktivität und Produktqualität auswirkt. Vereinfachtes Engineering, hohe Wirtschaftlichkeit, problemlose Integration in die Automatisierungswelt plus entsprechender Betriebssicherheit sind die Werte, mit denen die neuen, modular aufgebauten Heizungssteuerungen in Zukunft thermische Produktionsprozesse aufwerten sollen.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Petra Schäffer aus der Business Unit Factory Automation der Siemens AG.

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