Entwicklung einer gravimetrischen Durchsatzregelung für einen Polyethylen-Extrusionsprozess

Regelung der Foliendicke und Metergrammatur im Blasfolienprozess


Bachelorarbeit, 2018
63 Seiten, Note: 1,3

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Einführung in das Thema
1.2 Problemstellung und Ziel dieser Arbeit
1.3 Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Speicherprogrammierbare Steuerung
2.1.1 Physischer Aufbau
2.1.2 Entwicklungsumgebung
2.1.3 Programmiersprachen
2.1.4 Siemens S7
2.2 Sensorik
2.2.1 Sensorsysteme
2.2.2 Einteilung
2.2.3 Wägezellen
2.3 Regelungstechnik
2.3.1 Regelkreis
2.3.2 PID-Regler
2.4 Dosierung von Prozessstoffen
2.4.1 Prozessdosierung
2.4.2 Volumetrische Dosierung
2.4.3 Gravimetrische Dosierung

3 Hauptteil
3.1 Funktionsdefinition
3.2 Steuerungsablauf
3.2.1 Programmablaufplan
3.2.2 Durchsatzberechnung
3.2.3 Struktogramm der Regelung
3.3 Layout
3.3.1 Komponentenauswahl
3.3.2 Mechanischer Aufbau
3.3.3 Elektrischer Aufbau
3.4 Programmerstellung
3.4.1 Hardwarekonfiguration
3.4.2 Programmorganisation
3.4.3 Programmierung
3.4.3.1 Organisationsbaustein
3.4.3.2 Anlagenbetrieb
3.4.3.3 Digitale Ausgänge
3.4.3.4 Sollwertverarbeitung
3.4.3.5 Ausgabe Istwerte
3.4.3.6 Durchsatzmessung
3.4.3.7 Grammaturberechnung
3.4.3.8 Grammaturregelung
3.4.4 Visualisierung
3.5 Inbetriebnahme
3.5.1 Referenzdaten und Programmtest
3.5.2 Betrieb an einer virtuellen Maschine

4 Schlussbetrachtung
4.1 Zusammenfassung
4.2 Aufgetretene Probleme und deren Lösungen
4.3 Ausblick
4.4 Resümee

Literatur- und Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Schematische Darstellung Blasfolienextruder

Abbildung 2 Prinzipieller Aufbau einer modularen SPS

Abbildung 3 Systemfunktionen einer SPS

Abbildung 4 Programmiersprachen nach IEC 61131

Abbildung 5 Sensorsystem

Abbildung 6 Physikalische Effekte zur Sensornutzung

Abbildung 7 Grundaufbau eines DMS

Abbildung 8 Wirkungsplan eines Regelkreises

Abbildung 9 Blockschaltbild und Gleichungen PID-Regler.

