Die effiziente Temperierung von industriellen Fertigungsprozessen ist eine der wichtigsten Aufgabenstellungen zur Gewährleistung der Produktqualität.

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Systemlösungen für Industrie 4.0 Modulare Plattform zur Temperierung

03.09.2018

Die Temperierung von industriellen Fertigungsprozessen mit Hilfe von flüssigen oder gasförmigen Medien ist eine der wichtigsten Aufgabenstellungen zur Sicherung von Produktionsprozessen und zur Gewährleistung der Produktqualität. Integrierte Ventil- und Sensortechnik ermöglicht neue Ansätze zur Realisierung von Systemlösungen unter Gesichtspunkten von Industrie 4.0.

Je nach Fertigungsprozess unterscheiden sich die Lösungen hinsichtlich Auswahl der Ventiltechnik, Sensortechnik und Kommunikation teilweise gravierend. Gesichtspunkte wie Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Zykluszeit, Baugröße, Integration in digitale Kommunikationsstrukturen und Service spielen hierbei eine entscheidende Rolle, um im internationalen Wettbewerb zu bestehen.

Ein neues innovatives Ventilgehäusekonzept, das eine konventionelle Verrohrung teilweise überflüssig macht und das die Integration von unterschiedlichen Ventilen und Sensoren mit Industrie-4.0-fähiger Kommunikation ermöglicht, kann dabei helfen, diesem Anforderungsprofil in der Praxis besser und einfacher gerecht zu werden.

Temperieren in Fertigungsprozessen

Das Verteilen, Sammeln oder Mischen von Medien gehört zu den unverzichtbaren Basisaufgaben in industriellen Fertigungsprozessen fast jeden Industriebereichs. Die Verrohrung beziehungsweise Verbindung der unterschiedlichen Ventile und Sensoren miteinander ist meist mit einem sehr hohen Planungs- und Installationsaufwand verbunden. Er ist umso höher, je mehr Ventile und Sensoren in einem System verbaut sind.

Insbesondere treten derartige Aufgabenstellungen beim Temperieren von Fertigungsprozessen in der metallverarbeitenden und plastikverarbeitenden Industrie auf, wie zum Beispiel beim Druckguss oder Spritzguss, wo Kühlmedien auf mehrere parallele Kühlkreise verteilt werden.

Technik nach Plan

Bei der Planung und Auslegung von solchen Kühlkreisen haben insbesondere Randbedingungen wie Durchfluss, Mediumsdruck, Mediumstemperatur, Qualität des Kühlmediums, verfügbarer Bauraum, leckagefreie Verrohrung, digitale Anbindung an Steuerung, einfacher Service, Zykluszeiten des Fertigungsprozesses und geringe Strömungsverluste beziehungsweise Reduzierung des Energieverbrauchs einen entscheidenden Einfluss auf die Auswahl von Ventilen, Sensoren und Verrohrung.

Unter den oben genannten Gesichtspunkten wurde eine neue modulare Plattform entwickelt, aus der der Planer die für ihn passende Ventil- und Sensortechnik auswählen kann, unter Berücksichtigung einer optimalen Installation. Kern dieser Plattform sind spezielle Ventilgehäuse, die je nach Aufgabenstellung mit unterschiedlichen Ventil- und Sensorprinzipen kombiniert werden können.

Ventilgehäuse und Ventile mit einheitlicher Schnittstelle

Die Auswahl und Auslegung der für die Anwendung passenden Ventile ist eine der wichtigsten Aufgaben bei der fluidischen Auslegung von Kühlkreisen. Auf das Ventilgehäuse als zentrales Element, das für verschiedene Antriebsprinzipien geeignet ist, wurde deshalb bei der Entwicklung großen Wert gelegt.

Es stehen grundsätzlich zwei Varianten zur Verfügung, die je nach Aufgabenstellung zur Anwendung kommen. Die Unterscheidung liegt in der Anzahl der Eingänge, entweder ein oder zwei Eingänge. Mit diesen Varianten lassen sich alle wesentlichen Temperierfunktionen wie Verteilen, Sammeln oder Mischen realisieren.

Bei der Entwicklung der Ventile wurde darauf geachtet, dass die Verbindung zwischen Ventil und Gehäuse immer mit der gleichen Schnittstelle erfolgt. Es kann somit zwischen elektrischen und pneumatischen Ventilen variiert werden, entweder als Auf/Zu-Ventil oder als Regelventil.

Weiterhin steht auch die manuell betätigte Variante zur Verfügung. Für den Kunden bietet das zusätzlich den Vorteil, dass nachträglich auf ein anderes Ventilprinzip umgestellt werden kann, beispielsweise wenn die Druckbedingungen oder Temperaturbedingungen sich geändert haben.

