Doppelschneckenextruder Antrieb und Steuerung reduzieren Verschleiß bei erhöhter Produktqualität

Einzelantriebe, die mit einem abgestimmten Steuerungs- und Regelungskonzept arbeiten sowie ein festplatten- und lüfterloses Visualisierungssystem sind die Eckpfeiler im neuen Automatisierungskonzept eines Herstellers von Doppelschneckenextrudern im Siegerland. Die Offenheit der neuen Lösung vereinfacht die Integration der Maschinen in unterschiedliche Systeme der kautschukverarbeitenden Industrie.

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Konische Doppelschneckenextruder (DSE) haben sich in der Reifenindustrie als Austragsorgan für Kautschuk- und Gummimischungen zum Standard entwickelt. Mit einem neuen Antriebs- und Automatisierungskonzept hat sich die Harburg-Freudenberger Maschinenbau GmbH zum Ziel gesetzt, auch die vergleichsweise vielschichtigen und teilweise deutlich anspruchsvolleren Anforderungen in der Herstellung technischer Gummiwaren zu erfüllen und sich so neue Marktchancen zu erschließen.

Automatisierungstechnik sichert hohe Produktqualität

Die Doppelschneckenextruder der neuesten Generation aus dem Siegerland wurden dazu mit Siemens-Technik ausgestattet: elektronische Einzelantriebe, eine speicherprogrammierbare Steuerung, die Motion-Control-Technik integriert, sowie ein grafisches Visualisierungssystem auf einem robusten Bediengerät für den maschinennahen Einsatz.

Hauptvorteile für den Anwender sind ein nahezu verschleißfreier, sehr flexibler und automatisierter Betrieb bei erhöhtem Bedienkomfort. Auch sicherheitsrelevante Aufgaben lassen sich damit einfacher umsetzen als an mehrstufigen, offenen Walzwerken.

Die Herstellung technischer Gummiwaren wie Dichtungen, Filtermaterialien oder Bremsbeläge ist durch kleinere Losgrößen und entsprechend häufige Mischungswechsel gekennzeichnet. Die Anforderungen an die Qualität, insbesondere an die Reinheit der Mischungen, sind in den meisten Fällen höher als in der Reifenindustrie. Die maximal zweistufigen Prozesse werden bislang noch überwiegend auf Walzwerken gefahren.

Ziel der Verarbeiter sind jedoch einstufige und damit einfachere Aufbereitungsprozesse, für die dann Doppelschneckenextruder als Austragsorgane für den finalen Produktionsschritt auf einem Walzwerk eingesetzt werden können, so die Überlegungen bei Harburg-Freudenberger.

Hinzu kämen künftige Anforderungen, wie die Möglichkeit zum vollautomatischen Inline-Strainern, das Sieben von Mischungen über eine Zahnradpumpe oder die Weiterverarbeitung thermoplastischer Elastomere beziehungsweise Vulkanisate auf Doppelschneckenextrudern im Anschluss an den Kneter. Weil man die Mischung immer „sauber“ an den Doppelschneckenextruder übergeben sollte, kann diese Maschine in Verbindung mit ineinandergreifenden Knetern auch in der Reifenindustrie zum Fertigmischen eingesetzt werden, wodurch sich die Qualität steigern lässt.

Vorteile durch zwei Schnecken mit zwei Antrieben

Zwei Schnecken, zwei Antriebe lautet im Wesentlichen die Kernformel, die den neuen Doppelschneckenextrudern in aktuell vier Baugrößen (DSE 200/280/330 und 450) Vorteile verleiht. Die gegenläufig (mit 3 bis 23 min-1) und berührungslos drehenden Schnecken sind in der horizontalen Ebene leicht geneigt und auch in der Vertikalen schräg zueinander angeordnet (Bild 1). Die Schneckendurchmesser verjüngen sich zur Austragsöffnung hin. Diese bauen vor dem Roller-Die einen gewissen Druck auf, damit ein sauberes Fell erzeugt wird.

Die chargenweise aus dem Innenmischer kommende Masse fällt frei in die Einzugszone des DSE und wird von den synchron drehenden Schneckenstegen unkontrolliert eingezogen, weshalb den beiden Schneckenantrieben praktisch nie identische Drehmomente abgefordert werden. Das bedeutet umgekehrt, dass die zum Synchronisieren der Schnecken erforderlichen mechanischen Elemente – wie Riemen, Koppelräder oder auch Kardansysteme – immer ungleichmäßig belastet werden.

Um eben dies zu verhindern, baut Harburg-Freudenberger auf ein patentiertes System mit elektronisch gekoppelten Einzelantrieben für jede der beiden Schnecken. Im Einsatz ist dazu seit kurzem die CPU 317T-2 DP von Siemens, die SPS- und Motion-Control-Funktionen in sich vereint. Das minimiere die Anzahl der Schnittstellen und ermögliche ein effizienteres, auch Zeit sparendes, durchgängiges Engineering mit vertrauten Simatic-Mitteln, so Harburg-Freudenberger.

Mit den integrierten Motion-Control-Funktionen der Simatic-T-CPU konnten die Ingenieure von Harburg-Freudenberger – unterstützt von Siemens Köln – die beiden Schneckenantriebe an eine virtuelle Hauptachse koppeln und davon abhängig deren beider Geschwindigkeit präzise im Gleichlauf regeln. Der daraus resultierende Nutzen: Mechanische entkoppelte Antriebe übertragen keine Schwingungen, was die Laufruhe der Maschinen verbessert.