Abbildung 10 PID-Sprungfunktion

Abbildung 11 Dosierregelung

Abbildung 12 Volumetrisches und gravimetrisches Dosiersystem

Abbildung 13 Ist-Zustand Blasfolienextruder

Abbildung 14 Soll-Zustand Blasfolienextruder

Abbildung 15 Bedien- und Visualisierungsseite

Abbildung 16 Programmablaufplan

Abbildung 17 Gewichtsverlauf Granulattrichter

Abbildung 18 Struktogramm PID-Regler

Abbildung 19 Mechanischer Aufbau Granulattrichter

Abbildung 20 Schaltplanseite der digitalen Eingänge

Abbildung 21 Schaltplanseite der digitalen Ausgänge

Abbildung 22 Schaltplanseite der analogen Ein- und Ausgänge

Abbildung 23 Hardwarekonfiguration

Abbildung 24 Parametrierung Analogbaugruppen

Abbildung 25 Allgemeiner Programmablauf und reale Programmstruktur

Abbildung 26 Organisationsbaustein OB1

Abbildung 27 Betriebs- und Regelungsmerker

Abbildung 28 Hysterese Regelungsmerker

Abbildung 29 Ansteuerung Befüllventil

Abbildung 30 Freigabe Antriebe

Abbildung 31 Sollwertverarbeitung Extruderdrehzahl

Abbildung 32 Istwertausgabe Trichtergewicht

Abbildung 33 Skalierung Trichterwaagengewicht

Abbildung 34 Zeitsignal Wiegezyklus

Abbildung 35 Ablage der Gewichte

Abbildung 36 Durchsatzberechnung

Abbildung 37 Grammaturberechnung

Abbildung 38 Regelungsbaustein FB41

Abbildung 39 Visualisierung Extrusionsprozess

Abbildung 40 Programmtest

Abbildung 41 Laufzeitproblem der Visualisierung

Abbildung 42 Visualisierung Regelungsbetrieb

Abbildung 43 Durchsatzregelung 100 - 110 kg/h

Abbildung 44 Durchsatzregelung 110 - 90 - 100 kg/h

Abbildung 45 Wendetangentenverfahren

1 Einleitung

Überall dort, wo technische Prozesse kontrolliert ablaufen sollen oder instabile Systeme zu beherrschen sind, spielen automatisierungs- und regelungstechnische Lösungen eine, wenn nicht die entscheidende Rolle. Sie werden eingesetzt wenn die manuelle Bedienung durch den Menschen zu komplex, zu gefährlich oder schlicht zu teuer ist. Durch die Automatisierung produktionstechnischer Prozesse entstehen weitere Vorteile wie z.B. die Erhöhung des Durchsatzes sowie die Steigerung der Qualität. Der Begriff der Automatisierung wurde wahrscheinlich in den vierziger Jahren des letzten Jahrhunderts geprägt, wobei damals die Ausrüstung von Fertigungsstraßen der Automobilindustrie mit selbsttätigen Transporteinrichtungen wie z.B. Förderbänder oder Greifer gemeint war.[1] Im Gegensatz zu heute, wo der Automatisierungsbegriff für Steuerungs-, Regelungs- und Visualisierungsabläufe steht, war der Begriff also eher auf mechanische Vorgänge bezogen. Ohne die Automatisierungs- bzw. die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik wäre die vierte industrielle Revolution, in welcher wir uns heute befinden, nicht möglich gewesen. Der Begriff Industrie 4.0 wurde erstmals im Jahr 2011 erwähnt und beschreibt ein Zukunftsbild der industriellen Produktion, in welcher sogenannte Cyber-Physische-Systeme (CPS) im Mittelpunkt stehen. Hierbei handelt es sich z.B. um Werkstücke, Produktionsanlagen, Werkzeuge oder Logistikkomponenten, bei denen die Vernetzung eingebetteter Systeme (Embedded Systems) im Zusammenspiel mit geeigneter, zuverlässiger Software eine deutlich höhere Effizienz bei der Herstellung kundenindividueller Produkte zu den Kosten der klassischen Fließbandproduktion ermöglicht.[2] Wie bei jedem Wandel entstehen nicht nur Chancen und Vorteile, sondern auch Risiken wie z.B. das Handling der anfallenden, enormen Datenmengen (Big Data), der Schutz dieser Daten, die Qualifikation der Mitarbeiter, der Ausbau der Infrastrukturen in Unternehmen und Staat (Breitbandausbau) sowie die Mitnahme und Aufklärung der Gesellschaft.

1.1 Einführung in das Thema

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung und Verbesserung eines Blasfolienprozesses in der Polyethylen-Blasfolienextrusion. Das Wort Extrusion stammt aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie hinausstossen oder hinausdrücken. Unter Extrudieren im Bereich der Kunststofftechnik wird das kontinuierliche Austragen von Kunststoffschmelze zu einem endlosen Halbzeug verstanden.[3] In der folgenden Abbildung ist der Blasfolien-Extrusionsprozess schematisch dargestellt.[4]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Schematische Darstellung Blasfolienextruder

Der Rohstoff, in diesem Fall PE-LD-Granulat (Polyethylen Low-Density), wird dem Granulattrichter kontinuierlich zugeführt. Der Antrieb treibt über ein Getriebe die Extruderschnecke an, wodurch das Granulat über den Einzug in den Extruder gezogen wird. Die Menge an Granulat in cm³ je Schneckenumdrehung ist abhängig von der Schneckengeometrie. Im Extruder wird das Granulat mittels mehrerer, aufeinanderfolgenden Heizzonen erwärmt und unter hohem Druck vermengt, bis am Ausgang des Extruders eine homogene Schmelze erreicht wird.

Die Schmelze wird mit einem Druck von bis zu 200 bar in den Blaskopf extrudiert und über ein Werkzeug in Form eines Ringspalts mit der Hilfe von Kühl- und Blasluft in Schlauchform geblasen.

Die oberhalb angeordneten Abzugswalzen ziehen den Folienschlauch nach oben. Während dieser Phase wird das Material abgekühlt und durch die Faltstation zu einem Flachschlauch gefaltet. Über Umlenkwalzen wird die Folie zur Wickeleinheit geführt, welche die Folie auf sogenannte Mutterrollen mit einem Durchmesser von bis zu 1,5 m und einem Gewicht von bis zu einer Tonne aufwickelt. Vorgeschaltet zur Wickeleinheit befindet sich eine Steuerwalze, die über eine Kantenregelung dafür sorgt, dass die Wickeleinheit die Mutterrollen an den Seiten bündig aufwickelt, was für die nachfolgenden Produktionsprozesse unabdingbar ist.

1.2 Problemstellung und Ziel dieser Arbeit

Bei der Blasfolienextrusion wird der gesamte Prozess über folgende Vorgabeparameter gesteuert:

- Foliendicke in µm
- Grammatur in g/m
- Folienbreite in mm

Die Materialdicke der Folie und die Folienbreite sind unbedingt einzuhaltende Parameter, da Untertoleranzen vom Kunden nicht toleriert werden und Übertoleranzen zu einer Minimierung des Betriebsergebnisses führen würden. Jedem Auftrag liegt eine Formatgrammatur bei, welche für die nötige Zieldicke der Folie kalkuliert wurde. Nachfolgend ist beispielhaft die Berechnung für eine Folie mit einer Sollbreite von 1200 mm und einer einzuhaltenden Solldicke von 90 µm dargestellt.

