Sensoren, Leistungssteller und PID-Regler sind unverzichtbare elektronische Bausteine, um eine Smart Factory für die Kunststoffverarbeitung zu verwirklichen. Da diese Bauteile die Basis für eine erfolgreiche Mensch-zu-Maschine- und Maschine-zu-Maschine-Kommunikation schaffen müssen, verfügen sie über ausgefeilte Fähigkeiten zur Kommunikation, Selbst- und Prozessdiagnostik. Dadurch lassen sie sich gleichzeitig verwenden, um die Produktqualität sowie die Sicherheit und Energieeffizienz kunststoffverarbeitender Prozesse zu verbessern.
Intelligente Massedruckmessung
Intelligente Massedrucktransmitter wie beispielsweise die HMX- oder HKE-Serien von Gefran, die zur Massedruckmessung an Extrudern verwendet werden, eignen sich für eine Überdruckabsicherung gemäß der Extruder-Norm EN 1114-1 genauso wie für die Regelung eines konstanten Schmelzdrucks oder die Überwachung der Filterverschmutzung eines Siebwechslers. Ihre HART-Schnittstelle ermöglicht eine einfache Kommunikationsanbindung. Außerdem stellen sie Diagnoseinformationen zum eigenen Zustand zur Verfügung. Dazu zählen neben der Elektroniktemperatur auch die Anzahl der Betriebsstunden, der Maximaldruck und mögliche Fehlermeldungen. Indem sie die Umgebungstemperatur messen und die Versorgungsspannung überwachen, liefern sie zudem wertvolle Informationen bezüglich des Zustands der Gesamtanlage. Überschreitet eine der beiden Messgrößen einen jeweils zulässigen Maximalwert, lösen die Transmitter Alarm aus.
Die Vernetzung innerhalb der Geräte beziehungsweise des gesamten Systems geschieht über das Kommunikationsprotokoll CANopen, das für die meisten (Masse-)Drucksensoren verfügbar ist. So kann die Steuerung beispielsweise sämtliche Vorparametrierungen über CANopen an den Sensor schicken, der dadurch zu einem echten Plug-and-Play-Gerät wird. Dadurch wird die Technik für zahlreiche Laboranwendungen interessant, beispielsweise für eine Anlage zum Test von Pulverrezepturen. Diese werden in der Regel individuell aus Extruder, Abzug, Rheometer und so weiter zusammengestellt. Dank CANopen erkennen die einzelnen Anlagenteile die jeweilige Testkonfiguration und stimmen sich problemlos aufeinander ab. Zudem können CANopen-Sensoren zählen, wie oft sie eingeschaltet wurden. Mit Blick auf die präventive Instandhaltung geben solche Daten wichtige Informationen darüber, wie lange ein Sensor bereits im Einsatz ist und ob er gegebenenfalls nachkalibriert werden muss.
Auch zahlreiche entscheidende Prozessparameter behalten moderne Sensoren von alleine im Blick. So erfassen beispielsweise PID-Regler mit Zählerfunktion die Anzahl der Schaltzyklen und gleichen diese mit den als Verschleißalarm gesetzten Grenzwerten ab. Werden die Grenzwerte überschritten, geht ein entsprechendes Signal an die Steuerung beziehungsweise das HMI – ein wertvoller Hinweis darauf, dass vermutlich Stellglieder ausgetauscht werden müssen, um keinen Maschinenausfall zu riskieren. Die aktuellen Geräte bieten zudem Diagnosefunktionen, um einen Sensorbruch, Anschlussfehler, einen Teillast- oder Lastbruch oder Störungen des Regelkreises zu erkennen.
Selbst- und Autooptimierung
Neben der präventiven Instandhaltung sind auch die Selbst- und die Autooptimierung der Regler entscheidend für die Umsetzung von Industrie 4.0. Selbstoptimierung bedeutet, dass während der Anlaufphase eines Prozesses die optimalen Werte für die Regelparameter berechnet werden, beispielsweise in Geräten für die Werkzeugtemperierung an Spritzgießmaschinen. Sie kann wahlweise automatisch bei jedem Einschalten der Maschine oder manuell per Tastendruck aktiviert werden. In beiden Fällen wird eine Kennlinie für den Regelprozess erstellt, und es werden sämtliche Parameter und die Zykluszeit ermittelt beziehungsweise abgespeichert. Die Optimierungsprozedur läuft automatisch ab.
