Sicherheit durch aktive Energiemanagement-Geräte

Bei der Produktion von modernen Folien und Platten wie zum Beispiel bei Lebensmittelverpackungen (Margarine, Trinkbecher, Mikrowellenschalen u.v.m.), Medizinischen Verpackungen (Barriere Folien), Bürofolien (Aktendeckel), etc. müssen bestimmte Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden. So schreibt die Maschinenrichtlinie DIN EN 12301 für Kunststoff- und Gummimaschinen sogenannte Kalander das Einhalten bestimmter Spaltöffnungszeiten und Öffnungsgeschwindigkeiten gesetzlich vor. Kommt es zu einem Not-Halt, müssen die Walzen auseinanderfahren. Damit soll verhindert werden, dass weder Maschine noch Mitarbeiter zu Schaden kommen. Das Maschinenbauunternehmen Kuhne aus Sankt Augustin, bei Bonn bietet u.a. maßgeschneiderte Flachfolien- und Plattenanlagen für eine breite Palette an Anwendungen an. Um die Richtlinie DIN EN 12301 zu erfüllen, setzt Kuhne die aktiven Energiemanagement-Geräte PXTRX für elektrische Antriebe vom Unternehmen Michael Koch aus dem badischen Ubstadt-Weiher ein. Die Energiemanager PXTRX geben bei einem Netzausfall die vorher gespeicherte Energie sofort an die Anlage zurück und somit sind kontrollierte Stopps sowie das Einhalten der Sicherheitsbestimmungen jederzeit unkompliziert möglich.

Der PXTRX sorgt dafür, dass die Walzen schnell in den erforderlichen Sicherheitsabstand auseinanderfahren und somit weder Schaden für Mensch, Maschine oder für das Werkstück entsteht. Bei dem Maschinenbauer Kuhne handelt es sich um Maschinen, bei denen die Walzen konstant – also nicht dynamisch – betrieben werden. Die komplette Leistung muss also nur in ein paar wenigen Ausnahmefällen gepuffert werden. Kommt es jedoch zu diesen Situationen, muss alles ganz schnell und zuverlässig gehen, damit kein Schaden entsteht. Die untere Walze bzw. Rolle stellt dabei weniger das Problem dar, da diese einerseits durch das Eigengewicht nach unten geführt werden kann. Da die Zustellung jedoch über motorisch betriebene Spindel-Hub-Elemente erfolgt, ist dennoch Energie erforderlich, um die Walzen auseinander zu fahren. In diesem Fall ist gerade die untere Walze das wichtigste Element, da sie in Verbindung mit der fix darüber angeordneten Walze den einziehenden Spalt bildet, wo die Kunststoffschmelze auf das Glättwerk aufgebracht wird. Da hydraulische Lösungen umständlich sind, schaute sich Kuhne nach Alternativen um. Schnell stieß Kuhne auf die einfach anzubindenden Plug&Play Lösung PXTRX von Koch, dem Spezialisten für Energiemanagement von elektrischen Antrieben.

Fällt die Stromversorgung aus dem Netz aus, benötigt die Maschine unmittelbar für eine kurze Zeit eine Leistung. Beim kundenindividuellen Applikationsengineering ging Koch vom vorgegebenen Szenario aus und berechnete für den Verbund der eingesetzten Frequenzumrichter eine Spitzenleistung von 20 KW. Die benötigte Energie beträgt 100 kWs für einen kurzen Zeitraum von 5 Sek, um die Walzen in einen kontrollierten Stopp zu fahren – und zwar so, dass es sowohl für Anlage als auch Mensch reibungslos abläuft. Das aktive Energiemanagementgerät bzw. -komplettsystem besteht in dieser Anwendung aus 3 Energiemanagementgeräten PXTRX und 3 Speichereinheiten PXTEX. Mit dieser Lösung stellt Koch sicher, dass die benötigte Energie von 100 kWs ständig verfügbar ist. Trotz fehlender Stromversorgung wird im Falle eines Netzausfalls die untere Walze dank des aktiven Energiemanagementsystems von Koch mit der benötigten Energie versorgt, um die Anlage in einen kontrollierten Stopp zu bringen. Nachdem die Energie aus dem Netz wieder zur Verfügung steht, muss die Anlage neu angefahren werden. Durch das Öffnen des Walzenspaltes wird anschließend wieder auf den vorher eingestellten Walzenspalt, sprich die vorher eingestellte Materialdicke, positioniert. Gleichzeitig wird das aktive Energiemanagementsystem von Koch für den nächsten Stromausfall wieder schonend aufgeladen, um die Ladeschaltung des Frequenzumrichtersystems nicht zu überlasten.

