Ressourcen schonendes Antriebskonzept Rollenschneidmaschinen energieeffizient antreiben

Bei Rollenschneid- und Wickelmaschinen gehört der richtige Zug zu den zentralen Aspekten perfekter Abroll- und Schneidprozesse. Darin besitzt die PSA Technology GmbH aus Bitburg bei Trier mit ihren 50 Mitarbeitern viel Know-how. Denn der Sondermaschinenbauer fertigt seit 15 Jahren individuell angepasste Lösungen für unterschiedliche Branchen, wie etwa die Verpackungs- und Vliesstoffindustrie. \“Entscheidend für den wirtschaftlichen Betrieb solcher Maschinen sind neben dem präzisen Schneidergebnis vor allem kurze Rüst- und Einstellzeiten\“, erklärt Geschäftsführer Ludwig Diederichs. Das ist eines der Erfolgsgeheimnisse des Unternehmens. Denn durch eine computergesteuerte Positionierung der bis zu 100 Schneidmesser in einer Maschine lassen sich die Rüstzeiten reduzieren. Die so mögliche Maximierung der Betriebszeiten setzt für den Firmenchef neben der entsprechend hohen Produktionsleistung weitere Zeichen: \“Arbeiten die Maschinen im Mehrschichtbetrieb, verlangt auch das Thema Energieeffizienz erhöhte Aufmerksamkeit.\“ Das geschieht beim Bitburger Sondermaschinenbauer durch die Verwendung von Energiesparmotoren der Wirkungsgradklasse IE2 gemäß der EU-Verordnung 640/2009. Die erste, vollständig damit ausgerüstete Rollenschneid- und Wickelmaschine wurde im Spätsommer 2011 an einen deutschen Vliesstoffproduzenten geliefert. Michael Jäckels, Leiter der E-Projektierung bei PSA Technology, schätzt: \“Mit dieser Maschine lassen sich etwa zwei Prozent der Energiekosten einsparen.\“ Das ist ein wichtiger Pluspunkt, denn Praktiker wissen, dass rund 97% der Lebenszykluskosten von Motoren auf die Energiekosten zurückzuführen sind. Nur 3% entfallen auf die Investitionskosten. Energieeinsparung mit vielen positiven Effekten Für den Antrieb des Abrollers, der auf Coils aufgerollte Ware mit einer Breite von bis zu 2.400 mm abrollt, sorgen zwei Drehstrom-Asynchronmotoren des Typs 1LG6 von Siemens mit jeweils 15kW Nennleistung und einem Wirkungsgrad von 89,7% bei 50Hz Betrieb. Den Aufwickler am Ende der Maschine treibt ein 30kW-Motor an. Grundsätzlich gilt: Je geringer die installierte Leistung, desto markanter ist die Energieeinsparung von IE2- gegenüber IE1-Motoren. Michael Jäckels erläutert: \“Durch die Verwendung der Siemens-Motoren erfahren unsere Maschinen zusätzliche Vorteile, zum Beispiel eine geringere Abwärme beim Abrollen der bis zu 1,5Tonnen schweren Coils in dieser Maschine.\“ Dadurch steigt u.a. die Lebensdauer der Lagerung. Für hohe Laufleistungen, sprich lange Betriebszeiten, wurden die Asynchronmotoren mit einer optional erhältlichen, verstärkten Lagerung (K20) ausgerüstet. Das ist in den Rollenschneid- und Wickelmaschinen aus Rheinland-Pfalz deshalb wichtig, weil die Hauptachsen indirekt über Antriebsriemen bewegt werden und dadurch sehr starke Radialkräfte wirken. Motoren mit dem gewissen Etwas Eine weitere typische Eigenschaft dieser Maschinen, die aus einer breiten Rohwickelware bedarfsgerecht schmale Fertigrollenware schneiden, ist die präzise Abstimmung zwischen Drehzahl und Materialspannung (Zug). So erfordert der Abroller, der in der hier beschriebenen Maschine Coils bis 1,5m Durchmesser abrollt, selbst bei langsamen Drehgeschwindigkeiten das höchstmögliche Antriebsmoment. Um die damit verbundene thermische Belastung auf die Motoren sicher konstant halten zu können, sind die Siemens-Motoren der Hauptantriebe mit einer zusätzlichen Fremdbelüftung ausgestattet. Die Temperaturwerte ermittelt ein im Motor integrierter KTY-Temperatursensor. Dieser kann im Gegensatz zu einfachen Pt100-Fühlern die Temperatur im Verlauf erfassen und dadurch eine exakte Temperaturregelung der Motoren ermöglichen. Außerdem besitzen die Motoren eine integrierte Bremse, um im Falle eines Not-Halts die gesamte Anlage mit Bandgeschwindigkeiten bis 500m/min inklusive der hohen Massenträgheitsmomente in Sekundenschnelle zum Stillstand zu bringen. \“Sowohl dieses Feature als auch die Tatsache, dass wir die Motoren drehzahlvariabel betreiben, würden in der neuen EU-Normung als Ausnahmen gelten, weshalb energieeffiziente IE2-Motoren eigentlich nicht obligatorisch wären\“, verrät Geschäftsführer Ludwig Diederichs und ergänzt: \“Dennoch bekennen wir uns mit dem standardmäßigen Einsatz von IE2-Motoren zu einem ökologischen Bewusstsein. Energieeinsparung und Umweltschutz gehen uns schließlich alle an.