Bei einfachen Extrudern ohne Steuerung wird zum Beispiel die Vorgehensweise in Abhängigkeit vom Temperatur-Istwert der Zylinderheizung optimiert. Im Falle eines Relais-, Logik- oder Triac-Regelausgangs erfolgt automatisch die Bestimmung der optimalen Zykluszeit. Moderne Regler zeigen den Status der Optimierung mithilfe einer LED auf dem Display an. Während des eigentlichen Prozesses überwacht dann eine Autooptimierungs-Funktion permanent mögliche Abweichungen vom Regelwert und sorgt für einen entsprechenden Ausgleich der Regelparameter.
Komplette Prozessdiagnostik
Doch die elektronischen Bauteile müssen nicht nur bezüglich sich selbst, sondern auch des ganzen Prozesses Diagnosen stellen können. So bieten moderne Leistungssteller – zum Beispiel für die Regelung elektrischer Heizelemente von Extrudern mit größeren Leistungen oder von Infrarotstrahlern zum Kunststoffschweißen – die Möglichkeit, den Stromverbrauch pro Zeiteinheit zu erfassen. Dabei lässt sich individuell festlegen, ob die Erfassung pro Stunde, Tag, Woche, pro Gerät oder pro Stromabnehmer erfolgen soll.
Ebenfalls vorgeben lassen sich der Grenzwert, bei dessen Erreichen ein Alarm ausgelöst werden soll, sowie der Normal- oder Optimalverbrauch. Der Leistungssteller steuert die Strom-
abnehmer dann so, dass der Stromverbrauch optimiert und die Stromkosten minimiert werden. Dabei sind die Erfassung und der Alarm bei möglichen Abweichungen für jede Heizzone individuell regelbar. Darüber hinaus können sich bis zu zehn Leistungssteller untereinander abgleichen und so einregeln, dass ein zuvor eingestellter Spitzenstrom nicht überschritten wird. Die Voraussetzung dafür ist ein intelligentes Lastmanagement, das die im Vorfeld berechnete Prozessleistung auf alle beteiligten Steller verteilt.
Im Falle eines Teillastbruchs regeln moderne Leistungssteller den Prozess adaptiv. Der Steller erfasst, wo welche Heizelemente ausgefallen sind, und löst dann Alarm aus. Dank der adaptiven Regelung von Strom, Spannung und Leistung gemäß zuvor gesetzter Präferenzen lässt sich der Prozess bis zum Eingreifen des Werkers aufrechterhalten.
Mehrere Steuerungsinseln aus intelligenten PID-Reglern oder Leistungsstellern können Teilfunktionen einer SPS übernehmen. Sie geben der SPS dann lediglich die Information „Wert ok“ oder „Wert nicht ok“ weiter.
Dezentrale Steuerung
Auf diese Weise verringert sich die Rechenleistung der SPS, so dass diese kleiner und einfacher ausgelegt werden kann. Zudem erhöhen die einfach integrierbaren Steuerungszellen die Redundanz und damit die Prozesssicherheit. Zum Aufbau solcher Zellen können Gefran-Geräte als Master/Slave konfiguriert werden, indem beispielsweise ein Gerät zum Master wird und die anderen Geräte die Slave-Funktion übernehmen. Das spart zusätzliche Feldbus-Schnittstellen. Aktuell arbeitet Gefran daran, seine Sensoren, Leistungssteller und Regler mit dem Kommunikationsstandard IO-Link (eine wichtige Voraussetzung für eine umfassende Vernetzung aller Maschinen und Anlagen) und mit RTE/ProfiNET (für ethernetbasierten Datenaustausch in Echtzeit) auszustatten.