Massendichte ρ mit der Masse m in g und dem Volumen V in cm³: (Gl. 1.2.1)

Volumen V mit der Breite b, Höhe h und Tiefe t in m:

(Gl. 1.2.2)

Dichte von PE-LD:

bis

Volumen der 90 µm-Folie:

(Gl. 1.2.3)

Die Grammatur (g/m) berechnet sich nun wie folgt:

(Gl. 1.2.4)

Da es sich bei der Folie um einen Folienschlauch handelt, also eigentlich um zwei aufeinanderliegende Folien, muss dieser Wert noch verdoppelt werden. In diesem Fall wäre also für eine Folie mit einer Materialdicke von 90 µm und einer Breite von 1200 mm eine Grammatur von 199,8 g/m vorzusehen.

Das grundlegende Problem hierbei erschließt sich aus Gleichung 1.2.4. Wie ersichtlich, hängt die Grammatur, bei gegebener Breite, nur von der Dichte des Rohmaterials ab. Somit entstehen durch Änderungen der Dichte des Kunststoffes Schwankungen in der Foliendicke, welche durch das mengenmäßige Dosiersystem in Abbildung 1 nicht ausgeglichen werden können. Erschwerend kommt hinzu, dass immer häufiger recycletes Material, sogenanntes Regranulat, eingesetzt wird, welches aus produktionstechnischen Gründen nochmals um bis zu 7 % in der Dichte variieren kann. Hierdurch entsteht ein großer Kontrollaufwand durch die Maschinenführer, die ständig in den Prozess eingreifen und entsprechende Anpassungen durchführen müssen.

Das Ziel dieser Arbeit ist nun diesen Prozess der Kontrolle und Anpassung der Foliendicke, respektive der Metergrammatur zu automatisieren und dadurch eine Entlastung des Bedienpersonals und eine Qualitäts- und Quantitätssteigerung zu erreichen.

Die Schwierigkeit dieser Arbeit liegt an der Entwicklung der Durchsatzmessung des Kunststoffgranulats bzw. an dem nötigen Algorithmus hierfür und an den Schnittstellen der Extrusionsanlage auf die mit der Automatisierungslösung zugegriffen werden muss.

1.3 Aufbau der Arbeit

Um das Ziel dieser Arbeit zu erreichen, nämlich die Entwicklung einer gravimetrischen Durchsatzregelung an einem Polyethylen-Extrusionsprozess, werden im ersten Schritt die nötigen Grundlagen erarbeitet und dargestellt. Begonnen wird hierbei mit den speicherprogrammierbaren Steuerungen, welche neben computergesteuerten Prozessen die Hauptelemente einer jeden Automatisierungslösung darstellen. Nachfolgend wird das Thema Sensorik bearbeitet, da ohne Sensoren keine Rückmeldungen bzw. Istwerte der gesteuerten Prozesse vorliegen würden und somit keine Automatisierung oder Regelung möglich wäre, was zum nächsten Punkt führt, der Regelungstechnik. Hier wird die Regelungstechnik grundlegend vorgestellt und dann auf die in dieser Arbeit nötigen Regler und Bausteine eingegangen. Zum Abschluss der Grundlagen wird die Dosierung von Kunststoffgranulat und ihre beiden möglichen Ausprägungen erläutert.

Im Hauptteil dieser Ausarbeitung findet die eigentliche Entwicklung der Durchsatzregelung statt. Zuerst wird die genaue Funktion des Steuerungsablaufs erarbeitet und textuell wie auch grafisch dargestellt. Danach erfolgt die nötige Komponentenauswahl der Anlage und die Festlegung und Planung des mechanischen und elektrischen Aufbaus. Für die Umsetzung der elektrischen Planung wird das CAD-Programm WSCAD Suite der Firma WSCAD electronic GmbH eingesetzt. Im nächsten Schritt wird die eigentliche Softwareentwicklung bzw. Programmierung des kompletten Steuerungsablaufs und der zugehörigen Visualisierung durchgeführt. Bei den hierbei eingesetzten Programmen handelt es sich um Win-SPS-S7 und SPS-VISU-S7 des Unternehmens MHJ-Software GmbH & Co. KG. Der Hauptteil endet mit dem Softwaretest des Programms und der Inbetriebnahme der Steuerung an einer virtuellen Maschine anhand der erstellten Visualisierung.

Der Abschluss dieser Ausarbeitung bildet die Zusammenfassung der durchgeführten Entwicklung und der erreichten Ergebnisse. Im Ausblick werden noch offene Fragestellungen und Konsequenzen, die sich bei der Ausarbeitung ergeben haben, erörtert.