\“ Frequenzumrichter sorgen für Energieeffizienz und Sicherheit Für die Drehzahlregelung der Hauptachsen setzt PSA Technology ­Frequenz­umrichter des Typs Sinamics S120 von Siemens in der Form \’Booksize\‘ ein. Diese Geräte sind kompakt gebaut und finden in den maschinenseitig integ­rierten Schaltschränken Platz. Durch die damit realisierbare Vektorregelung lässt sich der Zug innerhalb der Maschine präzise im optimalen Spannungsbereich halten. Der Grund: In den Geräten lassen sich Strom-, Drehzahl-, Lage- und Momentregler optimal überlagern, die letztlich zu der präzisen Zugregelung führen. Für die Flexibilität der Maschine, die Materialstärken von 0,25 bis 2,5mm verarbeiten kann, ist das entscheidend. Außerdem ermöglichen die Geräte die für die Sicherheitstechnik notwendige fehlersichere Abschaltung. Steuerungstechnisch funktioniert das mithilfe von Profibus bzw. Profinet mit dem Protokoll Profisafe. Hierfür nutzen die Spezialisten aus Bitburg zwei fehlersichere Steuerungen Simatic S7-315F von Siemens – eine für die gesamte Maschine und eine nur für die Messerpositionierung. Michael Jäckels Urteil: \“Die in den Frequenzumrichtern integ­rierte Sicherheitstechnik inklusive der Möglichkeit, die Sicherheitstechnik direkt in der Steuerung mit integrieren zu können, vereinfacht vieles.\“ \’Energiepool\‘ durch gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis Durch die Brille der Energieeffizienz betrachtet gibt es bei den Frequenzumrichtern Sinamics S120 noch ein weiteres Highlight: Die Leistungsteile – in der Bauform \’Booksize\‘ als Motormodule bezeichnet – lassen sich miteinander koppeln. Zudem ist es mittels der Ein-/ Rückspeisung \’Smart Line\‘ möglich, überschüssige Energie ins Netz zurückzuspeisen. Hierdurch ergibt sich ein gemeinsamer Gleichspannungs-Zwischenkreis, der von allen angeschlossenen Geräten genutzt wird. Wird zum Beispiel beim Abrollen Energie frei, kann diese direkt vom Antrieb der zentralen Wickelwelle genutzt werden. Auf diese Weise wird Energie nicht unnötig in Wärme, sondern gleich in Bewegungsenergie umgewandelt. Und damit nicht genug: Je nachdem, um welches Material es sich handelt, das \’umgewickelt\‘ wird, ergeben sich unterschiedliche antriebstechnische Prozessabschnitte. Es gibt Materialien, die nur in geringem Maß angetrieben werden müssen, andere laufen von Anfang an im so genannten generatorischen Betrieb und wieder andere \’kippen\‘ ab einem bestimmten Umwickelpunkt von einem motorischen zu einem generatorischen Betrieb. \“Die hohe Einsatzflexibilität unserer Maschinen resultiert nicht zuletzt aus den vielfältigen Regelungsmöglichkeiten der hier eingesetzten Antriebs- und Steuerungstechnik\“, fasst Michael Jäckels zusammen. Ludwig Diederichs ergänzt: \“Dadurch haben wir die heutige Produktvielfalt im Griff.\“ Wie weit diese Produktvielfalt gespannt ist, verdeutlichen Zahlen: PSA Technology baut individuelle Wickelmaschinen bis zu Bearbeitungsbreiten von 4.800mm. Diese können Materialien von 2 bis 3mm starken PET-Werkstoffen bis zu 3,5µm dünnen Aluminiumfolien konvertieren. Für die Technikabteilung in Bitburg bedeutet das: Züge von 5.000 bis 4N müssen beherrscht werden. Hierbei setzen die Pfälzer auf Standards, wie Dieter Keipen, Technischer Leiter bei PSA Technology, berichtet: \“Unsere Lösungen basieren kommunikationstechnisch auf Profibus und Profinet. Durch die gleiche Systematik sowohl im mechanischen wie auch im elektrotechnischen Aufbau der Maschinen beschleunigen wir nicht nur die Entwicklung der Maschinen, sondern optimieren damit auch den Service, den wir weltweit liefern.\“ Fazit: Wirtschaftlichkeit durch Flexibilität und Energieeinsparung