spectrum metalforming Einheitliche Visualisierung WinCC flexible als Basis für Schuler-Visualisierungssysteme

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1 spectrum metalforming s Systemlösungen für die Umformtechnik 1. Jahrgang Oktober 2004 Kippkompensation von Ziehkissen mit Sinumerik Simotion Safety Unit auch in Kanada zertifiziert Einheitliche Visualisierung WinCC flexible als Basis für Schuler-Visualisierungssysteme

2 2 INHALT TRENDS Einheitliche Visualisierung im Presswerk 3 Einheitliche Visualisierung ist Trumpf Simatic WinCC flexible ist Basis für Schuler-Visualisierungssystem Mechatronik in der Umformtechnik 10 Die Funktion ist wichtig Professor Dr. Karl Heß über die Entwicklung im modernen Maschinenbau Simotion: Motion Control-System für komplexe Bewegung Koerber Schuler Pressen 8 12 CASE STUDIES Rotationsschneidanlangen 6 Kontinuierlich und präzise geschnitten Simtion erhöht die Qualität beim Blechschneiden Automatisierung von hydraulischen Ziehkissen 8 Ausgleich im Kissen Sinumerik 840D mit offenem NC-Kern zur Kippkompensation eines hydraulischen Ziehkissens Linearantriebstechnik beim Umformen 12 Stanzrapid hochdynamisch und genau Leistungsstarke Direktantriebsund Steuerungstechnik ersetzt Hydraulikantriebstechnik Sicherheit an Pressen 14 High End und Low Cost vereint Pressensteuerung mit Simotion Safety Unit Sicherheit an Pressen 16 Sicherheit einfach einbauen Simotion Safety Unit bietet zertifizierte sichere Steuerungslösung Kinetische Energiepufferung 18 Energie im Transfer Spannungsschwankungen und Netzausfälle einfach abfangen Liebe Leserin, lieber Leser, auch in so klassischen Branchen wie der Umformtechnik ist der Trend hin zu flexiblen Produktionssystemen und ständig wechselnden Losgrößen nicht zu übersehen. Die Entwicklung auf der Maschinenebene geht ganz klar in Richtung modulare Anlagen mit dezentraler Automatisierungs- und Antriebstechnik. Aufgrund der steigenden Bedeutung der Automatisierung sind starke Partner besonders förderlich. Partner, die über die notwendige Kompetenz für komplexe prozessorientierte Systeme verfügen und in ganzheitlichen Lösungsansätzen denken. Mit uns, dem Umformtechnik-Team von Siemens, haben Sie einen solchen Partner. Als einziger Komplettanbieter für Steuerungs- und Antriebstechnik, Visualisierung und Sicherheit bieten wir Ihnen zukunftssichere Konzepte und Motion Control-Lösungen, die eine offene Steuerungsarchitektur aufweisen, über Industriestandards verfügen und mit Hilfe intuitiver Bedienfunktionen eng an der Anwendung orientiert sind. Dies alles trägt maßgeblich dazu bei, die Produktivität der Anlage und die Qualität der Produkte voranzutreiben und die Lebenszykluskosten der Anlage zu senken. Damit unterstützen wir Sie und Ihre Kunden dabei, die Profitabilität und letztlich auch die Wettbewerbsfähigkeit zu steigern. BMW 18 Valentin Ardelean Leiter Business Development Branche Umformtechnik bei A&D MC PM1 Impressum Herausgeber Siemens Aktiengesellschaft, Automation & Drives Division (A&D), Nürnberg Bereichsvorstand Helmut Gierse, Anton. S. Huber, Alfred Oetsch Presserechtliche Verantwortung Peter Miodek Verantwortlich für den fachlichen Inhalt Emil Egerer Verlag Publicis KommunikationsAgentur GmbH, Corporate Publishing Postfach 32 40, Erlangen Telefon +49 (0) 91 31/ Telefax +49 (0) 91 31/ Redaktion: Beate Bellinghausen Layout: Jürgen Streitenberger CvD., Schlussredaktion: Irmgard Wagner DTP Doess Prepress, Nürnberg Druck Stürtz AG, Würzburg Diese Ausgabe wurde auf Papier aus umweltfreundlich chlorfrei gebleichtem Zellstoff gedruck by Siemens Aktiengesellschaft Berlin und München. Alle Rechte vorbehalten. Auflage: Printed in Germany Titelbild Unaxis Semiconductors Bestellnummer: E20001-A360-P RÖD Die folgenden Produkte sind eingetragene Marken der Siemens AG: SIMATIC, S7-300, S7-400, SIMATIC imap, Multi Panel, ProTool, STEP, WinCC, SIMODRIVE, SIMOTION, SIMOVERT, SINAMICS, SINUMERIK, SITOP und TIA. Wenn Markenzeichen, Handelsnamen, technische Lösungen oder dergleichen nicht besonders erwähnt sind, bedeutet dies nicht, dass sie keinen Schutz genießen.

3 Trends Einheitliche Visualisierung im Presswerk 3 Simatic WinCC flexible ist Basis für Schuler-Visualisierungssystem Einheitliche Visualisierung ist Trumpf Die Schuler AG aus Göppingen ist gerade dabei, ein neues Visualisierungssystem als weltweiten Konzernstandard zu entwickeln. Eine wichtige Rolle dabei spielt Simatic WinCC beziehungsweise WinCC flexible. Wir sprachen mit Heinz Niedermann, Projektleiter bei Schuler für das neue Schuler MultiView (SMV). Herr Niedermann, Sie entwickeln gerade ein neues Visualisierungssystem, das Schuler MultiView. In welchen Anlagen soll das neue System eingesetzt werden? Heinz Niedermann: Grundsätzlich verfolgen wir zwei Linien. Die eine ist ProfiLine, mit der wir modulare Standardlösungen für Presswerksausrüstungen von Zulieferbetrieben bieten. Dort setzen wir unser bereits existierendes Visualisierungssystem, das Schuler BasicView (SBV), ein. Dieses basiert auf Simatic ProTool/Pro und steht als Panelversion für Simatic MP 370 vorzugsweise Touch, auf Sonderwunsch aber auch mit Tasten oder auf PC-Basis zur Verfügung. Unsere zweite Produktlinie ist die speziell für die Automobilindustrie entwickelte AutomotiveLine. Für diese Linie wird zurzeit ein neues Visualisierungssystem, das Schuler MultiView (SMV), entwickelt. Was wird die Basis des neuen SMV sein? Heinz Niedermann: Nach intensiven Recherchen auf dem Gebiet der Visualisierungssysteme haben wir uns für Simatic WinCC flexible entschieden. Dabei starten wir erst mit WinCC 6.0, denn WinCC flexible 1.0 deckt den Einsatzbereich vom kleinsten Panel bis hin zum Einplatz-PC-System ab. Deshalb wollen wir es zunächst nur in Schuler Basic- View einsetzen. Die Entwicklung des neuen Systems erfolgt dabei in enger Zusammenarbeit mit Siemens. Denn wenn wir ein neues System entwickeln, möchten Nach intensiven Recherchen auf dem Gebiet der Visualisierungssysteme haben wir uns für WinCC flexible entschieden. wir den von uns ausgewählten Systemhersteller mit ins Boot nehmen, was uns aufgrund der bisher gemachten guten Erfahrungen bei Siemens nicht schwer fiel. So arbeiten momentan zwei Mitarbeiter von Siemens bei uns in der Entwicklungsabteilung. Wir möchten das System zum weltweiten Konzernstandard machen mit dem Ziel, dass es bei Schuler in Zukunft nur zwei Visualisierungssysteme mit einem einheitlichen look and feel gibt: das Schuler BasicView und das Schuler MultiView und das unabhängig davon, ob es sich bei der Maschine um eine Bandanlage, eine hydraulische oder mechanische Presse oder um eine automatische Platinenzuführung handelt. Worin unterscheiden sich die Visualisierungssysteme Schuler Basic- View und Schuler MultiView? Heinz Niedermann: In Großanlagen gibt es viel mehr Bedienstationen und auch gleichzeitige Bedienungen sowie mehr Bilder als bei kleineren Anlagen oder Maschinen. Dadurch wird die Navigation komplexer. Außerdem braucht man zahlreiche Zusatzfunktionen, die deutlich mehr Add-ons verlangen als im Basissystem sein können. Und schließlich benötigt man bei großen Anlagen Funktionalitäten, mit denen man die Anlage optimieren kann zum Beispiel Reporting-Funktionen (Produktionsstand, Stillstände, Ausbringung etc.) oder Hilfefunktionen. Dies alles braucht man bei kleineren Maschinen nicht. Sie exportieren Ihre Anlagen in die ganze Welt. Das heißt, bei der Bedienung der Anlagen spielen auch die verschiedenen Sprachen eine große Rolle. Heinz Niedermann: Ja sicher. Daher haben wir bei der Systemauswahl sehr großen Wert auf die Sprachenunterstützung gelegt. Inzwischen unterstützen wir neben Deutsch und Englisch auch Portugiesisch, 3