2 Grundlagen

2.1 Speicherprogrammierbare Steuerung

Speicherprogrammierbare Steuerungen, kurz SPS genannt, werden seit dem Ende der sechziger Jahre eingesetzt. Ursprünglich dienten sie der alleinigen Realisierung von Steuerungsvorgängen für die Binärsignalverarbeitung, um reine Relaissteuerungen zu ersetzen. Heute werden durch ihre Leistungsfähigkeit auch das Ausführen von Überwachungs- und Regelungsaufgaben, die Verwendung von Prozessmodellen, der Einsatz von Rezeptsteuerungen und einiges mehr ermöglicht.[5] Die verfügbaren Automatisierungssysteme werden unterteilt in Hardware- und Software-Steuerungen. Bei den sogenannten Software-Steuerungen handelt es sich um PC-basierte Steuerungen, welche neben der Prozesssteuerung noch Datenerfassungs- bzw. Datenverarbeitungsaufgaben mit ausführen können.[6]

2.1.1 Physischer Aufbau

Bei der in dieser Arbeit einzusetzenden Steuerung handelt es sich um eine Hardware-SPS in modularer Ausführung der Firma Siemens. Der prinzipielle Aufbau einer modularen SPS ist in Abbildung 2 ersichtlich, welcher online mit der Siemens Industry Mall (https://mall.industry.siemens.com) erstellt wurde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Prinzipieller Aufbau einer modularen SPS

Bei einer modularen SPS können fast beliebig viele Baugruppen, begrenzt durch die Ressourcen der CPU, angefügt werden.

Die jeweiligen Karten werden auf Baugruppenträger aufgesteckt und über einen Rückwandbus elektrisch miteinander verbunden. Reicht der Platz in einer Ebene des Schaltschrankes nicht mehr aus, können über Anschlussbaugruppen weitere Modulkarten angeschlossen werden.[7] Das zentrale Element einer SPS stellt die CPU, auch Zentral- oder Steuerungseinheit genannt, dar. In ihr ist die gesamte Steuerungsfunktionalität inklusiver aller Speicherbereiche untergebracht. Die relevanten Systemfunktionen einer SPS-Steuerungseinheit sind in der nachfolgenden Abbildung ersichtlich.[8]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Systemfunktionen einer SPS

Die Signale bzw. die Rückmeldungen aus der Peripherie erreichen die SPS entweder über Gleichstromkreise, angeschlossen an digitale bzw. analoge Eingangskarten oder mittels spezieller Feldbustechnik, welche über Kommunikationskarten angebunden ist. Über die gleichen Kartentypen erfolgt ausgangsseitig die Ansteuerung der Aktorik.[9] Das erstellte Softwareprogramm befindet sich in der Zentralbaugruppe im Ladespeicher, welcher meistens aus einer Speicherkarte besteht und auch eine Remanenz sicherstellt. Beim Start der CPU wird der Quellcode und die Systemdaten in den Arbeitsspeicher übertragen, in dem die Abarbeitung des Programms zyklisch durchgeführt wird. Beim Arbeitsspeicher, auch RAM (Random Access Memory, engl.: Speicher mit wahlfreiem Zugriff) genannt, handelt es sich um einen flüchtigen in Halbleitertechnik gebauten Schreib-Lese-Speicher.[10]

Der prinzipielle zyklische Steuerungsablauf einer SPS kann nach dem aus der Informatik bekannten EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe) verstanden werden:

- Alle relevanten Eingangssignale werden eingelesen (Eingangsabbild).
- Das gesamte Anwenderprogramm wird in der CPU durchlaufen und abgearbeitet.
- Alle nötigen Änderungen die die Ausgänge betreffen, werden in einem Ausgangsabbild abgelegt und nacheinander an die jeweiligen digitalen oder analogen Ausgänge übertragen.

2.1.2 Entwicklungsumgebung

Um Programme für speicherprogrammierbare Steuerungen anwenderfreundlich erstellen zu können, gibt es sogenannte integrierte Entwicklungsumgebungen (engl.: IDE, integrated development environment) die meist vom Her-steller der Steuerungshardware bereitgestellt werden und speziell auf diese ausgerichtet sind. Die IDE dient dem Anwendungsprogrammierer als Zugang zur Hardwaresteuerung, Festlegung der Hardwarekonfiguration, zur Programmierung des Quellcodes, Erstellung einer Visualisierung und als Wartungs- und Inbetriebnahmetool. Die Entwicklungsumgebung entlastet den Anwender von Routineaufgaben, überwacht die Syntax der gewählten Programmiersprache und übersetzt den Quellcode in die für das System passende Maschinensprache. Beispiele für IDE´s sind das TIA-Portal oder STEP-7 von Siemens oder Automation Studio der Firma B&R. Mit der in dieser Arbeit eingesetzten IDE WIN-SPS-S7 kann ebenfalls auf die Hardware der Firma Siemens zugegriffen werden. Ein lizenzfreies Programmiersystem und für die meisten Steuerungen auf dem Markt anwendbare Oberfläche ist CODESYS vom Softwarehersteller 3S-Smart Software Solutions. Eine einheitliche Grundlage für die Programmierung von speicherprogrammierbaren Steuerungen ist die Programmiernorm DIN EN 61131-3, welche sich insbesondere an die Hersteller der Entwicklungsumgebungen richtet, um eine normkonforme Programmierung durch den Anwender zu gewährleisten oder diese jedenfalls dahingehend zu unterstützen.[11]

2.1.3 Programmiersprachen

Wie zuvor beschrieben ist der IEC 61131-3 (=DIN 61131-3) die Basis der SPS-Progammiernorm zur Entwicklung eines Anwenderprogramms inklusive der Festlegung der Syntax und Semantik der folgenden Programmiersprachen:[12]

