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Manufacturing-Execution-SystemeDie selbstregelnde Fabrik

Mobile MES-Anwendungen mit Hydra von MPDV

Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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SchichtdickenmessungDickenmesstechnik bei Kunststofffolien

Die Produktion von Kunststofffolien für die Verpackungsmittelherstellung stellt zunehmend höhere Anforderungen an die Prozessführung. Dafür sind im Wesentlichen zwei Entwicklungen verantwortlich: Die komplexer werdenden Weiterverarbeitungsprozesse (Drucken, Tiefziehen, Siegeln, etc.) stellen höhere Anforderungen an die mechanische Homogenität des Materials und die Erweiterung der funktionalen Eigenschaften der Kunststofffolien (UV-Beständigkeit, Sauerstoffabsorbtion, Konservierung, Heißsiegelfähigkeit, Lichtundurchlässigkeit, etc.) führen zu komplexen Co-Extrusionsprozessen für Multilayeraufbauten mit bis zu neun Schichten. Diese Anforderungen lassen sich nur mit einer geeigneten Prozessführung wirtschaftlich realisieren.

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Techno-SCOPE: Dickenmesstechnik bei Kunststofffolien

Die Steuerung und gegebenenfalls auch die Regelung der Prozesse basieren auf In-Line-Messsystemen, speziell für die Messung der Prozessparameter Temperatur, Druck, Durchsatz sowie einer kontinuierlichen Messung der Kunststofffoliendicke. Die Dickenmessung der Kunststofffolie hat in den letzten Jahren in gleichem Maße eine Weiterentwicklung erfahren wie die eingesetzten Produktionsverfahren für die Kunststofffolien. Insbesondere bei coextrudierten Folien ist durch die ungleichmässige Verteilung der Teilschichten eine Messung nach den klassischen In-Line-Dickenmessverfahren (Kapazitivverfahren, Beta-Rückstreuverfahren) nicht möglich, da die Dichte der Folien nicht homogen ist. Die geänderten Produktionsverfahren erfordern ein Messverfahren, dass unabhängig von Dichte, Dielektrizität, Leitfähigkeit, Farbe, Glanz, Rauheit, Temperatur und Geschwindigkeit arbeitet.

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Weiterentwickeltes

Die Weiterentwicklung des magnetinduktiven Dickenmessverfahrens hat durch die Kombination von neuen Werkstoffen, Beschichtungsverfahren der Nanotechnologie und modernen Signalprozessoren einen Sensor hervorgebracht, der im Bereich bis etwa sechs Millimeter alle zuvor genannten Forderungen erfüllt und zudem in der rauen Umgebung einer Flachfolienextrusionsanlage hochauflösend mit einer Messungenauigkeit kleiner ein Prozent arbeiten kann. Bei dem magnet­induktiven Dickenmessverfahren wird ein niederfrequentes Magnetfeld aufgebaut und der magnetische Fluss zwischen der Primär- und der Sekundärspule ähnlich einem Transformator gemessen. Dieser magnetische Fluss wird durch die zu messende Schicht beeinflusst und stellt ein Maß für die Dicke dar. Nach einer mehrstufigen Filterung und Störgrössenaustastung wird der Rohmesswert mit Hilfe eines modifizierten Regressionsverfahrens (diskrete Approximation nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate mit gestuft nichtlinearen Abweichungsbestimmungen) ermittelt.

Eine Besonderheit dieser magnet­induktiven Sonde ist das polierte Metallrad in der Größe einer zwei Euro Münze, die das zu messende Material berührt und so den direkten Kontakt zum Messgut herstellt. Dieses Metallrad ist der Messpol des Sensors und eliminiert damit die Einflüsse von Lagerspiel und Zentrierfehlern.

Systemfähige Messtechnik

Die bisher erhältlichen Dickenmessanlagen stellten eine kompakte Einheit dar, die in Bezug auf Erweiterung, Wartung und Funktionssicherheit nicht den heutigen Kenntnissen und auch Erwartungen entsprochen haben. Bei der Entwicklung der Dickenmessanlage CTM-S wurden erstmals die Disziplinen der Messtechnik, der Prozesssteuertechnik und der Informatik zusammengeführt, um den jeweils aktuellen Stand der Technik zu realisieren.

Das Ergebnis ist seitens der Messtechnik ein intelligentes Sensorsystem mit digitaler adaptiver Filterung und Kompensation der externen Einflüsse (z.B. Temperatur, Permeabilität, Geometrie der Gegenwalze, Drift, Verschleiss, etc.). Die Steuerung des gesamten Messablaufs und die Kommunikation mit der Mess- und Prozessperipherie erfolgt durch eine modulare SPS. Im rauen industriellen Umfeld hat sich diese Technologie bewährt und garantiert eine sehr hohe Verfügbarkeit des Mess- und Positioniersystems.

