Massendurchflussregelung beim Presshärteverfahren
Gaszufuhr sicher regeln
Die Industrie verlangt heute oft nach hochfesten Stählen, die mittels Presshärteverfahren zu sicherheitsrelevanten Strukturteilen verarbeitet werden. Dabei fordern die Hersteller zunehmend eine exakte Protokollierung und Rückverfolgbarkeit der Gasmengen und Ofenatmosphäre bei der Wärmebehandlung der Stähle. Reaktionsschnelle Massendurchflussregler, die speziell für die Dosierung großer Gasmengen ausgelegt sind, finden deshalb an den Öfen ein typisches Einsatzfeld. Kombiniert zu Komplettlösungen lassen sie sich an die übergeordnete Steuerung anbinden und ermöglichen per Ferndiagnose auch den Service.
Bild: Schwartz GmbHBeim Presshärteverfahren war es bisher meist Stand der Technik, die Gasmengen je nach erforderlichen Mengen mittels Glaskonus-Durchflussmesser von Hand einzustellen. Dabei wird der Volumenstrom nach dem Schwebekörperprinzip von einer ins Messrohr gravierten Skala abgelesen und bei Bedarf manuell nachgeregelt. Da das Schwebekörperprinzip temperatur- und druckabhängig ist, muss dieses in regelmäßigen Abständen manuell angepasst werden, um die geforderten Prozesswerte für die Ofenatmosphäre sicherzustellen. Im Hinblick auf die steigenden Anforderungen an die Qualität der wärmebehandelten Stähle und die Notwendigkeit, Gasmengen und Ofenatmosphäre zu protokollieren, ist diese Methode allerdings nicht mehr praxisgerecht. Die Schwartz GmbH, Weltmarktführer im Bereich Wärmebehandlungsanlagen für das Presshärten von Stahl, Aluminium und anderen NE-Metallen, suchte deshalb nach einem neuen Lösungsansatz. Das angestrebte System zur Regelung der Gaszufuhr sollte automatisch arbeiten, über einer geeigneten Busschnittstelle mit der übergeordneten Steuerung kommunizieren, kompakt in einem Schaltschrank verbaut sein, über die notwendigen Zulassungen, wie z.B. UL oder CSA, verfügen und Fernwartungs-/ Ferndiagnosemöglichkeiten bieten.
Bild: Bürkert Werke GmbH & Co. KGKompakte Schaltschranklösung
Der Fluidikspezialist Bürkert entwickelte gemeinsam mit Schwartz ein automatisiertes System zur Regelung der Gaszufuhr der Rollenherdöfen. Es ist modular aufgebaut und besteht im Prinzip aus einem Schaltschrank pro Ofenzone. In jedem wurden zwei bis drei Massendurchflussregler vom Typ 8746 verbaut: einer für Stickstoff (N2), einer für Methan (CH4) und optional ein weiterer für trockene Luft. Grundwerkstoff der pressgehärteten Stahlbleche ist ein borlegierter Vergütungsstahl. In den Austenitisierungsöfen werden sowohl beschichtete als auch unbeschichtete Stahlbleche oberhalb der Austenitisierungstemperatur auf circa 950°C erwärmt und für eine definierte Zeit gehalten. Die nicht beschichteten Stähle werden in einer Ofenatmosphäre mit einem Schutzgasgemisch behandelt, um die Zunderbildung und Entkohlung der Oberfläche zu vermeiden. Die Auslegung der maximalen Durchflüsse der Regler für Stickstoff, Methan und Luft orientiert sich an der Dimensionierung des Ofens. Die Auslegung bezüglich der Eingangsdrücke richtet sich nach den Gegebenheiten der Gasversorgung in der Anlage. Aus dem übergeordneten Prozessmodel berechnet die Ofensteuerung die benötigte Gasmenge und gibt diese als Sollwert an die beiden entsprechenden Massendurchflussregler. Die erforderlichen Stickstoff- und Methanmengen werden von den Massendurchflussreglern dosiert und in ihrem Mischungsverhältnis an der jeweiligen Einspeisestelle zugeführt.