Für jede Applikation das richtige System

Die richtige Ventil-/Sensorauswahl und deren Auslegung ist von enormer Bedeutung bei der Planung von fluidischen Systemen. Hierbei haben Randbedingungen wie Mediumsdruck, Mediumstemperatur und das Kühlmedium selbst (Verschmutzung, Partikelgröße) einen großen Einfluss. Weiterhin spielt der geforderte Messbereich der Kundenapplikation eine entscheidende Rolle.

Mit pneumatischen Ventilen lässt sich ein Regelbereich vom kleinsten zum größten einstellbaren Durchfluss von 1:25 bis 1:50 gut realisieren. Bei elektrischen Proportionalventilen ist ein Regelbereich bis 1:100 möglich. Prozesse mit kurzen Zykluszeiten erfordern schnell reagierende Regelsysteme. Hier bietet das elektromotorische Proportionalventil gegenüber dem pneumatischen Regelventil Vorteile - Einregelzeiten von einer Sekunde bis zwei Sekunden sind damit problemlos machbar.

Bei den Durchflusssensoren spielt die Messspanne und die Mediumsqualität eher die entscheidende Rolle. So sind mit dem Ultraschallsensor sogar Messspannen von 1:200 machbar, während mit dem Flügelrad lediglich eine Messspanne von 1:15 erreicht werden kann. Die Sensoren werden direkt oder mit entsprechenden Fittingen an das Ventilgehäuse angeschweißt und können somit eine kompakte und robuste Regeleinheit bilden.

Digitalisierung ermöglicht Industrie 4.0 und dezentrale Regelstrukturen

Die Einbindung von Regelsystemen innerhalb von automatisierten Fertigungsanlagen und die Einbindung in zentrale Fertigungssteuerungssysteme unter dem Gesichtspunkt Industrie 4.0 erfordert zwingend, dass die Kommunikation bis zur Feldebene (Ventile, Sensoren, Regler) digital erfolgt. Bei der Entwicklung der modularen Plattform wurde damit Rechnung getragen, dass Feldbus-Protokolle wie Profinet, Profibus, Ethernet/IP oder CANopen zur Verfügung stehen.

Weiterhin wurden die Regelventile mit digitalen PID-Reglern ausgestattet, die den Prozesswert ohne Umwege über die zentrale Steuerung direkt vom Sensor einlesen und mit dem Sollwert vergleichen und ausregeln. Von der übergeordneten Steuerung muss nur der erforderliche Sollwert vorgegeben werden. Die dezentralen Regler erledigen schnell und zuverlässig die Regelaufgabe, ohne die zentrale Steuerung unnötig zu belasten.

Erforderliche Rückmeldungen an die Steuerung, wie Prozesswerte, Ventilstellungen oder Diagnosemeldungen, erfolgen über die digitale Kommunikation. Insbesondere bei Anwendungen mit vielen parallelen Kühlstrecken bietet dies enorme Vorteile, da die Verkabelung drastisch reduziert und die zentrale Steuerung von rechenintensiven Regelaufgaben befreit wird.

Höhere Funktionssicherheit bei geringerem Platzbedarf

Zielgruppe der neuen modularen Plattform sind beispielsweise OEMs sowie Anlagenbauer und Integratoren, bei denen nur ein begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht. Durch die kompakte Bauweise werden nicht nur Platz, sondern auch Kosten für eine aufwändige Planung und Installation sowie Material eingespart. Weniger Rohrverbindungen bedeuten zudem weniger potenzielle Schwachstellen und eine erhöhte Funktionssicherheit durch ein geringeres Leckagerisiko.

Die Baugröße und das Leckagerisiko spielt insbesondere dann eine große Rolle, wenn es zu starken Temperaturwechseln bei dem Temperierprozess kommt. Typisches Beispiel ist hier die variotherme Temperierung, wo zyklische Temperatur Lastwechsel von mehr als 100 °C auftreten. Durch das Verschweißen der Grundgehäuse miteinander wird eine absolute Dichtheit gewährleistet, bei geringstem Platzbedarf.

Zusammenfassung

Die modulare Ventil- und Sensorplattform ermöglicht die optimale Auswahl des passenden Ventilantriebes und Sensorprinzips, je nach geforderter Applikation. Durch das Verschweißen von Ventil und Sensor zu einem System kann teilweise auf die konventionelle Rohrleitungsverbindung verzichtet werden.

Für Anlagenbauer bietet sich damit die Möglichkeit, schnell und einfach extrem kompakte und robuste Ventilsysteme mit hoher Funktionssicherheit zu realisieren. Der modulare Aufbau ermöglicht zudem eine wirtschaftliche Fertigung kleiner Stückzahlen.

Bildergalerie

  • Modulare Ventil- und Sensor Plattform in einheitlicher Ventilschnittstelle.

    Bild: Bürkert

  • Fluidische Grundfunktionen zur Temperierung von industriellen Fertigungsprozessen.

  • Modulare Ventil- und Sensor-Plattform.

  • Kühlung von Druckgussformen mit Ausblasfunktion und digitaler Kommunikation.

    Bild: Bürkert Werke

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