- Anweisungsliste (AWL)
- Strukturierter Text (ST)
- Ablaufsprache (AS)
- Funktionsbaustein-Sprache (FUP)
- Kontaktplan (KOP)

Das größte Unterscheidungsmerkmal der einzelnen Sprachen ist die Aufteilung in Textsprachen und grafische Sprachen, was in der folgenden Abbildung anhand einer Und-Verknüpfung zweier Variablen ersichtlich ist.[13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Programmiersprachen nach IEC 61131

Bei der Anweisungsliste handelt es sich um eine maschinennahe Sprache, die sehr der Assemblersprache ähnelt und trotz ihrer unkomfortablen Programmierung heute noch gerne, vor allem in Europa, verwendet wird.[14] Im Gegensatz hierzu ist das Sprachkonzept strukturierter Text eher einer Hochsprache wie C oder PASCAL zuzuordnen und verfügt deshalb auch über deren Vorteile der Programmierung.

Diese sind z.B. die gute Übersichtlichkeit, hohe Performance und geringe Fehleranfälligkeit des Quellcodes.

Bei hoch komplexen Steuerungsaufgaben kann es notwendig sein, das Gesamtprojekt in einzelne Teilaufgaben zu zerlegen. Hierfür wurde die Ablaufsprache entwickelt, welche stark den Petri-Netzen ähnelt, wobei die einzelnen Teilaufgaben in anderen Programmiersprachen verfasst werden können.[15] Die Übergänge zu den nächsten Schritten erfolgt über sogenannte Transitionen, die die Weiterschaltbedingungen darstellen.

Eine weitere grafische Programmiersprache ist die Funktionsbaustein-sprache. Sie ist aus der Darstellung logischer Schaltelemente abgeleitet, besitzt für einfache Funktionen eigene Elemente, nutzt aber für vielschichtigere Problemstellungen die Blockdarstellung (siehe Abbildung 38).[16] Durch die begrenzte Fläche der grafischen Programmierung in der Entwicklungsumgebung ist es nötig, die einzelnen Programmteile in sogenannte Netzwerke zu unterteilen. Diese zwingende Unterteilung führt bei bedachter Umsetzung durch den Programmierer zu einer übersichtlichen Strukturierung des Quellcodes. Die großen Vorteile dieser Sprache, sind wie gerade beschrieben, die gute Übersichtlichkeit, die Möglichkeit einfache Änderungen am Programm durchzuführen und die hohe Wartungsfreundlichkeit.

Der Kontaktplan wird vor allem im amerikanischen Sprachbereich verwendet und leitet sich aus Schaltplänen für Relaissteuerungen ab. Er wurde als die erste grafische Programmiersprache entwickelt und eignet sich hauptsächlich zur Darstellung von Strom- bzw. Signalflüssen, d.h. zur Realisierung von Verknüpfungssteuerungen.[17] Für komplexe Bearbeitungsszenarien verwendet der Kontaktplan, ebenso wie die Funktionsbausteinsprache, die Blockdarstellung.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Prozessabläufe oder Ansteuerprogramme für Aktoren und Sensoren, welche meist aus Schrittketten und Verknüpfungslogik bestehen, mit grafischen Sprachen erstellt werden. Eine noch effizientere Programmierung ist bei umfangreichen numerischen Algorithmen durch den Einsatz von Textsprachen gegeben.[18]

2.1.4 Siemens S7

Unter dem Markennamen SIMATIC, welcher sich aus den Begriffen Siemens und Automatic zusammensetzt, vertreibt das Unternehmen verschiedenste Produkte für die gesamte Automatisierungssparte. Neben Regelsystemen, Kommunikationssystemen und Bedien- und Visualisierungssystemen sind die speicherprogrammierbaren Steuerungen und deren zugehörige Entwicklungsumgebungen die Hauptprodukte in der Automatisierungssparte. In Deutschland besitzt Siemens mit der Steuerungssparte einen Marktanteil von über 30 %.[19]

Das SIMATIC -System bietet zur optimalen Abstimmung zwischen den aus dem Anwendungsfall abgeleiteten Anforderungen und der Leistungsfähigkeit der Automatisierungstechnik Gerätefamilien mit unterschiedlicher Struktur an:[20]

- Speicherprogrammierbare Steuerung Simatic S7
- S7-200, Kompakte Mikro-SPS
- S7-300, Modulare SPS
- S7-400, Modulare SPS
- Komplettstationen Simatic C7
- Simatic PC

Bei der S7-200 handelt es sich um eine Kompaktsteuerung mit integrierten Ein- und Ausgängen für einfache programm- und hardwaretechnische Anwendungen. Die S7-300 ist eine Steuerung in modularer Bauweise (siehe 2.1.1) für mittlere bis hoch komplexe Projekte der Automatisierungstechnik. Die leistungsfähigste SPS für höchste Anforderungen ist die S7-400, mit welcher auch die Möglichkeit der redundanten Automatisierung besteht. Hierbei arbeiten zwei Steuerungen gleichzeitig parallel an demselben Steuerungsprozess, um Ausfälle einer Steuereinheit zu überbrücken. Die Programmierung der Systeme erfolgt mit den Entwicklungsumgebungen STEP7 oder TIA-PORTAL der Firma Siemens, welche an die Norm IEC 61131-3 angelehnt sind, aber historisch bedingt viele SIMATIC -typische Er-weiterungen enthalten.[21] Die Programmerstellung ist auch mit kompatibler Software anderer Hersteller, wie z.B. Win-SPS-S7 möglich.