Die Speicherung, statistische Auswertung und Visualisierung der Daten erfolgt durch einen Panel-PC, der zusätzlich für die Subsysteme als Front-End dient. Hier wurde aufbauend auf dem Betriebssystem Linux eine moderne Java-Applikation entwickelt, die hinsichtlich der Kommunikationsfähigkeit völlig neue Massstäbe setzt. Die Dickenmessanlage arbeitet, wenn sie ans Intranet/Internet angeschlossen wird, wie ein Webserver und ist über jeden PC mit einem Standard-Web-Browser (Internet-Explorer, Mozilla, Opera, etc.) vollständig bedienbar. Damit ist die Pflege der Rezeptdaten ebenso einfach vom Büro aus möglich wie die Überwachung der gesamten Extrusionsanlage von einem weit entfernten Gebäude – eben soweit, wie das Internet reicht. Die hohe Stabilität und Verfügbarkeit von Linux ist ausschlaggebend für die Wahl dieses Betriebssytems gewesen. Darüber hinaus bietet Linux eine exzellente Plattform für nahezu alle Formen der Kommunikation und Adaption. Wenn ein Kunde die Rollenstatistik per Mail übertragen haben möchte, um die Ergebnisse der Nachtschicht am Morgen zu überblicken, ist das ebenso einfach machbar, wie die Anbindung der Rezeptdaten an eine übergeordnete Fabrikautomatisierungssoftware per SQL beziehungsweise XML.

Spin-Offs

Die aktuellen Softwaretechnologien ermöglichen eine Trennung der Darstellung von den Verarbeitungsfunktionen und eine erheblich einfachere Modifikation beziehungsweise Erweiterung von Programm-Objekten. Die individuelle Anpassung der Software an die Anforderungen des Kunden wird über XML-Dateien vorgenommen und verringert damit den Pflegeaufwand erheblich, da nicht nur alle Programm-Module für die Kunden gleich sind, sondern gegebenenfalls auch zusätzliche Module eingebunden werden können, ohne die Stabilität der Anwendung zu beeinträchtigen. Die Leistungsfähigkeit einer modernen Softwarearchitektur, wie sie die Programmiersprache Java mit sich bringt, führt hier zu Möglichkeiten, die bisher in der Dickenmesstechnik für den Kunststofffolienbereich wirtschaftlich nicht darstellbar waren.

Weitere Applikationen

Die Trennung der Bereiche Messen, Steuern und Anzeigen/Bedienen ermöglicht es, den Kernbereich Messen so auszulegen, dass damit auch eine Regelung aufgebaut werden kann. An die CTM-S anschließbar sind sowohl Längsregelungen zur Variation der Abzugs- beziehungsweise Fördergeschwindigkeit, als auch Querprofilregelungen zum Steuern und Regeln eines Querprofils. Hier können sowohl konventionelle Thermodehnbolzen und Schrittmotoren als auch moderne Verstellelemente in Form von Piezo- und Peltierelementen angeschlossen werden. Diese Regelung ist in SPS-Technik aufgebaut und gewährleistet damit eine hohe Ausfallsicherheit und schnelle, weltweite Verfügbarkeit im Servicefall.

Fazit

Die Zusammenführung der drei Disziplinen Messtechnik, industrielle Steuerungstechnik und Informationstechnik hat zu einem Messystem geführt, das auch der schwierigen Aufgabe der Messung von coextrudierten Folien gewachsen ist. Darüber hinaus ist es wesentlich flexibler als herkömmliche Systeme und auch der Wartungsaufwand für Hard- und Soft­ware ist deutlich reduziert.

Zum Thema

Bei Co-Extrusionsprozessen von Kunststofffolien ist die Anzahl der Multilayer mittlerweile bei neun Schichten angelangt. Zwar hat sich auch die Dickenmessung solcher Folien in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt, allerdings sind Messverfahren, die unabhängig von Parametern wie Dichte, Dielektrizität, Leitfähigkeit, Farbe, Glanz, Rauheit, Temperatur und Geschwindigkeit arbeiten eher die Ausnahme. Eine solche Entwicklung ist das hier vorgestellte Messsystem, dessen Sensor im Bereich bis etwa sechs Millimeter alle genannten Forderungen erfüllt und darüber hinaus in rauer Umgebung mit einer Messungenauigkeit kleiner 1 % arbeitet.st

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