Frequenzumrichter oder Servoregler sind in einem elektrischen Antriebssystem die befehlsgebende Instanz. Da solche Geräte den Wechselstrom aus dem Netz erst in Gleichstrom und diesen dann in den passenden Wechselstrom für den Motor umwandeln, werden sie Frequenzumrichter genannt. In der Folge erzeugt dann dieser „umgerichtete Wechselstrom“ im Antrieb die gewünschte Richtung und Geschwindigkeit. Für die Funktionalität des Umrichters ist daher das Management des Energieniveaus bzw. -haushalts von großer Bedeutung. Genau hier setzt das aktive Energiemanagementsystem von Koch an.  Der PXTRX ist das Herz des ganzen Systems und die aktive Verbindung zwischen elektrischen Speichern und dem internen Gleichstromnetz des Umrichters. Er sorgt in jeder Situation dafür, dass die optimale Leistung über die Zeit zur Verfügung steht. Und zwar in beide Richtungen: Antreibend oder bremsend.

Wenn der Frequenzumrichter wegen des Netzausfalls nicht mehr ausreichend mit Energie versorgt wird, übernimmt der PXTRX diese Funktion und hält den Antrieb gemäß der definierten Vorgabe aus seinen Speichern heraus am Laufen. Im beschriebenen Anwendungsfall sind Doppelschichtkondensatoren als Speichermedium am besten geeignet. In anderen Fällen können auch Speichermedien wie Batterien oder Elektrolytkondensatoren zum Einsatz kommen. Es entscheiden die Applikationsanforderungen in Sachen Leistung und Zeitdauer. Der aktive Energiemanager PXTRX beherrscht die energetischen Aufgaben und die entsprechenden Speichertypen gleichermaßen. Des Weiteren neutralisiert der PXTRX Spannungsschwankungen sowie ungeplante oder auch geplante Netzunterbrechungen. Die aktiven Energiemanagementsysteme von Koch stellen somit in der beschriebenen Anwendung überraschend einfach sicher, was die Glättwalzen zur Erfüllung ihrer Aufgaben auch im Fall eines Spannungseinbruchs brauchen: Die stets passende notwendige Energiemenge. Eine relativ kleine Investition in ein aktives Energiemanagementsystem lohnt sich angesichts der vermeidbaren Ausfälle schon in kurzer Zeit. Anwendungsspezifisch stellt Koch durch sein erfahrenes Vertriebsteam die Konfiguration zusammen und liefert komplett mit Speicher und Absicherung aus. In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden Kuhne wurde dabei auf der Grundlage unterschiedlicher Szenarios, die ausgiebig untersucht und analysiert wurden, die endgültige System-Konfiguration festgelegt. Im konkreten Fall werden die Anforderungen, dass die Glättwalzen bei Netzunterbrechung zum kontrollierten Stillstand kommen, die Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden und danach wieder problemlos anfährt, in jeder Situation erfüllt.

Die Energiemanagementgeräte werden so ausgeliefert, dass sie vor Ort bei der Montage nur noch elektrisch angeschlossen werden müssen und schon sind sie betriebsbereit. Es ist also weder eine aufwändige Inbetriebnahme noch Programmieraufwand notwendig. Kurz: Echtes Plug & Play! Dazu kommt, dass der Betrieb der aktiven Energiemanagementgeräte von Koch wartungsfrei ist. Sollte sich doch unerwarteter Weise ein Problem im System oder bei einer Komponente ankündigen, dann meldet sich der PXTRX und weist Industrie 4.0-tauglich auf mögliche kommende Risiken hin.