15.05.2018

Integrierte Steuerungs- und Sicherheitslösung im Großanlagenbau

Sichere Antriebslösung in ganz großem Stil

Eine vom Umfang her außergewöhnliche Anwendung unter Verwendung von Premier Integration für Frequenzumrichter, Sistema-fähiger Sicherheitsprodukte und effektivem technischen Support.


Hohe Belastbarkeit und hohe Genauigkeit gehen normalerweise nicht Hand in Hand. Es gibt jedoch Anwendungen in der Schwerindustrie, die ein Höchstmaß an Präzision mithilfe einer ausgeklügelten Automatisierungslösung erfordern. Zur Entwicklung einer sehr genauen Steuerungslösung für zwei große Permanentmagnetmotoren (PM) beauftragte die A TEC-Gruppe, ein Engineering- und Technologieunternehmen aus Österreich mit Fokus auf Optimierung und Effizienzverbesserung von Zementwerken, den ebenfalls in Österreich ansässigen Automatisierungsspezialisten AT Equipment and Services GmbH, einen Systemintegrator von Rockwell Automation. Eingesetzt in einem Zweikammern-Schredder zur Herstellung von Ersatzbrennstoffen aus recyceltem Abfall für eine Aufbereitungsanlage sind die PM-Motoren aufgrund ihrer Größe keine gängige Lösung für eine derartige Anwendung. Sie bieten jedoch gegenüber den traditionell verwendeten Induktionsmotoren eine genauere Drehzahlregelung, insbesondere wenn kein Getriebe zum Einsatz kommen soll. AT Equipment and Services entwickelt seit über dreißig Jahren Steuerungslösungen für die Industrie. Unter den verschiedenen Anbietern für dieses Projekt fiel die Wahl auf Rockwell Automation. Der Automatisierungsspezialist bot mit seiner Integrated Architecture eine Automatisierungs- und Sicherheitslösung, die durch eine einfachere Integration der Antriebslösung mit der Engineering-Umgebung Studio 5000 überzeugen konnte.

Herausforderung

Die größte Herausforderung in dieser Anwendung war eine genaue Drehzahlregelung für die großen PM-Motoren ohne Getriebeeinsatz. Hierfür waren mehrere Rückkopplungsschleifen und komplexe Inbetriebnahmeprozesse erforderlich. In der Schredder-Anwendung rotieren Ketten innerhalb einer Kammer, um das Abfall- und Recyclingmaterial durch die Quetsch- und Schlagwirkung zu zerkleinern. Darüber hinaus sollen sie jedoch auch die Oberfläche aufbrechen und aufrauen, um diese zu vergrößern. Eine größere Oberfläche fördert den Trocknungsprozess und verbessert auch die Verbrennung, wenn das Ausgangsmaterial schließlich zur Wärmeerzeugung verbrannt wird. Herwig Reischl, Geschäftsführer der AT Equipment and Services, erläutert: "Ähnliche Zerkleinerer schreddern das Abfallmaterial mit rotierenden Messern, aber sie verändern die Oberfläche nicht. Daher setzen wir hier Ketten ein, die jedoch durch die Reibung andere Herausforderungen mit sich bringen. Das Abfallmaterial kann durch die Reibungswärme schmelzen und verklumpen. Aus diesem Grund benötigen wir eine präzise Drehzahlregelung, insbesondere da wir hier keine Getriebe einsetzen, um den Zerkleinerungsprozess so effektiv wie möglich zu gestalten sowie die Wärmeerzeugung bedingt durch konstanten Abrieb in Grenzen zu halten. Läuft die Kette zu langsam, können auch hier Probleme mit Verklumpen und Verhaken auftreten." Hannes Uttinger, Process Engineer Alternative Fuels bei der A TEC-Gruppe, erklärt den Prozess: "Im Betrieb beginnt der Prozess mit aufbereiteten Haushalts- oder Industrieabfällen, die mechanisch sortiert wurden und Kunststoff, Papier und organisches Material enthalten. Nach dem Sortieren beladen Kräne oder andere Ladevorrichtungen das Förderband mit Material, das eine typische Größe von 200 bis 300mm hat. Von dort gelangt das Material in eine Mühle mit zwei unabhängigen Mahlkammern, wo es zerkleinert und zerrieben wird. Nach einer Zwischenlagerung wird das Material dann über ein Wiegesystem den Brennöfen zugeführt. In dieser Anwendung lässt sich das Material als Ersatzbrennstoff anstelle von Öl oder Kohle zur Wärmeerzeugung in Zementwerken einsetzen - eines unserer Kerngeschäfte. Es kann aber auch in Kraftwerken zur Dampferzeugung genutzt werden. Die Verwendung von recyceltem Material gestaltet den Prozess umweltverträglicher und reduziert den CO2- und NOx-Ausstoß gegenüber Brennstoffen wie Kohle oder Öl."