Präzise Regelung der Gaszufuhr
Das Funktionsprinzip der Massendurchflussregler gewährleistet eine feinfühlige und präzise Regelung: Der thermische Inline-Sensor des Durchflussreglers sitzt direkt im Gasstrom und erreicht schnelle Reaktionszeiten. Er arbeitet als Heißfilm-Anemometer im sogenannten CTA-Betriebsmodus (Constant Temperature Anemometer). Dabei sind zwei Widerstände mit präzise spezifiziertem Temperaturkoeffizienten direkt im Gasstrom mit drei weiteren Widerständen zu einer Messbrücke verschaltet. Der erste Widerstand im Medienstrom misst die Fluidtemperatur, der zweite, niederohmigere Widerstand wird stets gerade soweit aufgeheizt, dass er auf einer festen, vorgegebenen Übertemperatur zur Fluidtemperatur gehalten wird. Der dazu erforderliche Heizstrom ist ein Maß für die Wärmeabfuhr durch das strömende Gas und stellt die primäre Messgröße dar, die unabhängig von Druck und Temperatur des Gases ist. Eine adäquate Strömungskonditionierung innerhalb des Massendurchflussreglers sowie die Kalibrierung mit hochwertigen Durchflussnormalen stellen sicher, dass aus dem Primärsignal die pro Zeiteinheit durchströmende Gasmenge mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden kann. Der integrierte PI-Regler und ein direkt wirkendes Proportionalventil als Stellglied gewährleisten eine hohe Ansprechempfindlichkeit.
Kommunikation per Profinet
Zudem bietet die Lösung für die Regelung der Gaszufuhr der Rollenherdöfen noch weitere Vorteile. So erleichtert das standardisierte Komplettsystem dem Ofenhersteller den Bestellvorgang und die Terminplanung. Außerdem lässt sich die vorkonfigurierte Regelungslösung einfach anschließen. Für die Spannungseinspeisung genügt pro Schrank eine M12-Verbindung und auch die Einbindung in die übergeordnete Steuerung ist einfach. Dazu ist einer der Schränke mit einer zentralen Steuereinheit ausgestattet, welche die Kommunikation mit allen in den Schränken integrierten Massendurchflussreglern übernimmt. Bürkert hat hierfür mit der Geräteplattform EDIP (Efficient Device Integration Platform) eine entsprechende Lösung geschaffen. Bei Bedarf kann der Anwender die Logik ohne zusätzliche Eingriffe in die Ofensteuerung programmieren und sie an sich ändernde Prozesse und Betriebsbedingungen anpassen. Die Schaltschränke werden als autarkes Subsystem an den übergeordneten Feldbus an genau einer Stelle angeschlossen. In der beschriebenen Anwendung kommuniziert die Steuereinheit über Profinet mit der SPS des Ofens, welche die Prozesswerte verwaltet und protokolliert. Andere Feldbusse und Ethernet-Anbindungen werden ebenso unterstützt. Innerhalb der Black Box sind Konstruktionsoptimierungen und Weiterentwicklungen jederzeit möglich, ohne in die eigentliche Ofenauslegung eingreifen zu müssen.
Die Industrie verlangt heute oft nach hochfesten Stählen, die mittels Presshärteverfahren zu sicherheitsrelevanten Strukturteilen verarbeitet werden. Dabei fordern die Hersteller zunehmend eine exakte Protokollierung und Rückverfolgbarkeit der Gasmengen und Ofenatmosphäre bei der Wärmebehandlung der Stähle. Reaktionsschnelle Massendurchflussregler, die speziell für die Dosierung großer Gasmengen ausgelegt sind, finden deshalb an den Öfen ein typisches Einsatzfeld. Kombiniert zu Komplettlösungen lassen sie sich an die übergeordnete Steuerung anbinden und ermöglichen per Ferndiagnose auch den Service.
Bild: Schwartz GmbHBeim Presshärteverfahren war es bisher meist Stand der Technik, die Gasmengen je nach erforderlichen Mengen mittels Glaskonus-Durchflussmesser von Hand einzustellen. Dabei wird der Volumenstrom nach dem Schwebekörperprinzip von einer ins Messrohr gravierten Skala abgelesen und bei Bedarf manuell nachgeregelt. Da das Schwebekörperprinzip temperatur- und druckabhängig ist, muss dieses in regelmäßigen Abständen manuell angepasst werden, um die geforderten Prozesswerte für die Ofenatmosphäre sicherzustellen. Im Hinblick auf die steigenden Anforderungen an die Qualität der wärmebehandelten Stähle und die Notwendigkeit, Gasmengen und Ofenatmosphäre zu protokollieren, ist diese Methode allerdings nicht mehr praxisgerecht. Die Schwartz GmbH, Weltmarktführer im Bereich Wärmebehandlungsanlagen für das Presshärten von Stahl, Aluminium und anderen NE-Metallen, suchte deshalb nach einem neuen Lösungsansatz. Das angestrebte System zur Regelung der Gaszufuhr sollte automatisch arbeiten, über einer geeigneten Busschnittstelle mit der übergeordneten Steuerung kommunizieren, kompakt in einem Schaltschrank verbaut sein, über die notwendigen Zulassungen, wie z.B. UL oder CSA, verfügen und Fernwartungs-/ Ferndiagnosemöglichkeiten bieten.
