Die Radscheiben für Radsätze von Eisenbahnwaggons wurden bis dato auf unterschiedliche Weise nacheinander und Seite für Seite auf die Achse gepresst, verbunden mit entsprechenden Zeitverlusten. Diese kann sich heute eigentlich niemand mehr leisten. Sie ließen sich vermeiden, könnte man beide Radscheiben gleichzeitig gegeneinander verpressen. Das war der Grundgedanke bei der Entwicklung einer neuen hydraulischen Radsatzpresse. Gedacht und in die weltweit erste, mittlerweile im Dreischichtbetrieb bewährte Simultan-Radsatzpresse umgesetzt haben ihn die Entwickler der Hegenscheidt-MFD GmbH & Co. KG aus Erkelenz, 40km südwestlich von Düsseldorf (Kurzprofil siehe Kasten). Voraussetzung dafür war ein extrem leistungsfähiger Controller für die hochdynamische Ansteuerung insbesondere der Hydraulikachsen, den man nach Vergleichen mit anderen Lösungen schließlich in der PC-basierten Ausprägung des Motion-Control-Systems Simotion P350-3 bei Siemens gefunden hat: \“Überzeugend an diesem System waren vor allem die durchgängige Echtzeitkommunikation zwischen Controller und hydraulischen wie elektrischen Antriebsachsen über Profinet mit Isochronous Realtime (IRT) und die Integration von Motion-Control-, Steuerungs- und HMI-Funktionalität in einem Gerät\“, sagt Jürgen Winnertz von der Elektrokonstruktion des Maschinenbauers. Zudem hat Siemens von Anfang an volle Unterstützung bei Auslegung, Applikationsentwicklung, Inbetriebnahme sowie beim Schaltschrankbau (im Werk für Kombinationstechnik Chemnitz, WKC) zugesagt und mit SPS- und NC-Steuerungen sowie Antrieben des Herstellers hat Hegenscheidt über die Jahre hinweg durchwegs positive Erfahrungen gemacht. Die hohe Akzeptanz des Automatisierers bei Anwendern rund um den Globus und die weltweite Verfügbarkeit von Ersatzteilen und Support waren weitere ausschlaggebende Argumente. Die entstandene Simultanpresse ist üblicherweise eingebunden in komplexe, schlüsselfertige Fertigungs- und Montagestraßen für Radsätze, wie sie Hegenscheidt gemeinsam mit anderen Unternehmen der NSH-Gruppe (Niles-Simmons-Hegenscheidt) zuletzt für einen russischen Waggonhersteller realisiert hat. Über Transferwagen mit Achsen und Radscheiben ver- und entsorgt, liefert die neue Presse etwa alle sechs Minuten einen fertigen Radsatz. Das sind pro Radsatz geschätzte drei bis vier Minuten weniger als bisherige Anlagen leisten, was bei der geplanten Dauernutzung im Dreischichtbetrieb einen erheblichen Produktivitätszuwachs bedeutet. \’Fliegend\‘ zwischen Spitzen verpresst Schlüssel dazu ist ein System mit je einem konzentrisch im eigentlichen Presszylinder sitzenden Zentrierzylinder auf beiden Seiten der Presse. Diese können sowohl in sich als auch seitenweise unabhängig voneinander weg- bzw. kraftgeregelt betrieben werden. Was in Verbindung mit einem hochauflösenden Messsystem (auf einer Traverse) einen dynamischen und präzisen, exakt nachvollziehbaren Pressvorgang ermöglicht. Dazu werden die Räder innerhalb der Presse zentriert, die Achse zwischen den Pinolen der Zentrierzylinder gespannt und mittig ausgerichtet. Bei diesem Einspannvorgang werden die Räder mit den Zentriervorrichtungen bis kurz vor dem Presssitz auf der Achse mitgenommen. Danach fahren die Presszylinder aus und drücken die Radscheiben simultan und ohne mechanischen Endanschlag exakt in die vorgegebene Position auf der Achse. Klingt einfacher als es ist, da unterschiedliche Rautiefen und Maßtoleranzen zu unterschiedlichen Presskräften führen (bis zu 300t sind derzeit möglich), die es (über redundante Kraftmessdosen an allen Zylindern) kontinuierlich zu erfassen und schnell auszuregeln gilt. \“Eine Herausforderung war das schnelle, nahtlose Umschalten zwischen Positions- und Kraftregelung beim Spannen und Zentrieren der nur grob auf Länge vorbearbeiteten, daher unterschiedlich langen Achsen. Um diese in eine definierte Ausgangslage zu bringen und darin zu