Projekt 18168/01

Sensorlose Regelung für eine elektronisch gesteuerte Folienreckmaschine

Projektträger

Brückner Maschinenbau GmbH
Königsbergerstr. 5 - 7
83313 Siegsdorf
Telefon: 08662/63-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Technische Kunststofffolien werden mit Folienreckanlagen gereckt, um hohe Flächenleistungen und spezielle Folieneigenschaften zu erzielen. Die Kunststoffmolekülketten können beim Reckvorgang so gestreckt werden, dass sich beispielsweise besondere Schrumpfeigenschaften der Folien oder sehr hohe Reißfestigkeiten erzeugen lassen.
Folienreckanlagen vom Typ LISIM zeichnen sich durch eine extreme Flexibilität der Prozessführung aus, da es mit ihnen nicht nur möglich ist, Folien quer zur Produktionsrichtung zu recken, sondern auch stufenlos in Längsrichtung. Die hohe Flexibilität wird durch eine Linearmotorbauweise erreicht, bei dem Kluppen die vom Extruder kommende Vorfolie an den Rändern greifen und einspannen. Die Kluppen bilden die bewegten Teile des Motors. Den Stator bildet die beidseitige Führungsschiene 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 Führungsschiene zieht. Um die Prozesssicherheit - d. h. die Zwangsführung der untereinander nicht mechanisch verbundenen, sondern nur elektromagnetisch über den Stator zueinander koordinierten Kluppen - zu gewährleisten, werden diese mit sehr großen elektromagnetischen Kräften in ihrer relativen Lage festgehalten. Diese Kräfte sind weitaus größer als dies für die eigentliche Aufgabe, nämlich das Recken der Folie, nötig wäre. Mit den großen elektromagnetischen Kräften verknüpft sind entsprechend hohe elektrische Leistungen, die hierdurch verbraucht werden.
Der 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 °C nicht mit mechanischer Sensortechnik erhältlich ist. Dadurch ist nur ein sog. gesteuerter oder nicht geregelter Betrieb möglich.
Projektziel war eine Reduktion des elektrischen Energieverbrauches um ca. 50% durch eine Regelung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAnforderungsprofil für benötigte Hardware und Software
Simulation der elektrischen Größen im Linearmotor
Prototyp Regler und Inbetriebnahme
Untersuchung und Bewertung Positionsschätzung Vergleich mit Linearmesssystem
Entwurf Regelverfahren stationärer Betrieb
Entwurf und Regelverfahren Eintreten und Austreten der Kluppe aus einer Zone
Spezifikation und Auswahl der Serienhardware
Umrüsten des Teststandes bei Brückner (57 Antriebe)
Verifikation Gesamtsystem Teststand
Umrüsten Laboranlage
Test Laboranlage


Ergebnisse und Diskussion

Es gelang, für das sog. LISIM-Verfahren (Linear Motor Simultaneous Stretching Technology) eine neuartige Regelungstechnik zu entwickeln. So ist es jetzt möglich, die aktuell benötigte Kraft zu ermitteln und den Strombedarf innerhalb einiger Millisekunden an das tatsächlich benötigte Maß anzupassen. Zu jedem Zeitpunkt wird aus der Spannung und dem Strom am Motor die aktuelle Last errechnet.
Kern dieser Technologie ist ein neues Verfahren zur Positionsschätzung, 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 Motorströme und Motorspannungen errechnet wird, kann die benötigte Stromstärke bedarfsgerecht ermittelt werden. Dies ermöglicht drastische Reduzierungen der Stromstärke. Der eingeprägte Strom wird zu 100 % als Wirkstrom eingesetzt. Somit wird dieselbe Wirkleistung mit weniger Strom erreicht. Die Kupferverluste im Motor, die den größten Verlustanteil ausmachen, sinken überproportional wegen der quadratischen Abhängigkeit vom Strom (P=R*I2). Anfällige Sensoren zur Positionserfassung, wie bisher üblich, werden nicht länger benötigt.
Es musste ein Optimum zwischen Genauigkeit der Positionsschätzung und dem Rechenaufwand gefunden werden. Es gelang mit der vorhandenen Rechenleistung, alle 0,25 ms eine Positionsschätzung mit einer Genauigkeit von ca. 1 mm zu erreichen. Zur Überprüfung der geschätzten Position wurde eine Lasertriangulationsmessung auf die vorbeifahrenden Kluppen eingesetzt. Dieses Meßsystem bietet eine Auflösung von 0,1 mm bei 500 Hz Messrate. Die Abweichung zwischen gemessener und geschätzter Position beträgt maximal 2 mm. Bei Verwendung der Positionsregelung wird nur der Strom eingeprägt, der zur Überwindung der aktuell anliegenden Kräfte benötigt wird. Durch Kenntnis der aktuellen Position kann die Stromstärke bei Abweichung von der gewünschten Sollposition sofort erhöht 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%.
Pro Folienreckanlage kann mit der neuen Regelungstechnik eine Energiereduktion (bei typischen 7500 Produktionsstunden/Jahr) von 1.6 Mio. kWh /Jahr und Anlage erreicht werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse haben bereits eine Umsetzung durch Praxisanwendung erfahren. Brückner plant, jährlich mindestens eine solche Anlage zu installieren. Heute sind schon sechs Anlagen weltweit in Be-trieb, die mit diesem neuen System ausgerüstet werden können. Auch auf dem Internet-Portal der Brückner Maschinenbau GmbH wird über die neue Technik berichtet.


Fazit

Die durchgeführte Entwicklung ermöglicht eine genaue Schätzung der aktuellen Position und Kraft der Kluppe. Somit kann für jede Kluppe der benötigte Strom eingestellt werden. Dadurch sinken die Verluste drastisch, im untersuchten Fall um 66 %, was für eine Produktionsanlage eine jährliche Einsparung von 1.6 Mio. kWh bedeutet.
Außerdem wird durch die höhere Produktionsstabilität Ausschuss während 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 über eine Umrüstung auf das neuen System verhandelt.