4 4 TRENDS Einheitliche Visualisierung im Presswerk Maschinennahes Bedienen und Beobachten und Prozessvisualisierung mit einer Software Zukunft eingebaut! Die Welten zwischen maschinennahem Bedienen und Beobachten und anlagenübergreifender Prozessüberwachung (SCADA Supervisory Control and Data Acquisition) wachsen immer enger zusammen. Etwa 80 Prozent aller Anwender der marktführenden Software im SCADA-Segment Simatic WinCC setzen parallel auch Panels zum maschinennahen Bedienen und Beobachten ein. Heute müssen dafür zwei unterschiedliche Systeme verwendet werden: Simatic ProTool oder ProTool/Pro für das Projektieren von maschinennahen HMI-Anwendungen und Simatic WinCC für die Prozessvisualisierung. Mit Simatic WinCC flexible bietet Siemens eine einheitliche HMI-Software für alle Anwendungen vom maschinennahen Bedienen und Beobachten bis hin zur Prozessvisualisierung. Die kompatible Ablösung der bestehenden Software- Familien ProTool und WinCC erfolgt dabei in Stufen. Migration in zwei Stufen Seit 2004 können Applikationen für Bediengeräte unter Windows CE und PC-Systeme unter Windows 2000 oder XP Professional mit WinCC flexible realisiert werden, während WinCC weiterhin das Prozessvisualisierungssystem von Siemens bleibt. Mit der zweiten Stufe können auch Projekte für die Anlagenüberwachung auf Basis von WinCC flexible realisiert werden. Die bestehenden Softwareprodukte ProTool und WinCC stehen aber auch weiterhin zur Verfügung. WinCC flexible erlaubt die durchgängige Projektierung aller Windows CEbasierten Simatic HMI-Bediengeräte vom kleinsten Micro Panel bis hin zur Lösung auf PC mit einer Engineering-Software. Bestehende ProTool-Projekte für CE-Geräte können kompatibel übernommen beziehungsweise konvertiert werden. Das Personal braucht nur noch eine Engineeringumgebung zu erlernen und kann damit sämtliche Visualisierungsaufgaben projektieren. Projektteile, die beispielsweise für ein kleines Panel erstellt wurden, können in anderen Panels oder in der übergeordneten Prozessvisualisierung weiter genutzt werden. Hohe Projektierungseffizienz ist gesichert durch mitgelieferte Bildbausteine, intelligente Assistenten und die vollständige Einbindung in Totally Integrated Automation durch die Integration in Simatic Step 7, Simatic imap, und Simotion Scout. Mit Hilfe zahlreicher Usability-Tests in Europa und den USA wurde eine einfache, intuitiv bedienbare Oberfläche entwickelt. Interessant vor allem für exportorientierte Maschinenbauer ist die Unterstützung für fremdsprachige Projektierungen. Die wichtigste Terminologie im Bedienund Beobachtungsbereich ist bereits in fünf Sprachen vorhanden und kann einfach ergänzt werden. Komfortable Textimportund Exportfunktionen erlauben effizientes Übersetzen. bedienen und beobachten... Die Option WinCC Access bietet die Möglichkeit, zwischen HMI- Systemen, einem Panel und einem PC, oder zwischen mehreren Panels direkt Daten auszutauschen. Dabei kommunizieren die einzelnen Bediengeräte mittels HTTP über Industrial Ethernet. Prozessdaten lassen sich per LAN, Intranet oder Internet über eine TCP/IP-Verbindung zu einer übergeordneten Station schicken. Diese Station fungiert dann wie eine zentrale Warte und kann die Daten mit WinCC flexible oder Office-Standardapplikationen wie Microsoft Excel auswerten und anzei- Siemens

5 5 Ob maschinennahe Anwendungen (li.) oder Wartenlösung (re.): WinCC flexible ist die einheitliche Visualisierungsplattform für jede Aufgabe gen. Gleichzeitig lassen sich Bediengeräte und PC remote bedienen etwa weltweit von einem PC aus über das Web auf ein Panel vor Ort zugreifen und remote bedienen. Mit der Option WinCC Service lassen sich Diagnose und Wartung von Bedienstationen vor Ort via Internet bei Panels und Multi Panels der Serien 270 und 370 sowie bei PCs mit WinCC flexible Runtime durchführen. Fertige Diagnose- und Servicefunktionen erleichtern die Störungsbehebung von Bedienstationen und s können ereignisgesteuert oder bei ankommenden Meldungen an das Service-Personal versandt werden. Mehr zum Thema: 3 Niederländisch, Französisch und Spanisch, um nur einige Beispiele zu nennen, und seit neuestem Slowakisch die slawischen Sprachen gewinnen aufgrund des Drangs der Automobilisten nach Osten mehr und mehr an Bedeutung. Von großer Wichtigkeit ist natürlich auch Chinesisch. Die erste Anlage mit Schuler Multi- View geht nach China. Um welche Anlage handelt es sich dabei? Heinz Niedermann: Um eine Pressenstraße für Karosserieteile. Die Kopfpresse ist eine hydraulische Presse, die restlichen sind mechanische Pressen. Die Verkettung erfolgt über Schuler Feeder. Die Pressen wurden entsprechend unserer Philosophie an verschiedenen Standorten entwickelt und gebaut, teilweise sogar bei einer Schuler-Tochter in China. Die gesamte Anlage hat eine einheitliche und durchgängige Steuerungstechnik, Datenhaltung und Visualisierung. Als Schnittstelle zum übrigen Prozess haben wir ein Maschinendaten-Management-System installiert, an das Stückzahlen, Stillstände etc. weitergegeben werden. Abgesehen vom System selbst, was spricht noch für Siemens als Partner? Heinz Niedermann: Ein Riesenvorteil und für uns von eminenter Bedeutung ist natürlich die weltweite Präsenz von Siemens und der damit verbundene Service und Support vor Ort. Für uns ist es sehr wichtig, unseren Kunden noch besseren Service vor Ort bieten zu können. Bei dem genannten Projekt mit Schuler MultiView wurden mit Siemens zusätzlich Vereinbarungen für eine spezielle Hotline für das Visualisierungssystem getroffen. Von eminenter Bedeutung für uns sind die weltweite Präsenz von Siemens sowie der damit verbundene Service und Support vor Ort. Was ist denn mit Ihrem neuen System heute möglich, was früher nicht möglich war? Heinz Niedermann: Das Grundkonzept ist im Prinzip noch das gleiche. Das Engineering ist teilweise einfacher geworden, die Bedieneinheiten haben sich gerätetechnisch enorm entwickelt und werden auch viel mehr vor Ort eingesetzt. Auch die Navigation ist sehr viel besser, und die Bedienung ist durch die Touch- Oberfläche wesentlich intuitiver geworden. Wie beurteilen Sie denn die Möglichkeit, dass unter WinCC flexible vom kleinsten Panel bis hin zur großen Anlage alles übergreifend mit dem gleichen Tool visualisiert und engineert werden kann? Heinz Niedermann: Ausgesprochen gut. Das war auch das Interessante für uns bei der Auswahl des Systems. Nur so können wir mit dem Panel-basierten Schuler BasicView und dem eher übergeordneten MultiView ein durchgängiges Visualisierungssystem für alle unsere Anlagen entwickeln. Nur ein Tool bedeutet quasi überall Vorteile begonnen beim Engineering über die Schulung bis hin zur Bedienung selbst und zum Service vor Ort. Für die Bedienphilosophie bei Schuler ist daher Simatic WinCC flexible die ideale Basis. Herr Niedermann, wir danken Ihnen für das Gepräch. Mehr zum Thema:

6 6 CASE STUDY Rotationsschneidanlagen Simotion erhöht die Qualität beim Blechschneiden Kontinuierlich und präzise geschnitten Querteilanlagen teilen zugeführte Blech-Coils in Platinen von handlicher Größe. Das Blech-Coil sollte dabei mit möglichst konstanter Geschwindigkeit abgewickelt werden; beim Schneiden muss das Band jedoch unter dem Messer still stehen. Auf konventionelle Weise können diese zwei gegensätzlichen Anforderungen nur durch eine allgemeine Leistungsreduzierung in Einklang gebracht werden. Moderne Motion-Control-Systeme ermöglichen aber über die dynamische Bewegungsführung von elektrischen Antrieben neue Maschinenkonzepte mit erhöhtem Durchsatz. Ein Beispiel hierfür ist die von der Firma Fagor Arrasate entwickelte Rotationsschere, bei der Siemens-Technik für ein gutes Ergebnis sorgt. Fagor Arrasate ist einer der weltweit führenden Hersteller von Blechbearbeitungsmaschinen. Das Unternehmen hat einen jährlichen Umsatz von mehr als 100 Millionen Euro. Innerhalb seines Produktspektrums sind die Schneidanlagen für Stahl und Aluminium die Starprodukte. Diese Schneidanlagen werden benötigt, um das von den Stahlwerken auf Coils gelieferte Rohmaterial in ein leichter handhabbares Zwischenprodukt zu teilen. Dabei wird die Ausgangsstahlrolle in einer Längenschneideanlage abgewickelt, durch Richten geglättet und in flache, rechteckige oder trapezförmige Rohlinge zerteilt. Rotierende Schere als optimale Lösung Herz der Anlage ist die Abschereinheit mit ihren rotierenden Schneidmessern. Bei jedem Schneidvorgang muss die relative horizontale Geschwindigkeit zwischen den Messern und dem Band gleich null sein. Unterschiedliche Geschwindigkeiten von Band und Messer hätten zur Folge, dass kein sauberer Schnitt entsteht. Schlimmstenfalls könnte das Band sogar reißen. Bei konventionellen Anlagen umgeht man diese Problematik, indem das Stahl- band um die abzuschneidende Länge verfahren, geschnitten und danach der nächste Bandabschnitt vorgeschoben wird. Da sich die ruckartigen Beschleunigungs- und Verzögerungsabläufe ungünstig auf den Glättungsprozess des Materials auswirken und zudem das Metallblech beschädigen können, wird das Band nach der Richteinheit mit einer konstanten Geschwindigkeit in die als eine Art Materialpuffer genutzte Schlaufengrube bewegt. Mit der rotierenden Schere hingegen läuft der Prozess kontinuierlich ab. Nicht nur, dass die Sammelschleife nicht mehr benötigt wird, auch die erreichbare Transportgeschwindigkeit ist aufgrund der reduzierten Auswirkung der Trägheit des Bandes wesentlich höher, da das Beschleunigen und Bremsen des Bandvorschubs nun vollständig entfallen. Dadurch wird auch eine geringere Motorleistung benötigt, was sich positiv auf die Kosten auswirkt. Beim Schneiden unterscheidet man drei Arten, die von der Länge des zu schneidenden Rohlings abhängen. Entspricht die Rohlinglänge dem Walzenumfang (ca. 500 bis 600 Millimeter), rotiert der Messerträger mit gleichförmiger Geschwindigkeit. Ist der zu schneidende Rohling länger, müssen die rotierenden Messer zwischendurch anhalten und kurz vor dem Schneiden starten und beschleunigen, damit die Walzen zum Schnittzeitpunkt mit der Bandgeschwindigkeit synchron laufen. Bei kürze- Alle Fotos: Fagor Arrasate Eine konventionelle Schneideanlage (rechts) benötigt im Gegensatz zur modernen Rotationsschneidanlage (links) eine Grube als Materialpuffer

7 7 ren Rohlingen muss dagegen die Bandgeschwindigkeit verringert werden. Die Steuerung: der fundamentale Teil der Anlage Die Steuerung der rotierenden Schere spielt eine wichtige Rolle in diesem Prozess sowohl hinsichtlich der Bewegungsführung als auch für die Qualität des Schneidergebnisses. Sie sollte die Rotationsgeschwindigkeit der Walzen so genau steuern, dass ein sauberer Schnitt mit einer Präzision der Schnittkante von ±0,2 Millimeter gewährleistet ist. Um diese Aufgabe bestmöglich zu lösen, wählte Fagor Arrasate Siemens als Systemlieferant. Zum Steuern des Betriebs der Anlage wurde eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) S7-400 eingesetzt. Jede der Maschinen in der Längenschneideanlage besitzt dezentral eingesetzte Peripherieelemente vom Typ ET 200S. Speziell zum Steuern der rotierenden Schere dient das Motion Control-System Simotion C. Die Geschwindigkeit und Position des sich bewegenden Stahlbleches erfasst ein absoluter Messgeber, der an ein spezielles Messrad von Fagor Arrasate angepasst wurde und über das Feldbussystem Profibus an die Steuerung angebunden ist. Zum Bedienen und Beobachten steht ein System zur Verfügung, das auf dem leicht zu bedienenden Simatic Multipanel MP370 Touch Screen mit grafischer Bedienoberfläche basiert. Es kommuniziert über Profibus mit den Steuerungen Simotion C und Simatic S Die Richtmaschine kann der Bediener über einen 10-Zoll-Bildschirm Simatic TP270 steuern. Eine Datenbank zum Speichern der Justageparameter für die gesamte Einrichtung ist ebenfalls vorhanden. Der Vorteil dieses Steuerungskonzeptes liegt in seinem Aufbau aus modularen und skalierbaren Komponenten der neuesten Generation. Das heißt, alle Komponenten der Anlage können von einer zentralen Bedienstation aus gesteuert werden, zudem lässt sich das System nach oben hin durch eine Verbindung mit der überlagerten Steuerungsebene der Anlage erweitern. Zur Überwachung der Anlage hat der Bediener auf seinem Bedienpult einen einzigen Bildschirm, mit dem alle Steuerungssysteme der Anlage kommunizieren. Auf diesem Überwachungsbildschirm wurden auch die Basisparameter für den Hochlauf und die anschließende Wartung der Anlage programmiert, was den Einsatz eines zusätzlichen Programmiergerätes überflüssig macht. Die Anlagensteuerung ist über Teleservice mit dem Scherenhersteller verbunden, so dass Fagor Arrasate bei jedem Störfall schnell per Ferndiagnose Hilfe leisten kann. Die Produktivität hat sich seit dem Einsatz des neuen Steuerungssystems signifikant verbessert: 180 Rohlinge in einer Länge von 300 bis 500 Millimeter können jetzt pro Minute problemlos geschnitten werden. Innovative Steuerung für innovative Maschinen Das Steuerungskonzept mit Simotion C hat sich auch auf weiteren innovativen Schneideanlagen von Fagor Arrasate bewährt. Eine Längenschneideanlagen mit einer rotierenden und gleichzeitig quer zur Längsbewegung des Bleches oszillierenden Schere führt Schnitte schräg zur Längsachse des Stahlblechs durch. So können Platinen mit unterschiedlichsten Geometrien in Form von Trapezen, Dreiecken oder Achtecken oder sogar noch komplexere Formen wie Fischgrätmuster geschnitten werden. Dabei ist die äußerst anwenderfreundliche Realisation hinsichtlich der Synchronisation zwischen Rotations- und Oszillationsbewegung ein Vorteil des Steuerungssystems. Gleich mehrere rechteckförmige Rohlinge zur gleichen Zeit lassen sich auf der Multi-Rohling-Anlage schneiden einer Kombination aus Schlitzungsanlage und Längenschneideanlage. Dank der innovativen Steuerung schafft die Anlage bis zu sechs Rohlinge gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von 180 Schnitten pro Minute eine Produktionsrate von Rohlingen pro Minute, die vor einigen Jahren noch undenkbar gewesen wäre. Mehr zum Thema: Bei der rotierenden Schere sind die Messer auf Walzen montiert

8 8 CASE STUDY Automatisierung von hydraulischen Ziehkissen Sinumerik 840D mit offenem NC-Kern zur Kippkompensation eines hydraulischen Ziehkissens Ausgleich im Kissen Flexibel einsetzbare Umformmaschinen zur Blechbearbeitung spielen eine besondere Rolle in der Zulieferindustrie für die Automobilhersteller. Nicht selten werden auf diesen Maschinen außermittig angeordnete Transferwerkzeuge verwendet, die zu einem Verkippen der Kissenplatte führen können. Um dies zu vermeiden, wurde eine Steuerung für eine mehrfach untergliederte Kissenplatte entwickelt, deren einzelne Segmente über hydraulische Druckzylinder mit individuellen Drücken beaufschlagt werden können. Als Schnittstelle zwischen Bediener und Maschine und zur Parametrierung des Ziehkissens dient ein HMI- Panel vom Typ MMC103