2.2 Sensorik

Die Sensorik, auch Sensortechnik genannt, entwickelt die technischen Mittel zur Erfassung von zeitvariablen physikalischen nichtelektrischen Zustandsgrößen. Diese technischen Mittel werden Sensoren genannt und wandeln physikalische nichtelektrische Zustandsgrößen in eine elektrische Zustandsgröße.[22]

2.2.1 Sensorsysteme

Sensorsysteme sind die sogenannten „Fühler“ (Latein: sensus = Sinn) der Automatisierungstechnik, ohne diese keine Anpassungen an die sich verändernden Umweltbedingungen möglich wären. Wie die folgende Abbildung zeigt, besteht ein Sensorsystem prinzipiell aus zwei Teilen: dem Sensor-Element und der Auswerteelektronik.[23]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 Sensorsystem

Die Eingangsgrößen, welche durch Sensoren erfasst werden sollen, sind größtenteils physikalischer, chemischer oder biologischer Natur und weisen meistens einen analogen Signalcharakter auf. Dieser analoge Messwert wird im Sensorbaustein zu einem relativ schwachen elektrischen Ausgangssignal umgeformt. Die Aufgabe der Auswerteelektronik ist es nun, dieses Signal aufzubereiten, eine Analog-Digital-Umsetzung durchzuführen und das Ausgangssignal in der gewünschten Art bereitzustellen. Weitere Möglichkeiten sind die externe Ansteuerung, Speicherung und Kommunikation. Diese gesamte Signalverarbeitung ist bei modernen, intelligenten Sensorelementen in einem Bauteil untergebracht. Die bereitgestellten Ausgangssignale reichen von analogen Normsignalen, über direkte Busanbindungen bis hin zu Funkübertragungen an die verschiedenen weiterverarbeitenden Systeme.

2.2.2 Einteilung

Sensoren lassen sich in unterschiedliche Gruppen einteilen. Diese Gliederung kann durch die naturwissenschaftlichen Gesetze erfolgen, mit denen eine Eingangsgröße in ein elektrisches Ausgangssignal gewandelt wird oder aber auch durch die zu messende Größe selbst.[24] In Abbildung 6 sind die wichtigsten physikalischen Effekte zur Sensornutzung dargestellt und beispielhafte Anwendungsgebiete benannt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 Physikalische Effekte zur Sensornutzung

Eine weiteres Unterscheidungsmerkmal von Sensorelementen ist die Betriebsweise mit oder ohne einer externen Hilfsspannung. Sensoren die ohne eine äußere Versorgung auskommen nennt man aktive Sensoren, diejenigen die eine Hilfsspannung benötigen werden als passive Sensoren deklariert. Auch das Thema der Signalverarbeitung stellt eine Partitionierung von Sensoren dar. Beginnend bei konventionellen Sensoren, bei denen das Sensorsignal analog zur Steuereinheit übertragen wird, bis hin zu intelligenten Sensoren, wobei sich hier die gesamte Auswerteelektronik im Sensorbaustein befindet.[25] Werden aus realen Messwerten mit der Hilfe einer entsprechenden Software die gewünschten Messgrößen errechnet, spricht man von virtuellen Sensoren.

2.2.3 Wägezellen

Wägezellen befinden sich in allen Bereichen in denen es nötig ist, exakte Gewichtsanteile zu ermitteln oder Stoffe in den vorgegebenen Mengen zu dosieren. Die Sensorik einer Wägezelle ermittelt eine Widerstandsänderung anhand einer Krafteinwirkung weshalb auch von einem resisitiven Meßwertaufnehmer gesprochen wird.[26] Die Grundlage der Sensoreinheit ist ein Dehnmessstreifen (kurz: DMS), welcher durch Dehnung oder Stauchung so beeinflusst wird, dass sich durch die Längen- und Querschnittsänderung eine Änderung des elektrischen Widerstands ergibt.[27] In der nachfolgenden Abbildung ist der grundsätzliche Aufbau eines Dehnmessstreifens ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 Grundaufbau eines DMS

Der Aufbau eines DMS kann prinzipiell in Halbleiter-DMS und Metall-DMS unterschieden werden. Die Metallmessstreifen können wiederum in Draht-, Folien- oder Dünnschichtausführung unterteilt werden. Ein häufiger Aufbau ist der mäanderförmige, welcher in Abbildung 7 abgebildet ist. Hierbei wird eine eindeutige Vorzugsrichtung für die mögliche Längenänderung gegeben, was bedeutet, dass nur Kräfte parallel zur Längsrichtung einen Einfluss auf den Widerstand RDMS haben.[28]

Der elektrische Widerstand R eines zylindrischen Leiters ergibt sich aus dem spezifischen elektrischen Widerstand , der Länge l und dem Querschnitt A:

(Gl. 2.2.3.1)

Wegen ergibt sich folgende Bestimmungsgleichung für RDMS:

(Gl. 2.2.3.2)

Die Auswertung der Widerstandsänderung wird häufig mittels einer Vollbrückenschaltung realisiert, um Temperatureinflüsse auf die Messwerte zu unterdrücken.

