Merken 30.09.2016

Messtools für Industrie 4.0

Temperatur-, Druck- und Durchfluss-Daten von der Walze

Um den Extrusionsprozess möglichst detailliert beeinflussen und auch jederzeit reproduzierbar gestalten zu können, benötigt der Verfahrenstechniker möglichst viele und möglichst genaue Daten. Heute ist es Standard, sämtliche Soll- und Istwerte als – teilweise aufbereitete – Prozessdaten zentral zu erfassen, sichtbar zu machen und zu kontrollieren. Jede Information hilft, den Extrusionsprozess zu überwachen, zu beeinflussen und zu kontrollieren.

Wichtige Informationen zu Temperaturen und Drücken in der Walze werden bis heute allerdings gar nicht erfasst. Lediglich das teilweise räumlich getrennt aufgestellte Heiz- und Kühlaggregat liefert Prozessdaten, die sich zur Einstellung und Kontrolle des Prozesses nutzen lassen. Darüber hinaus bauen sich einzelne Nutzer aufwendige Messapparaturen vor bzw. hinter den Dichtkopf, um den Daten in der Walze näher zu kommen. Wenn auch sicherlich ein Zusammenhang zwischen den Daten des Heiz- und Kühlaggregates und den wirklichen Daten in der Walze besteht, so steht doch außer Frage, wie viel genauer eine direkte Messung in der Walze wäre.

Temperatur-, Druck- und Durchflusskontrolle

Mit dem ED1 geht die Derichs GmbH, Krefeld, einen Schritt in Richtung Industrie 4.0: Das elektronische Extrusionswerkzeug gibt jeder Walze ein digitales Gedächtnis. Nachrüstbar für jede doppelwandige Walze lassen sich Daten wie Temperatur, Eingangs- und Ausgangsdruck sowie Ein- und Auslauf und die daraus resultierenden Profile jeder einzelnen Walze darstellen. Per Funk auf eine für Android- oder Apple-Systeme entwickelte App übertragen, ermöglicht das Werkzeug eine direkte und genaue Kontrolle der Ist-Werte.

Daraus ergeben sich für den Verfahrenstechniker zusätzliche Möglichkeiten, den Extrusionsprozess zu kontrollieren und zu beeinflussen. Für den Maschinenbauer interessant ist auch eine direkte Integration der Schnittstelle in die Anlagenelektronik. Durch autonome regelmäßige Screenings kann die Walze selbst eine Rückmeldung geben, wann eine signifikante Veränderung der Verhältnisse im Inneren eintritt.

Somit ist es möglich, früher und schneller in den gesamten Prozess einzugreifen. Neben der Optimierung der Folie steht dabei auch die Wartung und Ressourcenschonung des Betriebsmediums und der Walze selbst im Fokus.

Digitale Messwerte auf Zehntelgrad genau

Dass die Messwerte direkt am Sensor durch eine Messelektronik und einen Mikroprozessor digitalisiert werden hat laut Hersteller den Vorteil, dass sie sehr genau sind und auf dem Übertragungsweg nicht verfälscht werden können. Die Temperatursensoren liefern digitale Werte mit einer Genauigkeit von ± 0,5 °C, (auf Wunsch auch bis ± 0,1 °C ) über einen Bereich von 100 °C.

„Das Modul arbeitet im Industrial-Temperaturbereich von -40 bis +85 °C“, konstatiert Mitentwickler Prof. Roland Küng von der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften ZHAW, Winterthur/Schweiz. „Durch eine thermische Isolation können die Sensoren aber auch bei Walzen bis zu 400 °C eingesetzt werden“. Wird der Prozessrechner ans Intra- oder Internet angeschlossen, so sind diese Daten von überall her abfragbar.

Derichs hat dabei bewusst eine Wireless-Datenübertragung gewählt, weil sich die Sensoren auf der rotierenden Walze befinden und Kabel im Umfeld der beweglichen Maschinenteile hinderlich sind. Dabei wurde laut Prof. Küng auf eine sichere Datenübertragung geachtet, die sich auf Wunsch auch verschlüsseln lässt und deren Funkprotokoll standardisiert ist. Das Funkprotokoll entspricht dem Bluetooth-4.0-Standard. Jedes Modul hat eine eigene Adresse, so dass sich verschiedene Sensoren eindeutig der Messstelle und Maschine zuordnen lassen. Alle 5 s wird jedes Modul abgefragt und diese Werte können im Live-view-Modus auch mit einem iPad (Android-Tablet geplant) oder an einem PC mit Funk-Dongle verfolgt werden“.

Das Modul kann aber auch in einstellbaren Intervallen selbständig Werte loggen. Die Dateien lassen sich dann gezielt einsammeln, auf der Anlageseite speichern und auswerten – manuell oder automatisch.

Die Entwicklung

Nach ersten Machbarkeitsstudien von Prof. Peter Gruber (Universität Basel) wurde das ED1 in Zusammenarbeit mit der ZHAW (School of Engineering, ZSN Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtengtechnik) durch das Team um Prof. Küng entwickelt und an einer Laborwalze bereits erfolgreich getestet. Damit lässt sich zum Beispiel die Temperatur während der Produktion genau überwachen: „Erstens, weil direkt in der Walze im Kühlmittel gemessen wird, und zweitens, weil der Wert digital für den Heizregler als Istwert zur Verfügung steht“, erläutert Prof. Küng. „1% weniger Wassertemperatur in der Walze spart 6% Energie.“ Bei großen Abweichungen könne automatisch z.B. ein Alarm ausgelöst werden und die Anlage sich selbständig vor Schaden schützen.