Lösung

Das Herz der neuen Steuerungs- und Sicherheitsinfrastruktur bildet eine Allen Bradley Compact GuardLogix Sicherheitssteuerung, kombiniert mit Allen Bradley Point-I/O-Modulen und einer Allen Bradley PanelView Plus 7 als HMI. Die primäre Steuerung nutzt zwei Allen Bradley PowerFlex 755 Frequenzumrichter für Frame 8 (650A), über die die beiden PM-Motoren angesteuert werden. Nachgeschaltet sind Allen Bradley PowerFlex 527 Frequenzumrichter zur Steuerung von Schrauben und Förderbändern. Beide Antriebssätze profitieren vom Premier-Integration-Ansatz, mit dem Rockwell Automation die Programmierung der Steuerung, die Gerätekonfiguration, den Anlagenbetrieb und die Wartungsaktivitäten in einer einzigen Software-Umgebung konsolidiert. Dadurch lässt sich das System vereinfachen und die Entwicklungs- und Konfigurationszeit verkürzen. Anwender profitieren zudem von einem erweiterten Zugang zu kritischen Anlagendaten und können damit fundiertere Entscheidungen treffen sowie mögliche Ausfallzeiten antizipieren. "Wir waren von Anfang an in das Projekt eingebunden", erklärt Reischl, "einschließlich der Sicherheits- und Risikoanalysen. Rockwell Automation bietet aus der Automatisierungs- und Steuerungsperspektive äußerst leistungsstarke Lösungen, wobei die integrierte Sicherheitslösung besonders hervorzuheben ist. Andere Automatisierungsunternehmen bieten Sicherheit als Teil eines Paketes, aber die Komponenten von Rockwell Automation arbeiten besonders effektiv zusammen." "Wir können auch auf Sistema-basierende Sicherheitsberichte erstellen," so Reischl weiter. "Mit Komponenten von Rockwell Automation ist das besonders einfach, da die Daten für die Maschinensicherheitsprodukte als Bibliotheksdatei für das Sistema-Berechnungstool verfügbar sind." Sistema automatisiert die Berechnung des erreichten Performance Level der sicherheitsgerichteten Teile einer Maschinensteuerung nach EN ISO13849-1. Durch den Einsatz der Bibliotheksdaten von Rockwell Automation verkürzen Maschinenkonstrukteure und Systementwickler den Zeitaufwand für die Sicherheitsbewertung nach (EN) ISO13849-1 erheblich. Dies gilt auch für PowerFlex Frequenzumrichter, bei denen die Sicherheitsfunktionalität bereits im Umrichter integriert ist und die mit Safety-over-Ethernet/IP lieferbar sind - jede Kammer hat einen mit einer Guardmaster 442G-Multifunktions-Zugangsbox ausgestatteten Zugangspunkt. Diese integrierte Sicherheitslösung ist ideal für Anwendungen, in denen höhere Haltekräfte für die Schutztüren, eine größere Toleranz gegenüber Fehlausrichtung und eine Möglichkeit zum Verlassen des geschützten Bereichs im Notfall gefordert sind. Eine Auswahl von Bedienungselementen und andere Optionen bieten umfassende Flexibilität für unterschiedliche Anwendungsgebiete.

Ergebnis

AT Equipment and Services und ihr Kunde, die A TEC, profitieren auf vielfache Weise vom Einsatz der Rockwell Automation-Lösung, wobei die einfache Integration ein Schlüsselaspekt ist. Neben einer leistungsfähigen Motorsteuerung trägt auch die integrierte Sicherheits-Hardware zu erhöhter Funktionalität bei. Gleichzeitig vereinfacht die Sistema-Unterstützung die Sicherheitsintegration und -berechnungen erheblich. Weiterhin verkürzt die Premier Integration der Frequenzumrichter in die Entwicklungsumgebung auch die Design-, Entwicklungs- und Installationszeiten. "Das Rockwell Automation-Team aus Österreich hat uns umfassend dabei geholfen, das Angebot mit allen passenden Komponenten auszuarbeiten", führt Reischl aus. "So konnten wir mit den Details der technischen Umsetzung beginnen. Motoren mit Permanentmagneten sind in dieser Größe nicht üblich und damit eine Herausforderung. Wir benötigten genaue Drehzahlen, die wir durch den Einsatz von Frequenzumrichtern und Encoder-Rückführungen erreicht haben. Die Inbetriebnahme war eine Herausforderung, bei der uns das technische Team von Rockwell Automation sehr unterstützt hat." Uttinger resümiert: "Dank der genauen Drehzahlregelung der Rockwell Automation-Frequenzumrichter fahren wir die Schredder ganz ohne Getriebe innerhalb der Bemessungsparameter, was beeindruckend ist. Auch die Engineering-Teams haben sehr gut zusammengearbeitet. Es gab eine Vielzahl an Parametern zu berücksichtigen, und für die korrekten Sollwerte war die Anbindung der Frequenzumrichter an die Motoren von substantieller Bedeutung. Schlussendlich konnten wir das Projekt mit bewährten Steuerungsprodukten, gutem Teamwork und effektiver technischer Umsetzung zum Erfolg führen. Mit Rockwell Automation haben wir ausgezeichnete Erfahrungen gemacht und freuen uns auf zukünftige gemeinsame Projekte."

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