2.3 Regelungstechnik

Die Regelungstechnik ist wie die Steuerungs- und Messtechnik ein Teil der Automatisierungstechnik. Der Wirkungsspielraum der Messtechnik ist relativ klar abgesteckt, wobei die Abgrenzung der Steuerungs- und Regelungstechnik etwas näher betrachtet werden muss. Im englischen Sprachraum werden beide unter dem Begriff control geführt, was übersetzt eben Steuern oder Regeln bedeutet. Spricht man explizit die Regelungstechnik an, wird der Begriff closed-loop control verwendet. Ist der Bereich der Steuerungstechnik gemeint, wird dieser mit forward control bezeichnet. Somit ist die Abgrenzung der beiden Bereiche sprachlich klar definiert, da bei einer Regelung ein ständiger Vergleich der Reaktion eines Systems mit den Vorgabewerten stattfindet, was als Rückkopplung bezeichnet wird. In der Steuerungstechnik gibt es ebenfalls eine Datenrückführung, allerdings werden hier nicht etwa analoge Werte, sondern spezielle binäre Daten rückgeführt.[29]

2.3.1 Regelkreis

Der eigentliche Regler besteht meistens aus einem Verstärker und einer Einrichtung zur Erzeugung des gewünschten Zeitverhaltens, worunter man die Reaktion des Reglers beim Auftreten einer plötzlichen Regeldifferenz versteht. Verfolgt man nun die einzelnen Stufen des Regelvorgangs, stellt man fest, dass es sich um einen geschlossenen Regelkreis handelt, welcher in der folgenden Abbildung ersichtlich ist.[30]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8 Wirkungsplan eines Regelkreises

Ein Regelkreis besteht prinzipiell aus dem eigentlichen Regler, einer geeigneten Stelleinrichtung und einer informationsgebenden Messeinrichtung.

Die zu regelnde Größe (Regelgröße x) wird fortlaufend gemessen, in den Regler rückgeführt (Rückführgröße r) und mit einer anderen Größe (Sollwert w) gleicher Art verglichen. Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs (Regeldifferenz e) wird durch den Regelvorgang eine Angleichung (Stellgröße y) der zu regelnden Größe an den Sollwert der vorgegebenen Größe vorgenommen.[31] Regeleinrichtungen lassen sich nach Regelgröße, Hilfsenergie, Zeitverhalten und Arbeitweise unterscheiden. Bei der Arbeitsweise werden die Regeleinrichtungen in stetige und unstetige Regler unterteilt. Unstetige Regler kennen nur einige, ganz bestimmte Zustände wie z.B. der Zweipunktregler (Ein, Aus) oder der Dreipunktregler (z.B. Heizen, Aus, Kühlen). Bei den stetigen Reglern dagegen, kann die Stellgröße in einem bestimmten Bereich jeden Wert annehmen, sie arbeiten kontinuierlich.[32]

2.3.2 PID-Regler

Der PID-Regler ist ein stetiger Regler, welcher aus Komponenten mit Pro-portional-, Integral- und Differentialverhalten besteht und für anspruchsvolle Regelungen bestens geeignet ist. In schätzungsweise 90 % der Fälle werden in industriellen Regelungen P-, PI-, oder PID-Regler eingesetzt.[33] In nachfolgender Darstellung sind die Blockschaltbilder der einzelnen Regelbestandteile mit den zugehörigen Gleichungen für die Sprungantworten angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9 Blockschaltbild und Gleichungen PID-Regler.

Der P-Anteil eines Reglers regelt die Stellgröße y proportional zur Eingangsgröße bzw. zur Regeldifferenz e. Der Faktor KP gibt dabei die Änderung der Stellgröße an, wenn sich die Regeldifferenz um den Betrag 1 ändert.[34]

Die umgestellte Gleichung aus 2.3.2.1 macht deutlich, dass es sich hierbei um einen sehr schnellen Regler handelt, bei dem allerdings immer eine Regeldifferenz bestehen bleibt.[35]

(Gl. 2.3.2.4)

Ein reiner I-Regler bildet an seinem Ausgang die Summe der Eingangsgröße, wobei die Ausgangsgröße bei einer konstanten Eingangsgröße linear zunimmt und die Änderungsgeschwindigkeit sich am Ausgang proportional zu jener am Eingang verhält.[36] Aus der nachfolgenden Gleichung ist ersichtlich, dass es sich bei diesem Regler um einen langsamen Regler handelt, der so lange ausregelt bis keine Regeldifferenz mehr vorhanden ist.

