2009 nahm die BMW Group im Werk Dingolfing eine Presshärteanlage in Betrieb. Sie besteht aus einer Presshärtelinie mit einem Durchlauf-Kettenträgerofen. Dieser Glühofen erwärmt vorgeformte Karosseriebleche, die danach in einer Presse ihre endgültige Form erhalten. Sie dienen später als Verstärkung für die Längsträger und B-Säule oder den Schweller. Durch die Wärmebehandlung und das sofort anschließende Pressen wird bei höherer Stabilität der Teile eine geringere Fahrzeugmasse erzielt.

Für diesen Ofen war ein System erforderlich, das die Antriebe der Kettengänge steuert und das Handling der Warenträger koordiniert, auf denen die Bleche durch den Ofen gefördert werden. Weil die Warenträger über mehrere Kettengänge laufen, mussten deren einzelne Antriebe exakt aufeinander abgestimmt werden. Auch die Bewegung der Schleusentüren und Hubgerüste waren mit der Bewegung der Warenträger zu synchronisieren. Nicht zuletzt musste die gesamte Ablaufsteuerung in das bestehende Softwarekonzept von BMW integriert werden.

Projektumfang der Gesamtanlage

Ein namhafter Stahlerzeuger liefert sowohl das Material aus einer gewichtssparenden Legierung an die BMW Group als auch das Konzept, wie Ofen und Presse zusammenarbeiten. Der Pressenhersteller war neben der Presse auch für die automatisierte Be- und Endladung zuständig. Die Schwartz Wärmebehandlungsanlagen GmbH stellt den Durchlauf-Kettenträgerofen her. Für die Projektkoordination der gesamten Automatisierung, die Steuerungstechnik und Visualisierung sowie die Anpassung der Antriebs-Basissoftware zeichnete die Heinen Automation GmbH verantwortlich. Die 1999 zunächst als Einzelunternehmen gegründete Firma plant, konzipiert und realisiert individuelle Automatisierungssysteme und -anlagen unter Berücksichtigung kundenspezifischer Anforderungen und Normen.

Zur Realisierung schlüsselfertiger Gesamtprojekte arbeitet Heinen Automation mit mehreren Partnerfirmen zusammen. Beim Projekt Glühofen realisierte sie die Kommunikation der unterschiedlichen Systeme über Profinet und die Anbindung an den Leitrechner. Außerdem nahmen Heinen-Mitarbeiter die Antriebe und Steuerung vor Ort in Betrieb und schulten die Bediener und Mitarbeiter der BMW-Instandhaltung. Schwartz und Heinen arbeiten schon länger zusammen. Beide hatten bereits Erfahrungen mit dieser Ofentechnologie gesammelt, die auch bei anderen Kunden eingesetzt wird.

Die Unternehmen statteten die gesamte Linie mit SEW-Antrieben aus: Dazu gehören Servomotoren und -umrichter sowie Motion Controller. Heinen Automation hat jahrelange Erfahrungen mit der Antriebs- und Automatisierungstechnik von SEW-Eurodrive, insbesondere dem Mehrachs-Servosystem Moviaxis und dem Motion Controller Movi-PLC. Dank seines Knowhows mit dieser Antriebstechnik sowie mit der SPS Simatic S7, mit Profinet-Bussystemen und der komplexen Anbindung an Leitrechnersysteme konnte Heinen bei der Auftragsvergabe durch die Schwartz GmbH punkten. Hinzu kamen die Bereitschaft, innovative Lösungen wie die Prozessvisualisierung zenon umzusetzen, sowie die bereits bewährte Zusammenarbeit zwischen beiden Unternehmen.

IT-Innovation, anspruchsvolle Ofen-Technologie

Die technische Kommunikation des gesamten Härteprozesses ist neu – sowohl die Art und Weise der Anbindung an den Leitrechner als auch die Anlagenvisualisierung. Sie wurde durch Heinen Automation konzipiert und programmiert, weil hier ein enger thematischer Zusammenhang zur Steuerung des Glühofens besteht. Heinen realisierte im Projekt erstmals eine Visualisierung mit der HMI-Software zenon 6.22 von Copa-Data. Sie ist besonders bedienerfreundlich und stellt die Anlagenzustände übersichtlich dar. Das System ist in die Liniensteuerung zur zentralen Erfassung der „Reliability & Maintainability"- Daten (Zuverlässigkeit und Instandhaltbarkeit) der Maschine eingebunden. Schon nach vier Wochen – und deutlich früher als geplant – war die vollständige Steuerung programmiert. Bereits Anfang Februar 2009 liefen die ersten Teile durch den Ofen.

Grundsätzlich ist es schwierig, vorgeformte Bleche durch einen Glühofen freitaktend zu transportieren. Bei konventionellen Rollenherd-Ofenanlagen werden die Warenträger auf Keramikrollen transportiert, die sich im Inneren des Ofens befinden. Hier herrscht eine Betriebstemperatur von annähernd 1000 °C. Bei diesem Verfahren und Taktzeiten von minimal 12 s ist für Ungenauigkeiten kein Platz. Zwischen Warenträger und Rolle entsteht häufig ein Schlupf. Außerdem ist diese traditionelle Methode störanfällig, denn die Keramikrollen setzen – je nachdem, was befördert wird – Material an, sodass der Durchmesser unregelmäßig anwächst. Weil die Drehgeschwindigkeit konstant ist, der Umfang aber zunimmt, verschiebt sich die Position des Warenträgers oder der Bleche. Bei der neuen Lösung der Firma Schwartz besteht die Innovation darin, dass der Transport außerhalb des Ofens stattfindet. Dabei stehen die Warenträger auf einem außen liegenden Kettengang, ragen in den Ofen hinein und schließen ihn nach unten hin ab. Sie sind Teil des Ofens und gehören somit zum Lieferumfang von Schwartz. An den Förderketten herrschen „nur" etwa 60 bis 80 °C Umgebungstemperatur. Die Beherrschung der Temperaturunterschiede, denen der Warenträger zwischen kalter Kette und heißem Ofen ausgesetzt ist, ist nicht trivial.