9 9 Die Blechformwerke Bernsbach (BFW) sind einer der namhaften Automobilindustrie-Zulieferer für großflächige Karosserieaußenteile. Dabei kommen unter anderem mechanische Kurbelpressen mit hydraulisch angetriebenem Ziehkissen zum Einsatz. In der Praxis werden diese Pressen zumeist in einem Pressenverbund (Transferstraße) eingesetzt, um über mehrstufige Tiefziehoperationen komplexe Bauteile aus Blech zu fertigen. Dabei wird je nach Werkzeuganordnung und Größe des Bauteils die jeweilige Presse nicht immer mittig belastet, so dass es zu einer Verkippung zwischen Ober- und Unterwerkzeug kommt. Diese Verkippung fördert nicht nur einen erhöhten Verschleiß in der Ziehkissenführung, sondern wirkt sich auch nachteilig auf die Genauigkeit der zu fertigenden Bauteile aus. Um dies zu vermeiden, setzt man üblicherweise speziell angefertigte Druckstangen ein. Dabei ist es jedoch schwierig, die exakte Länge der Druckstangen für den prozesskritischen Moment zu ermitteln. Außerdem darf die Anordnung der Druckbolzen innerhalb des Werkzeugraums den Durchlauf nicht behindern. In Zusammenarbeit mit Siemens entwickelte das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) für BFW ein 7-Punkt-Ziehkissen, bei dem die exzentrische Belastung des Werkzeuginnenraums mit Hilfe einer entsprechenden Regelungsalgorithmik erfasst und dadurch ein Verkippen des Aufbaus vermieden werden kann. Das 7-Punkt-Ziehkissen ist in der Lage, ein Verkippen des Aufbaus zu vermeiden Alle Fotos: P. Koerber Gelöst von innen Das neue Ziehkissen ist mit insgesamt sieben Verfahrzylindern ausgestattet. Davon sind vier in den Ecken der Kissenplatte, die übrigen drei symmetrisch in der Längsachse (x-achse) des Kissens eingebaut. Im Gegensatz zu den mittig angeordneten Verfahrzylindern, die lediglich die Kissenfunktion übernehmen, ist die zusätzliche Aufgabe der Eckzylinder das Positionieren des Unterwerkzeugs. Dank des mechanischen und steuerungstechnischen Aufbaus des 7-Punkt-Kissens kann das durch den Prozess in den Maschinenkörper eingeleitete Kippmoment vollständig kompensiert werden. Das vorhandene Steuerungs- und Sicherheitskonzept der Maschine wurde dabei nicht maßgeblich verändert. Um die geplante Funktionalität der Steuerungsbaugruppe zu optimieren, war es notwendig, zusätzlich an der Maschine einen Drehwinkelgeber für die Ermittlung der Stößelposition und eine E/A-Schnittstelle zur vorhandenen Pressen- sowie Sicherheits-SPS zu integrieren. Als Schnittstelle zwischen Bediener und Maschine und zur Parametrierung des Ziehkissens dient ein HMI- Panel vom Typ MMC103. Alle anderen hardund softwareseitigen Funktionen, beispielsweise die Pressen- und die Sicherheitssteuerung, laufen vollständig als autarkes System. Herzstück des Steuerungskonzeptes bildet dabei eine Sinumerik 840D, deren offene, modulare Architektur ein Maximum an Flexibilität für Erweiterungen zulässt. Für die Ansteuerung der Servoventile und das Einlesen der Wegmesssysteme und der Druckgeber sind vier Hydraulik-Linearantriebsmodule integriert. Das orthogonale Regelungskonzept (in diesem Fall vier voneinander entkoppelte Einzelregler) ist über eine NC-Kern-Erweiterung, die so genannte OEM-Compile-Cycle-Applikation, realisiert worden. Gleichzeitig wird darüber die Kommunikation zur SPS und zur Visualisierung realisiert. Der gesamte Kissenablauf wird innerhalb der NC über einen Zustandsgraph gesteuert. Über diesen werden alle Regler zubzw. abgeschaltet, Betriebsartenumschaltungen realisiert und sicherheitsrelevante Funktionen ausgelöst. Bei mittig eingebautem Werkzeug wird die Parallelhaltung abgeschaltet. Befinden sich hingegen sämtliche Druckstangen lediglich in zwei benachbarten Quadranten, wird während des Verdrängens des Kissens die Parallelhaltung zugeschaltet. Die Kippung der Kissenplatte wird durch vier in den Ecken der Kissenplatte befindlichen hochauflösenden Wegaufnehmern ermittelt. Diese messen den Abstand zum Schiebetisch der Maschine. Alle Positionierfunktionen des Kissens erfolgen über eine virtuelle Wegachse, welcher der Parallelhaltealgorithmus überlagert wird. Gleiches gilt für die Gegenhaltefunktion. Einer virtuellen Druck- oder wahlweise Kraftachse wird ebenfalls der Parallelhaltealgorithmus überlagert. Für die Visualisierung wurden mit Pro- ToolPro applikationsspezifische Bedienermasken mit jeweils unterschiedlichen Sicherheitsstufen für Bediener, Einrichter und Service erstellt sowie eine Werkzeugverwaltung und eine Echtzeitprozessdatenüberwachung integriert. Allseitiger Nutzen BFW setzt seit März 2004 in ihrer 3-schichtigen Produktion eine mechanische Kurbelpresse vom Typ PKZV-I-800 (Nennkraft 8000 kn) mit dem neuen parallelgeregelten 7-Punkt-Ziehkissen ein und konnte damit eine deutlich verbesserte Ziehteilqualität erreichen. Außerdem werden aufgrund des integrierten Werkzeugdatenspeichers die Rüstzeiten erheblich verkürzt und gleichzeitig die Reproduzierbarkeit der Fertigungsparameter der eingesetzten Werkzeuge erhöht. Auf Basis der komfortablen und offenen Steuerung Sinumerik 840D erfolgt zurzeit produktionsbegleitend eine weitere sukzessive Optimierung des Steuerungs- und Regelungssystems. Durch die verbesserte Parallelität der Kissenplatte wird nicht nur das dynamische Verhalten der Maschine verbessert, sondern auch das Verschleißverhalten der Kissenführung. Die bisherigen positiven Erfahrungen lassen bei BFW niemanden daran zweifeln, dass sich mit dem neuen Ziehkissen-Konzept auch im Serieneinsatz die Produktivität durch geringere Stillstandszeiten der Umformmaschine deutlich erhöhen und die Bauteilqualität verbessern lassen. Mehr zum Thema:

10 10 TRENDS Mechatronik in der Umformtechnik Professor Dr. Karl Heß über die Entwicklung im modernen Maschinenbau Die Funktion ist wichtig Immer mehr setzt sich im Maschinenbau eine funktionsorientierte Betrachtungsweise durch, davon ist Professor Dr. Karl Heß überzeugt. So werden schon seit einigen Jahren wesentliche Grundfunktionen der Maschinen durch Elektronik und Software ausgeführt Stichwort Mechatronik. Wir sprachen mit dem Leiter der Professur Steuerungs- und Regeltechnik an der Technischen Universität Chemnitz über die neuen Entwicklungen im Maschinenbau sowie deren Auswirkungen auf die Automatisierungstechnik und die produzierende Industrie. Professor Dr.-Ing. habil. Karl Heß, 1948 in Mecklenburg geboren, studierte an der Technischen Universität Dresden Elektrotechnik, Fachgebiet Elektrische Maschinen. Nach der Promotion (Spezialgebiet Steuerungstechnik) arbeitete er zunächst in dem Chemnitzer Steuerungsunternehmen Numeric mit wurde er Dozent an der Technischen Universität Chemnitz, wo er seit 1992 die Professur Steuerungs- und Regeltechnik innehat. Parallel leitet er seit 1997 das von ihm selbst gegründete Unternehmen Gesellschaft für Industrielle Steuerungstechnik IST mbh. Herr Professor Heß, nach wie vor gibt es Branchen zum Beispiel die Umformtechnik, bei denen mechanische Systemlösungen vorherrschen. Andere Branchen setzen schon heute deutlich mehr Automatisierungstechnik ein. Wie kommt das? Karl Heß: Der Automatisierungsgrad ist historisch bedingt in den einzelnen Branchen unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Umformtechnik gehört eher zu den Branchen, die mit der Substitution von Mechanik in den Kern der Maschine erst allmählich beginnen. Nun müssen die Maschinenbauer natürlich den Einsatz mechatronischer Funktionen besonders sorgfältig vorbereiten. Denn das Wechselspiel zwischen softwareseitigen, kinetischen und kinematischen Funktionen hat Auswirkungen auf Abläufe, Funktionen, die Beanspruchung der Mechanik oder die Steifigkeit der Maschine. Wann ist Automatisierungstechnik besonders sinnvoll und welche Anforderungen sollte ein Automatisierungssystem erfüllen? Karl Heß: Im Anforderungskatalog von Maschinenbauern und -betreibern rangieren ganz vorn die Produktivität und die Flexibilität besonders dann, wenn die Variantenvielfalt zunimmt. Und gerade die Umrüstungen durch Softwarefunktionen an Stelle von Maschinenumbauten sind deutlich weniger aufwändig von den Vorteilen der Visualisierungsmöglichkeiten der Automatisierungstechnik, mit der man optisch nah an den Prozessen sein kann, ganz zu schweigen. Die Architektur des Systems sollte in der Anwendung möglichst breit angelegt werden, also beispielsweise für die gesamte Fertigungs- und Prozessautomatisierung. Wichtig ist ein einfaches, einheitlich über alle Automatisierungs- und Antriebskomponenten anwendbares Engineeringsystem. Der Nutzer braucht Hilfsmittel für Projektierung, Programmierung, Parametrierung, Konfiguration, Inbetriebnahme und Fehlerbehandlung. Wie wirkt sich dies auf die Antriebstechnik aus? Karl Heß: Die Steuerung als SPS oder Motion Control-System und der Antrieb stellen traditionell die herausragenden Geräte der Automatisierungstechnik dar. Inzwischen steht die Integration von Steuerungs-, Motion Control- und Technologiefunktionen in einen geregelten Antrieb an, wodurch dem Antrieb Intelligenz zur Steuerung und zu Motion Control übertragen wird. Damit wird der Antrieb natürlich auch hinsichtlich der auszuführenden Funktionen flexibler, Funktionen sind im

