Ringwalzanlage Elektrische Antriebstechnik aus einem Guss

Autor / Redakteur: Rolf Ludwig, Stefan Femers und Markus Büttner / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Eine komplette Antriebslösung wird demnächst in einer Ringwalzanlage in Russland dafür sorgen, dass qualitativ hochwertige Ringe bis zu Durchmessern von 4 m produzieren werden können. Alle elektrischen und mechanischen Bestandteile der Anlage sind aufeinander abgestimmt.

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Eine runde Sache: Die erste Ringwalzanlage von Siempelkamp in Krefeld bedient sich einer Antriebstechnik „aus einem Guss“. Dadurch sind alle Teile der gesamten elektrischen und mechanischen Ausrüstung aufeinander abgestimmt.
Eine runde Sache: Die erste Ringwalzanlage von Siempelkamp in Krefeld bedient sich einer Antriebstechnik „aus einem Guss“. Dadurch sind alle Teile der gesamten elektrischen und mechanischen Ausrüstung aufeinander abgestimmt.
(Bild: Siempelkamp)

Schwerer Maschinenbau hebt sich allein schon durch seine robuste Engineering-Umgebung und die gigantischen Dimensionen der Maschinen von der normalen Industriewelt deutlich ab. Für die Siempelkamp-Gruppe in Krefeld mit über 3000 Mitarbeitern und einem Gruppenumsatz in der Größenordnung von 718,4 Mio. Euro (2013) ist dies jedoch Alltag. Dabei kommen häufig Innovationen „made in Germany“ zum praktischen Einsatz, was inzwischen viele Anwender auf der ganzen Welt zu schätzen wissen.

So auch die international tätige JSC Metallurgical Plant Electrostal, die für ihr Werk in Russland bereits eine 20.000-t-Präzisions-Gesenkschmiedepresse von Siempelkamp erhalten hat. Um die eigene Fertigungstiefe weiter erhöhen zu können, bestellten die Russen bei dem Traditionsunternehmen mit über 130-jähriger Firmengeschichte eine zusätzliche Ringwalzanlage zur Herstellung von Präzisionsringen aus Stahl und Sonderwerkstoffen wie Nickelbasis-, Titan- und Aluminiumlegierungen für die Luft- und Raumfahrt.

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„Wir sind als Systemlieferant bekannt, der bevorzugt alles aus einer Hand liefert“, erklärt Dr. Joachim Martin, Siempelkamp-Geschäftsführer Technik: „Auf Wunsch unseres Kunden haben wir deshalb unsere erste Ringwalzanlage gebaut, in die eine Vielzahl an modernen und innovativen Entwicklungen sowie Ideen eingeflossen sind.“

Optimiertes Gesamtsystem bringt Vorteile

Vor allem bei der elektrotechnischen Ausrüstung und bei der elektrischen Antriebstechnik war den Projektverantwortlichen eine durchgehende Systemlösung der Antriebskomponenten besonders wichtig. In erster Linie ging es hier neben der Leistungsfähigkeit und Präzision der Antriebe um eine sehr hohe Verfügbarkeit und Lebensdauer der Komponenten. „Aus diesem Grund entschieden wir uns für Siemens als Komplettlieferanten für die gesamten Antriebskomponenten: vom Elektromotor über die Kupplung und das Getriebe bis hin zum Frequenzumrichter sowie den Controller“, berichtet Dipl.-Ing. Pedro Robles-Malagrino, Projektmanager Automatisierung bei Siempelkamp in Krefeld.

Das Entwicklungsteam nutzte dabei das durchgehende Produktportfolio Integrated Drive Systems von Siemens, bei dem der komplette Antriebsstrang perfekt aufeinander abgestimmt und optimal in die gesamte Automatisierungsarchitektur integriert ist (siehe Infokasten ). Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, dass damit die Verfügbarkeit bis auf 98 % gesteigert werden kann. Auch die Servicekosten lassen sich damit um bis zu 15 % verringern.