Bild: Bürkert Werke GmbH & Co. KGKompakte Schaltschranklösung
Der Fluidikspezialist Bürkert entwickelte gemeinsam mit Schwartz ein automatisiertes System zur Regelung der Gaszufuhr der Rollenherdöfen. Es ist modular aufgebaut und besteht im Prinzip aus einem Schaltschrank pro Ofenzone. In jedem wurden zwei bis drei Massendurchflussregler vom Typ 8746 verbaut: einer für Stickstoff (N2), einer für Methan (CH4) und optional ein weiterer für trockene Luft. Grundwerkstoff der pressgehärteten Stahlbleche ist ein borlegierter Vergütungsstahl. In den Austenitisierungsöfen werden sowohl beschichtete als auch unbeschichtete Stahlbleche oberhalb der Austenitisierungstemperatur auf circa 950°C erwärmt und für eine definierte Zeit gehalten. Die nicht beschichteten Stähle werden in einer Ofenatmosphäre mit einem Schutzgasgemisch behandelt, um die Zunderbildung und Entkohlung der Oberfläche zu vermeiden. Die Auslegung der maximalen Durchflüsse der Regler für Stickstoff, Methan und Luft orientiert sich an der Dimensionierung des Ofens. Die Auslegung bezüglich der Eingangsdrücke richtet sich nach den Gegebenheiten der Gasversorgung in der Anlage. Aus dem übergeordneten Prozessmodel berechnet die Ofensteuerung die benötigte Gasmenge und gibt diese als Sollwert an die beiden entsprechenden Massendurchflussregler. Die erforderlichen Stickstoff- und Methanmengen werden von den Massendurchflussreglern dosiert und in ihrem Mischungsverhältnis an der jeweiligen Einspeisestelle zugeführt.
Präzise Regelung der Gaszufuhr
Das Funktionsprinzip der Massendurchflussregler gewährleistet eine feinfühlige und präzise Regelung: Der thermische Inline-Sensor des Durchflussreglers sitzt direkt im Gasstrom und erreicht schnelle Reaktionszeiten. Er arbeitet als Heißfilm-Anemometer im sogenannten CTA-Betriebsmodus (Constant Temperature Anemometer). Dabei sind zwei Widerstände mit präzise spezifiziertem Temperaturkoeffizienten direkt im Gasstrom mit drei weiteren Widerständen zu einer Messbrücke verschaltet. Der erste Widerstand im Medienstrom misst die Fluidtemperatur, der zweite, niederohmigere Widerstand wird stets gerade soweit aufgeheizt, dass er auf einer festen, vorgegebenen Übertemperatur zur Fluidtemperatur gehalten wird. Der dazu erforderliche Heizstrom ist ein Maß für die Wärmeabfuhr durch das strömende Gas und stellt die primäre Messgröße dar, die unabhängig von Druck und Temperatur des Gases ist. Eine adäquate Strömungskonditionierung innerhalb des Massendurchflussreglers sowie die Kalibrierung mit hochwertigen Durchflussnormalen stellen sicher, dass aus dem Primärsignal die pro Zeiteinheit durchströmende Gasmenge mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden kann. Der integrierte PI-Regler und ein direkt wirkendes Proportionalventil als Stellglied gewährleisten eine hohe Ansprechempfindlichkeit.
Kommunikation per Profinet
Zudem bietet die Lösung für die Regelung der Gaszufuhr der Rollenherdöfen noch weitere Vorteile. So erleichtert das standardisierte Komplettsystem dem Ofenhersteller den Bestellvorgang und die Terminplanung. Außerdem lässt sich die vorkonfigurierte Regelungslösung einfach anschließen. Für die Spannungseinspeisung genügt pro Schrank eine M12-Verbindung und auch die Einbindung in die übergeordnete Steuerung ist einfach. Dazu ist einer der Schränke mit einer zentralen Steuereinheit ausgestattet, welche die Kommunikation mit allen in den Schränken integrierten Massendurchflussreglern übernimmt. Bürkert hat hierfür mit der Geräteplattform EDIP (Efficient Device Integration Platform) eine entsprechende Lösung geschaffen. Bei Bedarf kann der Anwender die Logik ohne zusätzliche Eingriffe in die Ofensteuerung programmieren und sie an sich ändernde Prozesse und Betriebsbedingungen anpassen. Die Schaltschränke werden als autarkes Subsystem an den übergeordneten Feldbus an genau einer Stelle angeschlossen. In der beschriebenen Anwendung kommuniziert die Steuereinheit über Profinet mit der SPS des Ofens, welche die Prozesswerte verwaltet und protokolliert. Andere Feldbusse und Ethernet-Anbindungen werden ebenso unterstützt. Innerhalb der Black Box sind Konstruktionsoptimierungen und Weiterentwicklungen jederzeit möglich, ohne in die eigentliche Ofenauslegung eingreifen zu müssen.
Bürkert Werke GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 10 2018 - 05.10.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