11 11 Antrieb parametrier- und sogar programmierbar und dies in einer Art, die bislang nur von PCs oder der Steuerungstechnik bekannt war. Andererseits fordert der Markt Antriebe in den verschiedensten Leistungen und für unterschiedliche Anwendungen, die nach Möglichkeit eine durchgängige Systemfamilie mit einfacher Handhabung und einheitlichen Engineeringtools bilden sollten. Der bei Siemens beschrittene Weg mit Sinamics oder Simotion D zeigt jetzt schon Wirkung. Welche Vorteile bringt die Intelligenz im Antrieb? Karl Heß: Ein Antrieb mit Steuerungsintelligenz verarbeitet Informationen an den Wirkstellen einer Maschine, das heißt dort, wo sie auch anfallen. Das impliziert eine Vernetzung der Antriebe, die wiederum zu dezentralen Systemen, bei denen der Zentralantrieb durch dezentrale Einzelantriebe mit bestimmten Funktionen abgelöst wird, und zu Systemen mit verteilter Intelligenz führt. Der intelligente Antrieb gewinnt damit eine dominante Stelle im Automatisierungssystem. Wie sehen Sie die weitere Entwicklung? Karl Heß: Wachstumstreiber in der Automatisierungs- und Antriebstechnik sind und bleiben Innovationen. Die nächste Entwicklungsstufe wird eine noch einheitlichere Gestaltung von SPS, Motion Control bis zur Antriebstechnik in einem verteilten Automatisierungssystem sein. Das Herz der Automatisierung schlägt weiterhin in den Komponenten für Steuerung, Regelung, Bewegung und Antrieb. Allerdings wird die Bedeutung des Engineeringsystems in direkter Verbindung mit einem Bedien- und Visualisierungssystem weiter wachsen. Um dieses Gebiet aktiv oder sogar marktbestimmend in der Entwicklung und Herstellung handhaben zu können, ist eine jahrelange zielgerichtete Arbeit nötig. Herr Professor Heß, wir danken Ihnen für das Gespräch. Mehr zum Thema: Simotion: Motion Control-System für komplexe Bewegungen Die Palette der Einsatzmöglichkeiten von Simotion ist umfassend: Sie reicht von der einfachen Drehzahlsteuerung bis hin zu komplexen Vielachsmaschinen, bei denen zahlreiche Einzelachsen in Betrieb genommen werden müssen. Motion Control-, Logik- und Technologiefunktionen sind dabei durchgängig in einem System integriert. Damit entfallen zeitkritische Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten und ein effizientes Engineering wird ermöglicht. Als integraler Bestandteil von Totally Integrated Automation ist Simotion voll kompatibel mit der Simatic-Welt. Ob Konfiguration, Programmierung oder Parametrierung mit Simotion lassen sich Engineeringaufgaben in einem System bündeln und die Flexibilität in puncto Hardware bleibt erhalten. Simotion setzt sich aus drei verschiedenen Komponenten zusammen: Engineering-System, Runtime-Software und verschiedenen Hardware- Plattformen als Zielsystem. Das Engineering-System Scout ermöglicht das Engineering von Motion Control-, Logik- und Technologieaufgaben in einem durchgängigen System und stellt dazu alle Tools zur Verfügung von der Programmierung über die Parametrierung bis hin zur Inbetriebnahme. Eine mit Scout erstellte Anwendung ist auf jeder Hardware lauffähig, so dass der Anwender genau die Hardware wählen kann, die am besten für seine Maschinenlösung geeignet ist. Bei Scout erhält der Nutzer außerdem grafische Unterstützung beim Anlegen der Hard- und Netzwerkkonfiguration sowie eine grafische Programmiersprache (Motion Control Chart MCC). Neben MCC steht ihm für die Programmierung von Simotion noch die Hochsprache Structured Text (ST) und für die Logikprogrammierung Kontaktplan (KOP) zur Verfügung. Die Runtime-Software ist durch nachladbare Technologiefunktionen flexibel und skalierbar und ermöglicht den Ablauf von Motion Control-, Logik- und Technologiefunktionen auf einer Steuerung. Durch ihren modularen Aufbau kann das Anforderungsprofil genau auf die Anforderungen der Maschine abgestimmt werden. Simotion läuft auf drei Hardware-Varianten: Modular und flexibel einsetzbar ist die Controller-basierte Simotion C in S7-300-Bauform. Simotion P auf PC-Basis vereint Motion Control, Bedienen und Beobachten auf einer Plattform und ist damit offen für weitere Aufgaben. Bereits in den Antrieb integriert eignet sich die kompakte antriebsbasierte Variante Simotion D ideal für dezentrale Automatisierungsstrukturen.

12 12 CASE STUDY Linearantriebstechnik beim Umformen Leistungsstarke Direktantriebs- und Steuerungstechnik ersetzt Hydraulikantriebstechnik Stanzrapid hochdyamisch und genau Mit fortschreitender Miniaturisierung werden Mikro-Präzisionsbauteile in der Elektronik, Feinwerktechnik, Mikromechanik und Medizintechnik immer wichtiger. Gleichzeitig steigen die Ansprüche an Genauigkeit, Komplexität und Wirtschaftlichkeit in der Herstellung. Mit der Linearmotorpresse Stanzrapid eröffnet die Schuler Pressen GmbH & Co. KG jetzt völlig neue Perspektiven in der Fertigung von Mikro-Präzisionsbauteilen. Neue Perspektiven für die Produktion von Mikrobauteilen: der Stanzrapid Aufgrund der hohen Stückzahlen von Mikrobauteilen kommen bisher meist hochgenaue mechanische Schnellläuferpressen für die umformtechnischen Aufgaben zum Einsatz, da diese die entsprechend hohen Hubzahlen ermöglichen. So erreicht die derzeit weltweit schnellste Presse eine Schuler Yamada Omega F1 bis zu Hübe pro Minute bei 6 Millimetern Hub. Bei diesem Pressentyp wird die vom Elektromotor erzeugte rotatorische Bewegung durch mechanische Übertragungsglieder in eine Translationsbewegung des Pressenstößels umgesetzt. Die charakteristischen sinusförmigen Weg-Zeit-Verläufe können nur durch ausgeklügelte Hebelkinematiken verändert werden, wie etwa in der NXT- Baureihe von Schuler Yamada. Hier kann die Arbeitsgeschwindigkeit im Umformbereich im Vergleich zu herkömmlichen Schnellläuferpressen durch den Doppel- Gelenkantrieb in Querwellenbauweise deutlich reduziert werden. Alle Fotos: Schuler Pressen GmbH & Co. KG Freie Programmierung von Weg/Zeit und Kraft/Weg Insbesondere für Tiefziehprozesse ist es aber von Vorteil, die Weg-Zeit- und die Kraft-Weg-Verläufe völlig frei gestalten zu können. Auch das schwierige Materialhandling von Mikrobauteilen und die wünschenswerte Integration anderer Fertigungstechniken wie zum Beispiel Fräsen, Lasern, Kleben usw. in das Umformwerkzeug verlangen nach frei programmierbaren Stößelwegverläufen. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Vorhabens Stanzrapid entstand in Zusammenarbeit der Schuler Pressen