„Diese Werte decken sich deutlich mit unseren Anforderungen, die wir bei der Entwicklung, dem Bau und dem Betrieb der neuen Ringwalzanlage definiert haben“, betont Pedro Robles-Malagrino.

Drehzahlregelung mit hoher Präzision

Die Hauptwalze, die in Verbindung mit der Dornwalze für das Aufziehen des Ringrohlings auf den gewünschten Durchmesser und die Ringstärke sorgt, wird von einem Drehstrom-Asynchronmotor von Siemens mit 1260 kW Leistung angetrieben. Dieser ist über eine Rupex-Kupplung mit dem Planetengetriebe verbunden, das unter der 22 m langen Anlage steht. Das eingesetzte Getriebe ermöglicht eine optimale Übersetzung der für den Walzprozess erforderlichen Drehzahlen und Drehmomente. Die prozessspezifische Drehzahlregelung erfolgt mithilfe eines hochgenauen Frequenzumrichters Sinamics S120 aus dem Automatisierungsspektrum in Verbindung mit einem unabhängig parametrierbaren Simotion-Controller, sodass an der Hauptwalze die erforderlichen Rotationsgeschwindigkeiten individuell vorgewählt werden können.

Der Projektmanager erklärt: „Wir benötigen hier deshalb eine sehr hohe Präzision der Drehzahlregelung, weil die Verformungsprozesse äußerst komplex sind.“ Die Regelparameter hierzu stammen aus einer von Siempelkamp für das Ringwalzen neu entwickelten Steuerung Sicoroll. Das Programmpaket – bestehend aus dem eigentlichen Walzprozess-Planungstool sowie der Steuerungs- und Regelungstechnik – sorgt für höchste Prozessgenauigkeit. Parameter wie Drehzahlen, Kräfte, Antriebsmomente oder Ringlage können einfach parametriert, überwacht und adaptiert werden. Das Programm bietet dem Anwender so nicht nur Unterstützung bei der Prozessplanung, sondern auch die Möglichkeit, den Prozess während des Ringwalzens anzupassen. Die Antriebstechnik muss die mit Sicoroll ermittelten Walzkurven und -strategien möglichst präzise und effizient abbilden können. Auch dann, wenn die Antriebstechnik in der Ringwalzanlage hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt ist.

Verantwortung für den gesamten Antriebsstrang

Der Vorteil der Integrated Drive Systems: Die Motorbemessungsströme sind optimal an die Umrichterausgangsströme angepasst sind. Dadurch wird die Spannung beim Betrieb der Motoren an den Frequenzumrichter voll genutzt und ergibt jeweils hohe Wirkungsgrade, was in Verbindung mit dem effizienten Getriebe zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad führt. „Dies ist der eine Grund, weshalb wir uns für Siemens entschieden haben; der zweite Aspekt ist, dass der gesamte Antriebsstrang unter der Verantwortung des Anbieters projektiert und mit Verfügbarkeitszusagen belegt wurde“, ergänzt Werner Schischkowski, Leiter Automatisierungstechnik bei Siempelkamp.

Aber auch die ATR Industrie-Elektronik GmbH trug ihren Teil zur optimierten Gesamtlösung bei. Als Tochtergesellschaft der Siempelkamp Maschinen- und Anlagenbau GmbH & Co. KG übernimmt die ATR mit ihren etwa 70 Mitarbeitern die elektrotechnische Ausrüstung von Anlagen nach den konstruktiven Vorgaben der Muttergesellschaft. So war der Schaltschrankbauer vom Niederrhein auch beim Projekt Ringwalze mit von der Partie und erstellte die Schaltanlage der Steuerungstechnik, Sicherheits- und Leittechnik. „Um kurze Servicezeiten und damit hohe Verfügbarkeiten garantieren zu können, entschied sich Siempelkamp für Standardlösungen“, berichtet Stefani Bovie, Prokuristin und Leiterin kaufmännische Abwicklung & Logistik bei der ATR. „Der Aufbau unserer Schaltanlagen mit den Siemens-Komponenten funktionierte wie immer einwandfrei. Wir arbeiten schon seit vielen Jahren mit Siemens zusammen. Die Kooperation verlief also auch hier erfolgreich ‚Hand in Hand’.“