Der Glühofen ist als dreistöckige Konstruktion ausgeführt. Roboter positionieren die Bleche vor dem Ofen in der unteren Ebene auf den Warenträgern. Dann takten die Bleche in den Ofen ein, werden geglüht und hinter dem Ofen durch Roboter vom Warenträger entnommen und einer Presse zugeführt. Anschließend werden die leeren Warenträger eine Etage höher über eine isolierte Rückführstrecke zurücktransportiert. Die Antriebstechnik wurde mit dem Servoantriebssystem Moviaxis und dem Motion Controller Movi-PLC von SEW-Eurodrive realisiert. Beim Durchlauf-Kettenträgerofen kommt das modulare Mehrachs-Servoverstärkersystem Moviaxis mit insgesamt 22 Servoverstärkern zum Einsatz. Sie treiben 16 Kettenantriebe, vier Schleusenschieber und zwei Hubgerüste an. Auf der Anlage sind fünf separate Sicherheitskreise installiert: für den Ofen, den Ofenein- und auslauf, die Rückführstrecke und die Rüststrecke.

Synchronisierung, messende Lichtschranken

Die Warenträger sind über Zähne formschlüssig mit den Ketten verbunden. Anstelle einer durchgehenden Kette setzt man 16 einzelne Kettengänge ein. Das hat den Vorteil, dass man die Warenträger vereinzeln und abschnittsweise unterschiedliche Geschwindigkeiten fahren kann. Die Warenträger müssen korrekt auf den Kettenförderern aufsitzen, damit die Werkstücke nicht springen, zumal der Ofen auch mit einer hohen Geschwindigkeit – bis zu 2 m/s – entladen wird. Um diese anspruchsvolle Antriebsaufgabe lösen zu können, kam mit Moviaxis ein hochwertiger Servoregler zum Einsatz. Bei der Übergabe des Warenträgers an den jeweils nächsten Kettenförderer müssen die Kettenglieder immer wieder winkelsynchron ausgerichtet werden. Die Synchronisation der Ketten erfolgt durch Abgleich der Geberstellungen des Startkettenganges mit dem Zielkettengang. Daher haben nicht nur die Motoren eine Drehzahlerfassung, auch die Kettenräder sind mit einem Drehgeber ausgestattet.

Zwischen den Kettengängen sind Laserlichtschranken angeordnet. Beim Übergang von einem Kettengang auf den nächsten fährt der Warenträger zuerst einen Suchweg, währenddessen die Lichtschranke auslösen muss. Sobald die Lichtschranke durch einen Flankenwechsel des Messsignals die Vorderkante des Warenträgers erkennt, ermittelt der Servoverstärker Moviaxis über die Messtasterfunktion seine Referenzposition, um dann mittels Restwegpositionierung auf ein bestimmtes, festgelegtes Maß zu positionieren. Die Messung vereinfacht sich erheblich, weil die Lichtschranken im „kalten" Bereich des Ofens angebracht sind, wo bessere Sichtverhältnisse vorliegen als im Inneren des Glühofens. Hier können sich aufgrund von Feuchtigkeit aus der Atmosphäre Dunst oder Schwaden bilden, die von Verbrennungsprozessen herrühren. Dann funktionieren die Lichtschranken nicht mehr zuverlässig. Die neue Konstruktion vermeidet diese Nachteile. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Abstände der Bleche (im Einzelwarenträgerbetrieb) sehr klein sind und dadurch schnell und viel produziert werden kann.

Effektiver Entwurfsprozess

Bei der Programmentwicklung und Inbetriebnahme arbeiteten Heinen Automation, SEW-Eurodrive sowie Schwartz Wärmebehandlungsanlagen sehr intensiv zusammen. Heinen übernahm die Programmierung der SPS einschließlich der Rezepturverwaltung sowie der chronologischen Ereignisliste und Verbrauchserfassung; SEW-Eurodrive programmierte hingegen die antriebsnahe Regelung in der Movi-PLC.

Während die Anlagensteuerung mit der SPS für die Prozessabläufe und die Anbindung an Visualisierung zuständig ist, erfolgen die Abläufe für das Ausrichten, Positionieren und Synchronisieren im Motion Controller. Dadurch wird die SPS von den Aufgaben der Bewegungssteuerung entlastet und das Antriebsregler-Knowhow in der Movi-PLC verwaltet. Ein großer Vorteil ist, dass Heinen Automation und SEW-Eurodrive hierbei zeitlich parallel arbeiten konnten. Dazu wurde eine Schnittstelle zwischen der Anlagensteuerung und der Movi-PLC definiert. Diese Vorge-hensweise brachte einen spürbaren Zeitgewinn für das Gesamtprojekt. BMW hat ak- tuell zwei Durchlauf-Kettenträgeröfen errichtet, die zufriedenstellend laufen.

Dipl.-Ing. Gunthart Mau, Referent Fachpresse der SEW-Eurodrive GmbH & Co KG in Bruchsal ( www.sew-eurodrive.de )