13 13 GmbH & Co. KG und Siemens eine auf diese Belange der Umformtechnik maßgeschneiderte Automatisierungslösung, die durch den Einsatz von Linearmotoren (Typ 1FN3), dem Antriebssystem Simodrive 611D und der Steuerung Sinumerik 840D ein hohes Maß an Anwendungsflexibilität und Bedienerfreundlichkeit erreicht. Durch das neue Linearantriebskonzept ist der Stößel nicht mehr mechanisch an eine Rotationsbewegung gekoppelt. Daher können das Weg-Zeit-Verhalten und der Kraft-Weg-Verlauf in jeder Phase individuell definiert und programmiert werden. Störgrößen, zum Beispiel bedingt durch spielbehaftete Getriebeglieder, entfallen. Die Presskraft steht an jeder beliebigen Stelle des Hubes zur Verfügung, womit die Vorteile einer hydraulischen mit denen einer mechanischen Presse verbunden werden. Das erhöht die Qualität und die Genauigkeit. Gleichzeitig führt der geringere Verschleiß zu weniger Wartungsaufwand und steigert die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer. Dem gegenüber stehen eine begrenzte Presskraft von derzeit maximal 40 kn, die von den am Markt verfügbaren Linearmotoren abhängt, sowie ein schlechterer Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Pressen aufgrund des Fließpressen Schneiden Tiefziehen (Stempel) Zeit oberer Totpunkt unterer Totpunkt Schmieden Prägen Tiefziehen (Niederhalter) Der Stanzrapid bietet optimale Anpassung des Weg-Zeit-Verlaufs an den Produktionsprozess Präzise und winzig klein: die Stanzteile, die auf dem Stanzrapid gefertigt werden fehlenden Energiespeichers. Derzeit werden Hubzahlen bis zu Hübe pro Minute erreicht. Wirtschaftliche Fertigung auch bei geringen Losgrößen Für Fertigungsprozesse mit vielen Umformoperationen und in der Summe höheren Kräften können einzelne Stanzrapid-Module zu einer kompakten Einheit leicht hintereinander geschaltet werden. Die Stößel der jeweiligen Stanzrapid- Module können dabei synchron oder individuell betrieben werden. Das Materialhandling übernehmen ebenfalls mit Linearmotortechnik angetriebene Zangenvorschübe, die auch empfindliches Material mit einem programmierbaren Weg-Zeit- Verlauf vorschieben können. Alle Maschinenachsen werden dabei über eine gemeinsame und bedienfreundliche Steuerung des Typs Sinumerik 840D kontrolliert. Durch den Austausch einzelner Einheiten können die Linien jederzeit schnell neu konfiguriert werden. Mit dieser Flexibilität im Produktionsablauf und im Produktspektrum bietet der Stanzrapid die Möglichkeit, hochwertige Produkte in allen Losgrößen wirtschaftlich zu fertigen. Neue Perspektiven für die Fertigung zelnen Module einer Stanzrapid-Linie lassen sich zusätzliche Bearbeitungseinheiten (zum Beispiel zum Fräsen oder Laserschneiden) integrieren. Damit ist es möglich, Teile herzustellen, deren Fertigung mit konventionell angetriebenen Pressen bisher nicht möglich war. Neue Fertigungskonzepte Speziell für die Mikroumformung ist eine Linearmotorpresse wie der Stanzrapid besonders interessant, zumal auf diesem Anwendungsgebiet die relativ geringen Presskräfte meist völlig ausreichend sind. War bisher immer eine Anpassung des Umformprozesses an die vorgegebene Stößelkinematik notwendig, erlaubt der Stanzrapid eine Anpassung des Hubverlaufs auf die jeweilige Fertigungsaufgabe. So ist es zum ersten Mal möglich, eine voreingestellte Stößelgeschwindigkeit über dem Hub konstant zu halten. Das eröffnet insbesondere beim Tiefziehen neue Möglichkeiten, da die bei diesem Verfahren wichtigen Reibwerte zwischen Material und Aktivteilen geschwindigkeitsabhängig sind. Die steuerungstechnischen Möglichkeiten erlauben völlig neue Fertigungsund Werkzeugkonzepte. Ein Beispiel: Durch Variation des unteren Totpunkts bei Verwendung eines Werkzeugs mit abgesetzten Stempeln lassen sich Perforierwerkzeuge wesentlich vereinfachen. Für einen Stanzstreifen, der normalerweise ein Werkzeug mit 177 Stempeln erfordert, kann auf dem Stanzrapid ein wesentlich kostengünstigeres Werkzeug mit nur 20 Stempeln eingesetzt werden. Mehr zum Thema: Mit dem Stanzrapid stellen die beteiligten Entwicklungspartner eine Produktionseinheit vor, die durch ihr innovatives Konzept und ihren flexiblen Einsatz wirtschaftliche und qualitative Grenzen konventioneller Technik weit hinter sich lässt. Durch die genau steuerbare Hubcharakteristik können neue Klassen von Materialien und Materialkombinationen (Verbundmaterialien) oder mehrere Materialien gleichzeitig bearbeitet werden. In die einspectrum metalforming 2004

14 14 CASE STUDY Sicherheit an Pressen Pressensteuerung mit Simotion Safety Unit High End und Low Cost vereint Die Firma Beutler hat mit ihrer Pressen-Reihe Nova C bewiesen, dass modernste Technik nicht viel kosten muss. Einen nennenswerten Anteil an dem Kostensenkungsprogramm, das die qualitätsorientierte Produktoffensive erst ermöglichte, hat Simotion Safety Unit TM 121C. Mit dieser Sicherheitssteuerung werden alle Grundfunktionen einer Exzenterpresse in einem einzigen, kompakten Gerät abgedeckt. Für die Umformbetriebe sind die Margen in den letzten Jahren drastisch gesunken. Besonders der Kostendruck bei den Automobilzulieferern hat zu einem deutlichen Rückgang der an Dritte vergebenen Lohnfertigungen geführt. Dass der Markt nicht zuletzt durch die Osterweiterung der EU enger geworden ist, bekommt auch der Maschinenbau zu spüren. Die in Gettnau, einem kleinen Ort in der Zentralschweiz, ansässige Beutler Nova AG gehört zur renommierten Müller-Weingarten-Gruppe. Diese Zugehörigkeit in Verbindung mit dem Schweizer Präzisionsanspruch verpflichtet zu höchster Qualität. Gemäß dem Firmen-Credo Flexibel sein! hat Beutler neben seinen High-End-Pressen und Doppelpleuel-Stanzautomaten in einem ersten Schritt eine genau auf die aktuell enge Marktsituation zugeschnittene Maschinenlinie in C-Gestell-Bauweise entwickelt und damit voll ins Schwarze getroffen. Das Rezept: Beschränkung auf die Funktionalität, die in durchsatzorientierten Lohnfertigungsbetrieben benötigt wird, bei kompromissloser Qualität und zu einem Preis, der sich rasch amortisiert. Diese Nova C genannte Baureihe deckt einen Nenndruckbereich von 400 kn bis kn ab, verfügt aber im Übrigen über viele qualitätsbestimmende Merkmale der großen Beutler-Pressen. Flexibles Paket Am attraktiven Preis der Nova-C-Pressen hat die Steuerungstechnik einen wesentlichen Anteil. Beutler setzt als Sicherheitssteuerung Simotion Safety Unit TM 121C ein, die als komplette Prozesssteuerung alle erforderlichen Sicherheitsbausteine in einem Gerät vereint. Die Einsparungen bei Engineering, Schaltschrankbedarf, Installation und Verkabelung, Dokumentation und Abnahme summieren sich zu einem nennenswerten Beitrag, so dass Beutler nicht nur funktionell, sondern auch preislich in neue Marktsegmente vordringt. Simotion Safety Unit kann sowohl als Stand-Alone-Pressensteuerung, zum Beispiel für den Handeinlegebetrieb, verwendet werden als auch in Verbindung mit einer Speicherprogrammierbaren Steuerung. Zweihand- und Fußbedienung werden ebenso unterstützt wie Automatikund Taktbetrieb, zum Beispiel in Verbindung mit Lichtgittern. Auch beim gemeinsamen Einsatz mit einer SPS übernimmt IIIIIIIIIIIIII SIMOTION Höchste Qualität und funktional auf das Wesentliche reduziert: das Konzept der Beutler Nova C

15 15 die fehlersichere Bewegungsführung sicherheitstechnische Verantwortung: Seitens der SPS wird ein Pressenhub nur angefordert, aber nicht ausgelöst. Erst wenn die sicherheitstechnischen Voraussetzungen gegeben sind, löst Simotion TM 121C den Hub aus und überwacht den Pressenzyklus. Durch diese Aufgabenverteilung sind an den sicherheitsrelevanten Vorgängen keine SPS-Anwenderprogramme mehr beteiligt, was die Abnahme einer Presse sehr erleichtert. Alle für den eigentlichen Umformprozess erforderlichen Signale werden direkt an die Simotion Safety Unit angeschlossen: Betriebsartenwahl, Ansteuerung und Überwachung der Kupplungs-Brems-Kombination, Nockensignale und Laufwächterüberwachung, Öffner und Schließer für Zweihandbedienung, Schutztürkontakte, Lichtvorhang, Not-Aus usw. Das erfordert nur minimalen Platzbedarf im Schaltschrank und durch die übersichtliche Verkabelung gehen Installation und Verdrahtung rasch vonstatten. Konfigurieren statt Programmieren Beutler profitiert nicht nur durch die einfachere Installation und Verkabelung. Auch das Engineering ist äußerst anwendungsfreundlich, wie Benedikt Schenker, Leiter der Technik bei Beutler Nova, bestätigt: Das funktioniert ohne jede Programmierung, lediglich die Belegung der Anschlüsse muss im Konfigurations-Tool angegeben werden. Den Rest erledigt Simotion Safety Unit selbst. Das Konfigurations-Tool ein komfortables Windows- Programm verhindert Fehleingaben und sorgt über eine Standard-Schnittstelle RS 232 für die sichere Kommunikation mit der fehlersicheren Steuerung. Diese kann nur bei korrekter Übertragung und Verarbeitung der Konfiguration betriebsbereit geschaltet werden. Mit der Simotion TM 121C ausgerüstete Pressen und Stanzen erfüllen steuerungsseitig die strenge Sicherheitsnorm der Kategorie 4 nach EN Gegenüber herkömmlicher Sicherheitstechnik auf der Basis von Schützen bietet die verschleißfreie Schalttechnik von Simotion Safety Unit die Ein-Fehler- Sicherheit. Durch die CPU-Redundanz der Zwei-Kanal-Steuerung und mittels Überwachung der externen Schaltkreise werden unsichere Betriebszustände bereits vor dem ersten Fehlhub erkannt und eine Auslösung verhindert. Zu diesem Zweck sind auch die sichere Überwachung des Nockenwerks und die Verschleißüberwachung der Betriebsbremse mit in den Funktionsumfang des redundanten, zweikanaligen Prozesssteuerungssystems integriert. Den Einsatz von Simotion Safety Unit auf seinen Pressen hat Beutler bislang nicht bereut: Die Sicherheitssteuerung ist für uns der Beweis, dass Hightech und Low Cost kein Widerspruch sind. Auch in unseren preisgünstigsten Pressen steckt Siemens- Qualität, bilanziert Hans Schärl. Technikleiter Schenker ergänzt: Die Pressen laufen einfach und das sehr zuverlässig. Gut im Geschäft auch beim Retrofit Die Entwicklung der Nova-C-Pressen war zu einem guten Teil durch die Marktsituation westeuropäischer Umformbetriebe geprägt, doch die EU-Erweiterung gibt diesem Marktsegment zusätzlichen Schwung, der auch das Retrofit-Geschäft belebt. Viele Pressen und Stanzen mit hochwertiger mechanischer Grundsubstanz können dort auf den neuesten Stand der Sicherheitstechnik gebracht zu werden. Beutler setzt auch hier Simotion Safety Unit TM 121C ein: Einfacher können wir eine Presse nicht umrüsten, gibt Benedikt Schenker zu bedenken nicht zuletzt weil der Siemens-Service mit seiner zuverlässig funktionierenden Logistik in den neuen osteuropäischen Märkten bereits seit langem präsent ist. Mehr zum Thema: IIIIIIIIIIIII TM 121C Unauffällig im Eck: Die kompakte Simotion Safety Unit realisiert als Sicherheitssteuerung alle Grundfunktionen für den Hand-, Taktund Automatik-Betrieb von Exzenterpressen

