Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Technische Kunststofffolien werden mit Folienreckanlagen gereckt, um hohe Fl\u00e4chenleistungen und spezielle Folieneigenschaften zu erzielen. Die Kunststoffmolek\u00fclketten k\u00f6nnen beim Reckvorgang so gestreckt werden, dass sich beispielsweise besondere Schrumpfeigenschaften der Folien oder sehr hohe Rei\u00dffestigkeiten erzeugen lassen.
\nFolienreckanlagen vom Typ LISIM zeichnen sich durch eine extreme Flexibilit\u00e4t der Prozessf\u00fchrung aus, da es mit ihnen nicht nur m\u00f6glich ist, Folien quer zur Produktionsrichtung zu recken, sondern auch stufenlos in L\u00e4ngsrichtung. Die hohe Flexibilit\u00e4t wird durch eine Linearmotorbauweise erreicht, bei dem Kluppen die vom Extruder kommende Vorfolie an den R\u00e4ndern greifen und einspannen. Die Kluppen bilden die bewegten Teile des Motors. Den Stator bildet die beidseitige F\u00fchrungsschiene der Kluppen. Der Stator ist in einzelne Statorpole unterteilt, die elektrisch so angesteuert werden, dass eine elektro-magnetisch wirkende Welle die permanentmagnetisch ausgestatteten Kluppen entlang der Kontur der F\u00fchrungsschiene zieht. Um die Prozesssicherheit – d. h. die Zwangsf\u00fchrung der untereinander nicht mechanisch verbundenen, sondern nur elektromagnetisch \u00fcber den Stator zueinander koordinierten Kluppen – zu gew\u00e4hrleisten, werden diese mit sehr gro\u00dfen elektromagnetischen Kr\u00e4ften in ihrer relativen Lage festgehalten. Diese Kr\u00e4fte sind weitaus gr\u00f6\u00dfer als dies f\u00fcr die eigentliche Aufgabe, n\u00e4mlich das Recken der Folie, n\u00f6tig w\u00e4re. Mit den gro\u00dfen elektromagnetischen Kr\u00e4ften verkn\u00fcpft sind entsprechend hohe elektrische Leistungen, die hierdurch verbraucht werden.
\nDer Linearmotor erreicht wie alle Direktantriebe nur einen geringen Wirkungsgrad. Dieser wird weiter verschlechtert durch das Fehlen eines Positionssignals, das durch die hohe Umgebungstemperatur von bis zu 300 \u00b0C nicht mit mechanischer Sensortechnik erh\u00e4ltlich ist. Dadurch ist nur ein sog. gesteuerter oder nicht geregelter Betrieb m\u00f6glich.
\nProjektziel war eine Reduktion des elektrischen Energieverbrauches um ca. 50% durch eine Regelung.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAnforderungsprofil f\u00fcr ben\u00f6tigte Hardware und Software
\nSimulation der elektrischen Gr\u00f6\u00dfen im Linearmotor
\nPrototyp Regler und Inbetriebnahme
\nUntersuchung und Bewertung Positionssch\u00e4tzung Vergleich mit Linearmesssystem
\nEntwurf Regelverfahren station\u00e4rer Betrieb
\nEntwurf und Regelverfahren Eintreten und Austreten der Kluppe aus einer Zone
\nSpezifikation und Auswahl der Serienhardware
\nUmr\u00fcsten des Teststandes bei Br\u00fcckner (57 Antriebe)
\nVerifikation Gesamtsystem Teststand
\nUmr\u00fcsten Laboranlage
\nTest Laboranlage<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Es gelang, f\u00fcr das sog. LISIM-Verfahren (Linear Motor Simultaneous Stretching Technology) eine neuartige Regelungstechnik zu entwickeln. So ist es jetzt m\u00f6glich, die aktuell ben\u00f6tigte Kraft zu ermitteln und den Strombedarf innerhalb einiger Millisekunden an das tats\u00e4chlich ben\u00f6tigte Ma\u00df anzupassen. Zu jedem Zeitpunkt wird aus der Spannung und dem Strom am Motor die aktuelle Last errechnet.