halten, werden beide Pinolen zunächst solange positionsgeregelt verfahren, bis eine bestimmte Kraftschwelle erreicht ist. Dann wird eine Seite \’on-the-Fly\‘ in Kraftregelung umgeschaltet, während die andere in Positionsregelung bleibt. Das muss extrem schnell und ohne Überschwinger erfolgen, weil sonst in Sekundenbruchteilen sehr hohe Kräfte auf Maschine und Bauteil einwirken und den Radsatz aus der Nulllage bringen würden. Differenzkräfte müssen über die Zentrierzylinder aufgenommen und ausgeglichen werden, wobei zum einen nicht zu hohe Stauchkräfte auf die Achse einwirken dürfen, zum anderen ein Abheben einer der Pinolen sicher zu verhindern ist. Dazu ist der kraftgeregelten Pinole ein Summenregler überlagert, der immer auch die Istkraft der positionsgeregelten Seite berücksichtigt. Performance durch Profinet mit IRT Für derart dynamische Regelung hydraulischer Achsen hat Siemens die PC-basierte Variante seines Motion-Control-Systems Simotion P350-3 entwickelt. Ergänzt um ein Communication Board MCI-PN (mit integriertem 4-Port-Switch) fungiert dieses hier als Profinet-IO-Controller und ermöglicht den einfachen Aufbau individueller Bustopologien (Linie, Stern, Ring, …). Mit schnellen Peripheriebaugruppen der Baureihe Simatic ET200S HS (High Speed) in der Anlage ist Echtzeitkommunikation über Profinet mit IRT bei Bus- und Servotaktzeiten von 250µs möglich. \“Damit waren wir von Anfang an auf der sicheren Seite\“, so Jürgen Winnertz, \“und haben bei Taktzeiten von etwa 1ms noch ausreichend Reserven für künftige Optimierungen.\“ Wesentlich erleichtert wurde der Einstieg in die neue Technik durch die intensive Unterstützung des Applikationszentrums von Siemens Köln. Die Motion-Control-Spezialisten haben insbesondere spezifische Bausteine für die anspruchsvolle Hydraulikregelung, aber auch zur Ansteuerung der Servoachsen an den Transport- und Hebeeinrichtungen entwickelt und waren an der Erstinbetriebnahme beteiligt. \“Man hat für uns vor allem die reglernahen Dinge programmiert und diese benutzerfreundlich nach außen gestellt. Dadurch ließen sich sämtliche Funktionen des Motion Controllers sehr komfortabel im Engineering-System Simotion Scout nutzen und alle unsere Wünsche und Vorstellungen umsetzen\“, so Jürgen Winnertz. Vom Siemens-Stammhaus in Erlangen wurde auch ein kleines Werkzeug zur Aufnahme von Ventilkennlinien mit Simotion erstellt. Damit generierte und im System hinterlegte Kennlinien können bei Unregelmäßigkeiten im Prozess eingelesen und damit Abweichungen von der ursprünglichen Ventilcharakteristik schnell erkannt werden. Hohe Akzeptanz in den eigenen Reihen sei außerdem dadurch gewährleistet, dass sich Simotion-Programme generell sowohl in der von den Servicekräften bevorzugten Sprache Kontaktplan (KOP) als auch in Structured Text (ST) erstellen lassen. Als \’sehr schöne Features\‘ haben sich in kürzester Zeit das Trace Tool und der zugehörige Debugger herausgestellt, womit digitale und analoge Signalverläufe einfach aufgezeichnet und das Antriebsverhalten auch im Verbund analysiert und schnell optimiert werden kann. Einen technischen Generationswechsel hat Hegenscheidt bei diesem Projekt auch bei den elektrischen Antrieben vollzogen. So werden aus dem Siemens-Angebot die Servomotoren der Reihe 1FK7 jetzt über einen Umrichter der neuen modularen Antriebsfamilie Sinamics S120 gespeist; diese Antriebsgeneration ist für den Betrieb mit Simotion-Controllern optimiert, alle Komponenten (Regelbaugruppe, Einspeisung und Motormodule) sind über einen schnellen, digitalen Systembus (DriveCliq) miteinander verbunden. Und über ein Communication Board CBE20 als Profinet-IO-Device in das Profinet-Netzwerk einbezogen. Damit kommunizieren alle direkt und indirekt am Pressprozess beteiligten Komponenten durchgängig in Echtzeit miteinander, was auch das Engineering vereinheitlicht hat und die Diagnose im laufenden Betrieb erleichtert. PLC- und