16 16 Sicherheit an Pressen Der Schaltschrank: vor und nach dem Retrofit Alle Fotos: Windsor Match Plate & Tool Ltd. Simotion Safety Unit bietet zertifizierte sichere Steuerungslösung Sicherheit einfach einbauen CSA Z an diesem Kürzel kommt niemand vorbei, der in Kanada eine Presse betreibt. Die Canadian Standards Association hat vor kurzem einen Sicherheitsstandard definiert, der auf den neuesten technischen Entwicklungen basiert und für alle in Betrieb befindlichen Pressen gilt. Die Simotion Safety Unit ist nach den höchsten Standards (EN Kategorie 4 und IEC SIL 3) zertifiziert nicht nur in Kanada, sondern weltweit. Der neue Code für den Betrieb mechanischer Pressen wurde von der Canadian Standards Association (CSA) im Dezember 2002 veröffentlicht. Neue und auch alte Maschinen müssen bis Dezember 2004 diesen Richtlinien entsprechen. Die Simotion Safety Unit ist der schnellste, einfachste und kostengünstigste Weg, um die geforderte Aufrüstung zu erreichen. Einbauen, parametrieren und fertig ist die Umrüstung. Die Simotion Safety Unit ist eine kompakte Pressensicherheitssteuerung, die alle Sicherheitsfunktionen integriert, die im Arbeitsschutzgesetz und in den Richtlinien für Pressen und Stanzen in allen Industriezweigen gefordert werden. Einfache Aufrüstung Windsor Match Plate & Tool, Ltd. (WMP) in Ontario, Kanada, betreibt über 43 Pressen verschiedener Typen und für unterschied- liche Anwendungen. Mike Kavanaugh und sein Tema von Automatisierungstechnikern bei WMP hatten die Aufgabe, die Pressen auf einen CSA-konformen Stand zu bringen. Auf der Suche nach einer Lösung, die möglichst schnell und wirtschaftlich umgesetzt werden konnte, testeten sie die Simotion Safety Unit. Meine Kollegen und ich waren beeindruckt vom einfachen Einbau und der Leistungsfähigkeit der Simotion Safety Unit, erklärt er. Inzwischen hat er 17 Pressen aufgerüstet und der rasche, problemlose Einbau hat das Unternehmen bewogen, die Safety Unit auch für all seine Pressen mit Prägearbeiten einzusetzen. Maximale Sicherheit Für den manuellen Betrieb ist die Zweihandbedienung (Anti-Tie-Down) vorgesehen, auch für mehrere Bedienerstationen. Not-Aus, Schutzgitter, Lichtvorhänge und Schutzstecker lassen sich direkt an die Safety Unit anschließen. Diese Sicherheitsfunktionen stehen sowohl im manuellen, als auch im Automatikbetrieb zur Verfügung. Die Simotion Safety Unit steuert die Kupplungs-Bremskombination an und kontrolliert durch Messen der Bremszeit mit einer integrierten Bremsenüberwachung die Funktion der Betriebsbremse. Zusätzliche Sicherheitsventile können ebenfalls zuverlässig überwacht werden. Die Auswertung der Nockensignale (mit Bruchüberwachung für Wellen und Riemen) und die zuverlässige Drehkontrolle ergänzen die Grundfunktionen der Safety Unit. Im Gegensatz zur klassischen Realisierung der Sicherheitsfunktionen kann die Simotion Safety Unit Fehler an Schaltern, Gebern oder Sensoren schon vor einem Fehlhub erkennen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die geforderte Ein-Fehler-Sicherheit.

17 17 Das Bedienpult: vor... Stand-alone- oder integrierte Lösung Die Simotion Safety Unit enthält alle Steuerungsfunktionen, die für die manuelle Bedienung einer Presse benötigt werden. Zusätzlich zu der E/A-Schnittstelle, die die einfache Einbindung der Safety Unit in eine SPS-gesteuerte Pressenautomatisierung erlaubt, ist auch eine serielle Schnittstelle für nicht sicherheitsrelevante Kommunikation erhältlich. Die Anwenderprogrammierung für die Pressensteuerung vereinfacht sich dadurch erheblich, denn alle Sicherheitsfunktionen werden von der Simotion Safety Unit autonom realisiert. Die Funktionsblöcke der Pressensteuerung sind hard- und softwareseitig sicherheitsgerichtet ausgeführt. Außerdem sind die Funktionsblöcke in der Safety Unit redundant angelegt, da sich zwei Prozessorsysteme gegenseitig überwachen. Die Beschaltung der sicherheitsgerichteten Einund Ausgänge in der jeweiligen Maschine wird mit Hilfe eines bedienerfreundlichen Konfigurations-Tools festgelegt. Standardwerte machen die Eingabe der wenigen erforderlichen Parameter einfach und schnell und Plausibilitätskontrollen verhindern Konfigurationsfehler. Die rasch fertiggestellte Konfiguration wird per RS232-Schnittstelle auf die Safety Unit überspielt. Nach dem Einspielen der Daten in die Simotion Safety Unit werden die so erzeugten Settings beider CPU- Kerne wieder ausgelesen, analysiert und mit den bei der Parametrierung eingestellten Sollwerten verglichen. Even-... und nach dem Retrofit tuelle Übertragungsfehler werden so zuverlässig aufgedeckt und ein Betrieb der Presse mit inkonsistenter Parametrierung wird verhindert. Sicherheit, Produktivität und Wirtschaftlichkeit Unified Engineering, ein Unternehmen für Systemintegration aus Hamilton, Ontario/Kanada, hat eine große Zahl von Simotion Safety Units in mechanische Pressen eingebaut. George Webster, leitender Ingenieur und Projektmanager, bestätigt, dass die Simotion Safety Unit sich durch das einfache Handling bei Engineering, Installation, Inbetriebsetzung und Abnahme normalerweise sofort rechnet. Dank der Betriebssicherheit und der hohen Verfügbarkeit der Maschine ist das preiswerte Qualitätsprodukt von Siemens langfristig eine kluge Wahl. Die Simotion Safety Unit zeigt, dass Produktivität nicht auf Kosten der Arbeitssicherheit gehen muss. Maximale Sicherheit lässt sich wirkungsvoll mit zügigem Engineering, einfacher Bedienung und optimierter Produktivität bei hohem Durchsatz und Verfügbarkeit vereinbaren. Für viele Pressen-Anwendungen ist die Simotion Safety Unit die Steuerung erster Wahl. Mehr zum Thema: Erfahrungen mit der Simotion Safety Unit Mike F. Kavanaugh von der Windsor Match Plate & Tool, Ltd. : Meine Kollegen und ich waren beeindruckt von der Einfachheit und Leistung der Unit und werden ihren Einsatz bei künftigen Projekten ernsthaft in Betracht ziehen. George Webster, Unified Engineering: Wir haben die Simotion Safety Unit in die Pressenautomatisierungslösung mit Simatic S7-200 und TP 70B integriert. Dadurch werden die technischen Anforderungen und damit die totalen Projektkosten ebenso minimiert wie der erforderliche Zeitaufwand vor Ort für die Modernisierung der Presse. Unified Engineering ist ein Siemens-Partner bei der Initiative zur Pressensicherheitsmodernisierung in Kanada und bringt dabei seine mehr als dreißigjährige Erfahrung aus dem Bereich Umformtechnik ein. Laut ECM Control, einem renommierten kanadischen Automatisierungsdienstleister, ist mit der Simotion Safety Unit eine verblüffend einfache und wirtschaftliche Aufrüstung auf den aktuellsten Stand der Sicherheitstechnik möglich.