Die gesamte Elektrotechnik aus einem Guss

Durch das durchgehende Angebot Integrated Drive Systems ist die gesamte elektrische und mechanische Ausrüstung aufeinander abgestimmt – von der Steuerungstechnik über die Schalttechnik bis hin zu den Antriebskomponenten. Dies vereinfacht Bestellvorgänge und reduziert den Engineering- und Installationsaufwand. Anwender profitieren von kürzeren Montagezeiten und erhöhten Verfügbarkeiten aufgrund der weltweiten und schnellen Serviceunterstützung durch den Global Player.

Nach dem gleichen Vorgehen wurden auch die gesamten elektrischen Antriebsstränge der Hauptwalze und der beiden schräg gestellten Axialwalzen projektiert und gebaut. Diese werden von zwei Loher-Motoren angetrieben. Mit den eingesetzten Getrieben der Axialwalzen wird die Eingangsdrehzahl optimal an die Walzgeschwindigkeit und an das erforderliche Drehmoment angepasst. Der Systemaufbau deckt sich mit dem der Hauptwalze, um beim projektierten Rund-um-die-Uhr-Betrieb (100 % Einschaltdauer) antriebs- und steuerungstechnisch das Maximum herausholen zu können. Wie dieses in der Praxis beim späteren Betrieb in Russland tatsächlich aussieht, wurde vorab in einem eigens eingerichteten Prüffeld, bestehend aus zwei Motoren und einem Frequenzumrichter Sinamics S120, bei Siemens in Nürnberg getestet.

Der Projektmanager Pedro Robles-Malgrino kommentiert: „Das gab uns die Sicherheit, dass wir nicht nur die Systemverantwortung dem richtigen Partner übergeben haben, sondern dass die Systemvorteile von Integrated Drive Systems auch in der Praxis deutlich spürbar sind.“ Ergebnis: Die perfekte Abstimmung von Motor und Frequenzumrichter wirkt sich positiv auf die Geräuschentwicklung von Antrieben, auf die Netzbelastung, die Energieeffizienz und nicht zuletzt auch auf die Lebensdauer der Komponenten aus. Der Technik-Geschäftsführer Dr. Joachim Martin ergänzt: „Da wir unsere Ringwalzen wie alle unsere Anlagen für besonders lange Laufzeiten ausgelegt haben, muss die Antriebstechnik diesen Anspruch in gleicher Weise erfüllen.“

Durchgehende Automatisierungsbasis

Siempelkamp ist nach eigenen Angaben führender Anbieter von Anlagen für die Metallumformung in diesem Geschäftssegment. Mit der neu entwickelten Ringwalzanlage zur Herstellung von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt in Russland wird das Unternehmen dem eigenen Anspruch erneut gerecht.

Das technologische Know-how des Anlagenbauers im Bereich Ringwalzen und die auf den Automatisierer konzentrierte Systemverantwortung für den gesamten Antriebsstrang von Radial- und Axialwalzen waren die Basis für diesen Erfolg: Weil die Komponenten des Antriebsstrangs perfekt aufeinander abgestimmt sind, lassen sich mit den Standardkomponenten der Integrated Drive Systems präzise, effiziente und nachhaltige Prozesse abbilden. Kurzum: Mit der Anlage für Russland können jetzt qualitativ hochwertige Ringe mit bis zu 4000 mm Durchmesser und Höhen von 40 bis 600 mm geformt werden – insgesamt eine runde Sache, deren Erfolg weitere Anwenderprojekte generieren wird. MM

* Rolf Ludwig, Stefan Femers und Markus Büttner sind Mitarbeiter der Siemens AG, Mechanical Drives in 45128 Essen

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