HMI-Funktionalität inklusive Auch die PC-basierte Simotion-Variante integriert neben Motion-Control-Funktionen die gesamte Ablaufsteuerung und Verknüpfung der Presse mit der lokalen Peripherie bzw. den vor- und nachgelagerten Anlagenteilen. Diese ist/sind über Interface-Module IM154-4 PN bzw. DP/DP-Koppler angebunden. Das Simotion-System stellt umfassende PLC-Funktionalität zur Verfügung, sodass auf eine zusätzliche SPS ganz verzichtet werden konnte. Als PC-basierte Lösung ist Simotion P350 offen für den Einsatz nahezu jeder unter Windows XP ablauffähigen Software und damit prädestiniert dafür, auch anspruchsvolle Visualisierungsaufgaben zu übernehmen. Hegenscheidt hat sich für das HMI-System Simatic WinCC flexible entschieden und eine mehrsprachige Bedienoberfläche für eine Simotion-Panelfront mit 15\“-Touch-Screen entwickelt. Darüber kann der Betreiber den Pressablauf komfortabel einrichten und einmal optimierte Einstellungen (z.B. für unterschiedliche Spurweiten) als Rezeptur abspeichern und bei Bedarf schnell wieder einlesen. Für prozessnahes Einrichten von Radzentriereinrichtungen und Transportwagen ist zusätzlich ein tragbares Mini-Bedienhandgerät aus dem Sinumerik-Portfolio an das Simotion-System angeschlossen. Im Automatikbetrieb können wichtige Prozessparameter wie Kraftverläufe über den Presswegen, Maximalkräfte und verschiedene Abmaße automatisch mitgeschrieben und (in Form von CSV-Dateien) archiviert werden, was für sicherheitsrelevante Teile wie Radsätze in der Regel vorgeschrieben ist. Die wichtigsten Parameter werden laufend überwacht und der Radsatz bei unzulässigen Abweichungen automatisch aus dem Produktionsablauf ausgeschleust. Ein überlagerter Leitrechner ruft die Datensätze aus der Simotion-Umgebung ab, pflegt diese in eine Datenbank ein und generiert daraus PDF-Dateien für die Dokumentation. Durchgängige Diagnose für höchste Produktivität Auf Kundenwunsch installiert der Maschinenbauer auch Werkzeuge für die Ferndiagnose und -wartung bis in die Antriebsebene hinein. Zur Auswahl stehen direkt in das Motion-Control-System integrierte, über Ethernet oder Profinet nutzbare Web-Funktionen (Simotion IT Diag) basierend auf standardisierten IT-Technologien wie HTTP, TCP/IP oder HTML. Oder aber die Option WinCC flexible/Sm@rtService, für die Diagnose, Wartung und Fernbedienung von Bedienstationen via Internet. Auch diese Durchgängigkeit bei der Diagnose hat Hegenscheidt dazu bewogen, ein aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem ohne Schnittstellenprobleme einer damals zur Diskussion stehenden heterogenen Lösung vorzuziehen. Damit macht der Maschinenbauer auch in punkto Servicequalität einen spürbaren \’Satz nach vorne\‘, indem er eventuelle Fehler von zentraler Stelle aus schnell erkennen und beheben, oder Updates einspielen kann. Was in vielen Fällen zeit- und kostenaufwändige Serviceeinsätze und/oder Stillstandszeiten sprich Produktionsausfälle reduzieren hilft. Kasten: Kurzprofil der Firma Hegenscheidt-MFD Die Hegenscheidt-MFD GmbH & Co. KG aus Erkelenz, 40km südwestlich von Düsseldorf, gehört seit 2001 zur Unternehmensgruppe Niles-Simmons-Hegenscheidt (NSH) mit Sitz in Chemnitz, einem der 35 größten Werkzeugmaschinenhersteller der Welt. Die Ursprünge gehen zurück bis ins Jahr 1889, seit 1920 fertigt das Unternehmen bereits Radsatzdrehmaschinen. Heute ist Hegenscheidt-MFD weltweit führend bei Über- und Unterflur-Radsatzdrehmaschinen zur Reprofilierung von Radsätzen sowie Radsatz-Diagnose- und Aufgleissystemen für Schienenfahrzeuge. Der zweite Produktionsbereich fertigt Fest- und Richtwalzmaschinen, Drehräum- und Passlagerbearbeitungsmaschinen zur Herstellung von Kurbelwellen für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge. In Erkelenz beschäftigt das Unternehmen rund 400 Mitarbeiter und 40 Auszubildende, weitere an den Auslandsstandorten in den USA und Australien.
Siemens AG