18 18 CASE STUDY Kinetische Energiepufferung Spannungsschwankungen und Netzausfälle einfach abfangen Energie im Transfer Höhere Anlagenverfügbarkeit sowie Reduzierung der Störungen durch Spannungsschwankungen und Netzausfälle und damit der Wartung waren die Gründe von BMW Dingolfing, die Transferpresse zu modernisieren. Zum Erfolg des Projektes trug ganz besonders das neuartige Konzept der kinetischen Energiepufferung bei. BMW Transferpressen werden in der Automobilindustrie vorwiegend zur Herstellung von Karosserieblechen eingesetzt. Bei älteren Transferpressen sind die Pressenstößel und die Mechanik für den Teiletransport durch aufwändige Mechanik miteinander zwangsgekoppelt (mechanischer Transfer). Dadurch werden die Aufund Abwärtsbewegung der Pressenstößel und die Horizontalbewegung des Materials immer so koordiniert, dass es nie zu einer Kollision der Mechanik kommt. Moderne Transferpressen setzen einen elektronischen Transfer ein, das heißt, der Teiletransfer in der Presse geschieht mit mechanisch entkoppelten Servoantrieben. Daraus resultiert zwar der Vorteil der wesentlich höheren Flexibilität, auf der anderen Seite besteht bei Netzausfall jedoch die Gefahr, dass die Bewegungen der Stößel und des Transfers nicht mehr koordiniert ablaufen. Denn wenn die Spannungsversorgung unterbrochen ist, fehlt die Energie zum geregelten Beschleunigen oder Abbremsen der Antriebe. Es kann zu einer Kollision zwischen Stößel und Teiletransfer kommen. Kurze Netzausfälle werden bei Servoantrieben in der Regel mit großen Kondensatorbatterien im Spannungszwischenkreis überbrückt. Die gespeicherte Energie reicht je nach Belastung aus, um in wenigen Millisekunden oder Sekunden die Mechanik aus dem Gefahrenbereich zurückzuziehen (Notrückzug). Die Bewegungen zwischen Pressenstößel und Transfer verlaufen dann allerdings unkoordiniert. Nach dem Not-Stopp der Presse müssen die Antriebe wieder synchronisiert werden. Diese Lösung schützt zwar die Pressenmechanik, aber die Presse muss neu eingerichtet und bereits eingefahrenes Material aus der Presse entfernt werden. Und das kann dauern unter Umständen einige Stunden. Als sich BMW Dingolfing im Jahre 2002 zur Modernisierung einer Transferpresse entschlossen hatte, stand neben den Forderungen nach höherer Anlagenverfügbarkeit, Produktionssteigerung durch Einsatz eines elektronischen Transfers und vermindertem Wartungsaufwand durch Drehstromtechnik auch die Aufgabe, Maßnahmen gegen Spannungsschwankungen und Netzausfälle zu ergreifen, mit an erster Stelle. Das Risiko eines Produktionsausfalls wegen einer Unterbrechung der Spannungsversorgung wollte BMW gezielt minimieren bzw. ausschließen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde bei dem neuen Konzept die gesamte Energiebilanz der Presse berücksichtigt. Optimale Nutzung der Energie Transferpressen haben sehr große Schwungräder als Energiespeicher, um die notwendige Verformungsenergie aufzubringen. Die gespeicherte Energie wird bei einem Netzausfall als so genannter kinetischer Energiepuffer genutzt, das heißt, die kinetische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. Die Hauptantriebe wirken dann als Generator und versorgen die Transferantriebe und die Pressensteuerung über den gemeinsamen Zwischenkreis mit Energie. Dieser Energievorrat reicht aus, um die Presse koordiniert zum Stillstand zu bringen. Das Prinzip der kinetischen Energiepufferung ist nicht neu: Es wird bei Maschinen mit großen rotierenden Massen (zum Beispiel Textil-, Papieroder Werkzeugmaschinen) bereits seit vielen Jahren angewendet und eignet sich gerade auch bei Transferpressen mit großen Schwungrädern hervorragend. Bei einem kompletten Stromausfall reicht die Energiereserve bis zu einer halben Stunde aus, um Pressensteuerung, Sicherheitstechnik und Bedienpulte betriebsbereit zu halten. Auch die Betriebs- und Produktionsdaten werden remanent gesichert. Dabei kann die Presse ohne unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) auskommen. Die synchrone Bewegung zwischen Pressenstößel und Transfer bleibt auch bei Stromausfall erhalten. Bei dem BMW Lösungsansatz kamen die Vorteile der Durchgängigkeit von Totally Integrated Automation voll zum Tragen. Die

19 19 aufeinander abgestimmten Komponenten ermöglichen es, alle Elemente des Pressentransfers und die gesamte Pressensteuerung an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis anzuschließen. Sitop- Gleichspannungswandler setzen dabei die hohe Zwischenkreisspannung auf das jeweilige Spannungsniveau um. Als Pressenhauptantrieb ist ein Simovert Masterdrives Vector Control mit Active Front End (AFE) als Einspeiseeinheit eingesetzt. Dieser kann per Standard-Softwarefunktion in den generatorischen Betrieb geschaltet werden und so die im Schwungrad gespeicherte kinetische Energie wieder in elektrische Energie umwandeln. Das AFE sorgt für die bei einem Netzausfall wichtige sichere Trennung des Gleichspannungszwischenkreises vom Netz ohne Kurzschlüsse, Sicherungsfall oder Wechselrichterkippen. Hoher Kundennutzen ohne Mehraufwand Das Konzept der kinetischen Energiepufferung mit Simovert Masterdrives und AFE- Technik eignet sich gleichermaßen für den zentralen oder dezentralen Aufbau und kann deshalb für Transferpressen oder auch Pressenlinien eingesetzt werden. Für die Pressenbetreiber ergeben sich hieraus spürbare Kosteneinsparungen bei Schulung, Service und Ersatzteilhaltung. Das Risiko von Produktionsausfällen durch instabile Netze wird auf ein Minimum redu- AFE-Technik Simovert Masterdrives-Active Front End (AFE) ist eine selbstgeführte, gepulste Einspeise- Rückspeise-Einheit für Drehstromantriebe. Sie besteht aus einem intelligenten Vektorgeregelten Stromrichter mit IGBT-Modulen und Clean-Power-Filter. Mehr zum Thema: Simovert Masterdrives- Active Front End (AFE) Energierichtungen: Normalbetrieb Netzausfall: Energieausgleich, Tranfer beschleunigt oder bremst ziert. Der gemeinsame Gleichspannungszwischenkreis sorgt für den Energieausgleich zwischen allen Antrieben und damit für eine bessere Energiebilanz. Energiekosten und Einspeiseleistung der Presse sinken. Durch den Einsatz der AFE-Technik werden Kompensationsanlagen eingespart und es können kleinere Transformatoren Prinzip der kinetischen Energiepufferung Gleichspannungszwischenkreis Hauptantrieb Netz Active Wechselrichter M ~ Front End Wechselrichter DC/DC- Wandler Servoantrieb M Transfer Pressensteuerung Schwungrad verwendet werden. Schließlich spart der Betreiber auch Kosten, da die eingesetzte Drehstromtechnik praktisch wartungsfrei ist. Mehr zum Thema: Hardware-Aufbau Kinetische Energiepufferung bei BMW zentrale Einspeise-/ Rückspeiseeinheit Wechselrichter für Pressenhauptantrieb Wechselrichter für Transferantriebe und Transfersteuerung Pressensteuerung Gleichspannungszwischenkreis Sitop Gleichspannungswandler Masterdrives Active Front End AFE Masterdrives Vector Control VC Simodrive 611 (und Sinumerik 840 D) Simodrive 611 Simatic S7-400 Simatic ET 200S Dezentrale Peripherie

20 Ein neuer Sound geht um die Antriebswelt Solch ein Orchester hat die Antriebswelt noch nicht gesehen. In seiner Besetzung ist es bislang einmalig. Denn dank einheitlicher Basis spielen unsere SINAMICS-Antriebe stets nach den gleichen Noten in Sachen Flexibilität, Funktionalität und im Engineering. So entsteht eine komplette und durchgängige Antriebsfamilie modular und skalierbar für jede Leistung, jede Performancestufe, jede Spannung. Interesse am Tourneeplan? Mehr Infos unter

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