Die CPU kommuniziert über ihre Profibus-DP-Schnittstelle taktsynchron mit dem modularen Antriebssystem Sinamics S120. Dieses wiederum regelt die Schneckendrehzahlen über Hauptspindelmotoren 1PH7 aus und sorgt für konstante Verhältnisse bei unterschiedlichsten Belastungen ohne Rückwirkungen auf die jeweils andere Seite.

Materialverschleppung beim Mischungswechsel vorbeugen

Resultat ist ein verringerter mechanischer Verschleiß an den Schnecken und Übertragungselementen, was wiederum die Verfügbarkeit der Maschinen erhöht. Eine weitere Besonderheit elektronisch gekoppelter Einzelantriebe ist die Möglichkeit gesteuerter Relativbewegungen der Schnecken zueinander. Dadurch lässt sich das gegenseitige Auskämmen der Schneckenkanäle intensivieren, um Materialverschleppungen nach Mischungswechseln vorzubeugen.

Für erhöhte Anforderungen an die Maschinensicherheit sind die Motoren zusätzlich zu den üblichen Positionsgebern mit Geschwindigkeitssensoren und damit quasi zweikanalig ausgeführt. Fällt eines der beiden Gebersysteme aus, wird die Maschine automatisch kontrolliert abgeschaltet. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung speist das Regelsystem auch bei Spannungsausfall immer noch so lange, bis die Antriebe sicher stehen und die letzten Positionen gespeichert sind.

Temperatur, Vibration und Staub erhöhen Anforderungen

Es wäre laut Harburg-Freudenberger viel zu riskant gewesen, dieses Merkmal mit einem heterogenen System aus Komponenten verschiedener Hersteller zu lösen.

Die Doppelschneckenextruder arbeiten in einem Umfeld, das meist von hohen Temperaturen sowie Vibrationen, Stößen und Staub geprägt ist. Dies stellt erhöhte Anforderungen an Bediengeräte, die wie in diesem Fall unmittelbar an der Maschine eingesetzt sind. Harburg-Freudenberger entschied sich für ein festplatten- und lüfterloses Simatic Multi Panel der MP 370er Leistungsklasse (Bild 2), das frontseitig in Schutzart IP65, sprich spritzwasser- und staubgeschützt, ausgeführt ist. Das Tastengerät ersetzt die vielen diskreten Bedien- und Anzeigeelemente früherer DSE-Generationen und vereinfacht so das Maschinenhandling.

Mit der Visualisierungssoftware Win-CC flexible und dem Betriebssystem Windows CE wurde eine grafische Bedienoberfläche erschaffen, die Harburg-Freudenberger seinen Kunden im Zuge der Neuentwicklung bieten wollte. Ohne hinreichende Prozesstransparenz beziehungsweise grafische Darstellung aktueller Maschinenzustände, Schneckenpositionen und dergleichen sei heute die nötige Akzeptanz am Markt nicht mehr zu erreichen, so Harburg-Freudenberger.

Die vollständige Integration der Projektierungssoftware Win-CC flexible in die Step7-Plattform vereinfacht die projektweite Kommunikation und beschleunigt das Engineering in vielen Fällen, weil das Anpassen von Schnittstellen entfällt. Die gemeinsame Datenhaltung vereinfacht auch die spätere Projektpflege. Das Visualisierungssystem selbst bietet diverse Werkzeuge und Bildbausteine für die Gestaltung grafischer Oberflächen (Bild 3). Es ermöglicht dabei auch die Einbindung von Active-X-Elementen sowie die Verarbeitung umfangreicher Scripts.

Einfache Integration in vorhandene Linien

Die Doppelschneckenextruder aus dem Siegerland sind immer eingebettet in komplexere Produktionslinien, üblicherweise zwischen einem Innenmischer aus dem Programm des Unternehmens und einer Fellkühlanlage, was eine gewisse Abstimmung erfordert. Störungen an den vor- oder nachgelagerten Gewerken und auch sicherheitsrelevante Zustände müssen vom DSE erkannt, eigene an diese weitergemeldet werden.

Das geschieht derzeit noch über Profibus, wird künftig aber verstärkt über Ethernet laufen, wie heute schon der Datenaustausch zwischen der CPU des Extruders und dem ebenfalls von Harburg-Freudenberger angebotenen Prozessleitsystem PKS-JBA (javabasierte Automatisierung) für Innenmischer. Der Simatic-Steuerung wird zu diesem Zweck ein Kommunikationsprozessor CP 343-1 Lean zur Seite gestellt.

In dieser Konfiguration können dann Mischungsrezepturen mittels OPC-Server zentral von oben an die unterlagerten Systeme übertragen und umgekehrt Prozessdaten für Analysen oder die Qualitätssicherung in einer Datenbank abgespeichert werden. Der Nachweis des Prozessverlaufs mit eingesetzten Rohstoffen und Parametern, wie Drücken, Temperaturen, Drehzahlen oder Verweilzeiten, wird von den Anwendern immer häufiger gefordert. Die Doppelschneckenextruder der Siegerländer sind mit der durchgängigen Automatisierungslösung von Siemens dafür gerüstet.

Dipl.-Ing. Andreas Diegner ist Marketing Manager für Simatic S7-300/400; Dipl-Ing. Jürgen Speck ist Marketing Manager für HMI. Weitere Informationen: Siemens Automation & Drives, 90766 Fürth, Fax (09 11) 9 78 32 82), karin.kaljumae@siemens.com