Mit Lichtbogenöfen wird in Stahlwerken Schrott eingeschmolzen. Um die Lichtbögen zu zünden, werden unter elektrischer Spannung stehende Graphit-Elektroden so weit abgesenkt, bis sie das einzuschmelzende Material berühren. Dadurch kommt es zu einem gezielten Kurzschluss mit hoher Induktivität. Beim Zurückziehen der Elektroden entstehen dann die Lichtbögen. Der Stahlschrott wird an der Oberfläche durch die entstehenden heißen Gase und im Inneren durch den elektrischen Strom, der in dem elektrischen Widerstand des Stahls Wärme erzeugt, eingeschmolzen. Um diesen Prozess in der Praxis sicher zu beherrschen und den Energieverbrauch zu optimieren, bedarf es einer komplexen Steuerung. Für die Entwicklung und den Bau von Steuerungs- und Regelungssysteme für Elektroden in Lichtbogenöfen setzt Moser Industrieelektronik auf eine eigene Lösung, die im hauseigenen Schaltschrankbau umgesetzt wird. Je nach Kundenanforderung werden die Schränke konfiguriert und als einschaltfertige Plug&Play-Lösung vor Ort an das Leitsystem sowie den Lichtbogenofen angeschlossen.
Viel Energie kostet viel Geld
Den hohen Energieaufwand - und die damit verbundenen Kosten - zu senken ist eine der großen Herausforderungen. Das Ziel ist daher, in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Stahlschrott einzuschmelzen. Mit anderen Worten: Die Zeit zwischen den Abstichen muss so kurz wie möglich sein. Um dem Problem Herr zu werden, setzt Moser bei der Elektrodensteuerung an, da diese den gesamten Schmelzprozess beeinflusst. Mit einer präzisen Erfassung von Messdaten, wie zum Beispiel den Oberschwingungen der Lichtbogenspannung, werden die Parameter im laufenden Prozess erfasst. Die gewonnenen Daten werden in die komplexen Steuerungs- und Regelungsalgorithmen übertragen, vor Ort visualisiert und an die Prozessleitstelle weitergegeben. Diese Methode verringert die Zeit zwischen den Abstichen. Das wirkt sich neben dem reduzierten Energieverbrauch auch positiv auf die Lebensdauer der Elektroden aus.
Ein IPC für 24 Stunden
In der Anfangsphase setzt man einen handelsüblichen Office-PC für die Visualisierung ein. „Genau dieser PC machte uns nach einiger Zeit Probleme und versagte“, erzählt Geschäftsführer Günter Moser. Ursache sind die hohen Temperaturen und Vibrationen, denen der Schaltschrank mit dem PC in der Nähe des Lichtbogenofens ausgesetzt ist. Hinzu kommt, dass die gesamte Anlage 24Stunden an sieben Tagen der Woche in Betrieb ist. Trotz eines Wärmetauschers war die Lebensdauer des PCs nur kurz. Ein gegen Vibrationen und Wärme unempfindlicher Industrie-PC sollte das Problem lösen.
Wartungsfrei im Dauerbetrieb
Da das Unternehmen in anderen Bereichen bereits Erfahrungen mit dem Microbox PC Simatic IPC427C von Siemens gemacht hatte, stand der Entschluss fest, diesen auch für die Elektrodenregelung einzusetzen. Durch die robuste Bauweise dieses PCs, der komplett ohne drehende Teile wie Festplatte und Lüfter auskommt, werden die Anforderungen im Stahlwerk erfüllt. Außerdem ist der IPC wartungsfrei und somit gut geeignet für den Dauerbetrieb im geschlossenen Schaltschrank. Mit einem SSD als Massenspeicher wird das hohe Datenaufkommen der permanenten Messdatenerfassung während des Schmelzprozesses bewältigt. Skepsis der Endkunden, die gesamte Steuerung des Schmelzprozesses einem PC zu überlassen, entgegnet Moser: „Der Microbox PC mit dem Software Controller WinAC F ist sogar vom TÜV für fehlersichere Anwendungen zertifiziert“. Bei anderen Komponenten des Schaltschranks geht das Unternehmen gerne auch auf Kundenwünsche ein, jedoch nicht beim PC. „Der IPC ist für uns genau die richtige Lösung und der Kern der gesamten Funktionseinheit. Nur mit dieser Komponente können wir unseren Kunden die versprochenen Vorteile in vollem Umfang garantieren“, sagt Moser.
Bestehende Software integrieren
Der Software Controller WinAC und die Visualisierungs-Software WinCC arbeiteten von Anfang an störungsfrei zusammen. „Die Durchgängigkeit der Simatic-Automatisierungstechnik war ein weiterer Grund, uns für einen IPC von Siemens zu entscheiden“, so Moser, dessen Unternehmen als Siemens-Solution-Partner bereits seit Jahrzehnten auf die Produkte der Simatic-Reihe setzt. Mit dem Software Controller, der in gewohnter Step7-Umgebung programmiert wird, konnte man bestehende Software einfach integrieren. Trotz der komplexen Algorithmen ist aber noch lange nicht die Leistungsgrenze des Microbox PC erreicht. Vorher musste man neben dem PC für die Visualisierung eine separate Hardware für Steuerungsaufgaben einsetzen. Jetzt läuft die gesamte Applikation auf einem PC. Mit den standardisierten eingebauten Profibus- und Profinet-Schnittstellen war auch eine Anbindung an die bestehende Kommunikation einfach zu lösen. Für dezentrale I/O-Funktionen wird die hochkanalige S7-300-Peripherie ET 200M eingesetzt, die über Profinet oder Profibus angesprochen werden kann. Gerade die Profibus-Schnittstelle ist wichtig, um die Kompatibilität zu bestehenden Komponenten im Schaltschrank zu wahren. „Die Auswahl der richtigen Hardware ist meistens schon die halbe Miete“, sagt Günter Moser bei der Betrachtung des Schaltschranks. Indem Visualisierung und Steuerung auf einem Gerät ablaufen, sind weniger Komponenten nötig. Das zeigt sich auch bei den Kosten. Günter Moser fügt dem hinzu: „Wir können unseren Kunden eine Lösung anbieten, die auf kleinstem Raum die komplexe Steuerung beinhaltet und auch der rauen Umgebung in einem Stahlwerk gewachsen ist“.