(Gl. 2.3.2.5)

Ein Regler mit reinem D-Anteil macht keinen Sinn, da er nur auf eine Änderung der Regeldifferenz reagieren würde. Aus Gleichung 2.3.2.6 ist ersichtlich, dass der D-Anteil proportional zur Änderungsgeschwindigkeit der Regel-differenz ist, was bei einer Änderung einem Nadelimpuls am Ausgang entspricht. Würde keine Änderung mehr erfolgen, wäre das Ausgangssignal null.

(Gl. 2.3.2.6)

Aus der Addition der Gleichungen ergibt sich die Gleichung für die Sprungfunktion des PID-Reglers, in welchem sich die jeweiligen Vorteile, wie die schnelle Anfangsreaktion und die Minimierung der Regeldifferenz, vereinen.

(Gl. 2.3.2.7)

In der Abbildung 10 ist die daraus resultierende Sprungfunktion visualisiert.[37]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10 PID-Sprungfunktion

2.4 Dosierung von Prozessstoffen

2.4.1 Prozessdosierung

In der automatisierten Produktion wie auch in der Verfahrenstechnik im Allgemeinen, hat der Begriff der Dosierung, welcher sich vom altgriechischen dósis „Gabe“ ableitet, einen äußerst hohen Stellenwert. Im Prinzip geht es immer darum, Hilfs- und Betriebsstoffe in der richtigen Menge, zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort zur Verfügung zu stellen. Dosierfähige verfahrenstechnische Stoffe können flüssig, fest oder gasförmig sein. Da bei den heutigen Produktionsprozessen der Automatisierungsgrad immer weiter zunimmt, benötigt man Dosiereinrichtungen, die auf möglichst einfache und effiziente Weise in die Logistik eines Gesamtprozesses integrierbar sind. Der prinzipielle Dosiervorgang ist in der folgenden Abbildung ersichtlich.[38]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11 Dosierregelung

[...]


[1] Vgl. Große / Schorn (2010), AUT201, S. 5

[2] Vgl. Pinnow / Schäfer (2015), S. 6

[3] Vgl. Fattmann / Greif / Limper / Seibel (2004), S. 24

[4] In Anlehnung an http://www.personal.psu.edu/users/g/m/gmm211/explantblofilm.jpg

[5] Vgl. Große / Schorn (2010), AUT301, S. 8

[6] Vgl. Wellenreuther / Zastrow (2011), S. 10

[7] Vgl. Thuselt (2010), S. 43

[8] Vgl. Wellenreuther / Zastrow (2011), S. 11

[9] Vgl. Seitz (2010), AUT101, S. 11

[10] Vgl. Beuth (2006), S. 403

[11] Vgl. Wellenreuther / Zastrow (2011), S. 34

[12] Vgl. Karaali (2013), S. 171

[13] Vgl. Seitz (2010), AUT101, S. 52

[14] Vgl. Heimbold (2015), S. 154

[15] Vgl. Heimbold (2015), S. 155

[16] Vgl. Gießler (2009), S. 20

[17] Vgl. Große / Schorn (2010), AUT301, S. 22

[18] Vgl. Seitz (2010), AUT101, S. 54

[19] Vgl. http://www.computer-automation.de/steuerungsebene/steuern-regeln/artikel/81899/0/

[20] Vgl. Gießler (2009), S. 23

[21] Vgl. von Aspern, (2009), S. 134

[22] Vgl. Schiessle (1992), S. 11

[23] Vgl. Hering / Schönfelder (2012), S. 1

[24] Vgl. Hering / Schönfelder (2012), S. 2

[25] Vgl. Gintner (2010), SEN101, S. 21

[26] Vgl. Schiessle (1992), S. 61

[27] Vgl. Hering / Schönfelder (2012), S. 324

[28] Vgl. Gintner (2010), SEN104, S. 35

[29] Vgl. Thuselt (2010), S. 6

[30] Vgl. Reuter / Zacher (2017), S. 6

[31] Vgl. Siemens, Modul B3 (2010), S. 7

[32] Vgl. Beier / Wurl (2015), S. 126

[33] Vgl. Seitz (2010), AUT102, S. 57

[34] Vgl. Wellenreuther / Zastrow (2011), S. 648

[35] Vgl. Wellenreuther / Zastrow (2011), S. 649

[36] Vgl. Beier / Wurl (2015), S. 129

[37] Vgl. Beier / Wurl (2015), S. 142

[38] Vgl. Dulger (2016), S. 3

Ende der Leseprobe aus 63 Seiten

Details

Titel
Entwicklung einer gravimetrischen Durchsatzregelung für einen Polyethylen-Extrusionsprozess
Untertitel
Regelung der Foliendicke und Metergrammatur im Blasfolienprozess
Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart
Note
1,3
Autor
Jahr
2018
Seiten
63
Katalognummer
V420552
ISBN (eBook)
9783668705555
ISBN (Buch)
9783668705562
Dateigröße
2590 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Durchsatzregelung, SPS, Extrusion, Entwicklung, Elektrotechnik, Informationstechnik, Elektro- und Informationstechnik, Automatisierungstechnik
Arbeit zitieren
Bachelor of Engineering Patrick Kanberger (Autor), 2018, Entwicklung einer gravimetrischen Durchsatzregelung für einen Polyethylen-Extrusionsprozess, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/420552

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