\nKern dieser Technologie ist ein neues Verfahren zur Positionssch\u00e4tzung, der Einsatz schneller Leistungselektronik sowie Mikroelektronik der neuesten Generation, sogenannte FPGAs field program-mable gate arrays. Durch eine sensorlose Positionsbestimmung, bei der die Position der einzelnen Kluppen durch genaue Auswertung der Motorstr\u00f6me und Motorspannungen errechnet wird, kann die ben\u00f6tigte Stromst\u00e4rke bedarfsgerecht ermittelt werden. Dies erm\u00f6glicht drastische Reduzierungen der Stromst\u00e4rke. Der eingepr\u00e4gte Strom wird zu 100 % als Wirkstrom eingesetzt. Somit wird dieselbe Wirkleistung mit weniger Strom erreicht. Die Kupferverluste im Motor, die den gr\u00f6\u00dften Verlustanteil ausmachen, sinken \u00fcberproportional wegen der quadratischen Abh\u00e4ngigkeit vom Strom (P=R*I2). Anf\u00e4llige Sensoren zur Positionserfassung, wie bisher \u00fcblich, werden nicht l\u00e4nger ben\u00f6tigt.
\nEs musste ein Optimum zwischen Genauigkeit der Positionssch\u00e4tzung und dem Rechenaufwand gefunden werden. Es gelang mit der vorhandenen Rechenleistung, alle 0,25 ms eine Positionssch\u00e4tzung mit einer Genauigkeit von ca. 1 mm zu erreichen. Zur \u00dcberpr\u00fcfung der gesch\u00e4tzten Position wurde eine Lasertriangulationsmessung auf die vorbeifahrenden Kluppen eingesetzt. Dieses Me\u00dfsystem bietet eine Aufl\u00f6sung von 0,1 mm bei 500 Hz Messrate. Die Abweichung zwischen gemessener und gesch\u00e4tzter Position betr\u00e4gt maximal 2 mm. Bei Verwendung der Positionsregelung wird nur der Strom eingepr\u00e4gt, der zur \u00dcberwindung der aktuell anliegenden Kr\u00e4fte ben\u00f6tigt wird. Durch Kenntnis der aktuellen Position kann die Stromst\u00e4rke bei Abweichung von der gew\u00fcnschten Sollposition sofort erh\u00f6ht oder verringert werden. Auf einem Teststand konnte die elektrische Gesamtleistung von 57 kW (gesteuert) auf 19,1 kW (sensorlos geregelt) reduziert werden. Dies ist eine Einsparung um 66 %. Hinzu kommen Einsparungen durch um etwa 20 % reduzierte Umrichterverluste. Zusammen ergibt sich eine Energieeinsparung zur bisherigen Technik von rund 73%.
\nPro Folienreckanlage kann mit der neuen Regelungstechnik eine Energiereduktion (bei typischen 7500 Produktionsstunden\/Jahr) von 1.6 Mio. kWh \/Jahr und Anlage erreicht werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Projektergebnisse haben bereits eine Umsetzung durch Praxisanwendung erfahren. Br\u00fcckner plant, j\u00e4hrlich mindestens eine solche Anlage zu installieren. Heute sind schon sechs Anlagen weltweit in Be-trieb, die mit diesem neuen System ausger\u00fcstet werden k\u00f6nnen. Auch auf dem Internet-Portal der Br\u00fcckner Maschinenbau GmbH wird \u00fcber die neue Technik berichtet.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die durchgef\u00fchrte Entwicklung erm\u00f6glicht eine genaue Sch\u00e4tzung der aktuellen Position und Kraft der Kluppe. Somit kann f\u00fcr jede Kluppe der ben\u00f6tigte Strom eingestellt werden. Dadurch sinken die Verluste drastisch, im untersuchten Fall um 66 %, was f\u00fcr eine Produktionsanlage eine j\u00e4hrliche Einsparung von 1.6 Mio. kWh bedeutet.
\nAu\u00dferdem wird durch die h\u00f6here Produktionsstabilit\u00e4t Ausschuss w\u00e4hrend der Produktion vermieden. Dieses System wird bei einer in Konstruktion befindliche Anlage umgesetzt, die Mitte 2006 in Betrieb geht. Mit den Betreibern bestehender Anlagen wird \u00fcber eine Umr\u00fcstung auf das neuen System verhandelt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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