Warum die industrielle Ethernet-Kommunikation die Grundlage für eine zuverlässige Füllstandsmessung bei geschmolzenem Metall ist
In jeder Gießerei ist Beständigkeit das A und O. Die Qualität des Endprodukts hängt von Dutzenden von Variablen ab, die in jeder Phase des Gießprozesses gleichzeitig innerhalb präziser Toleranzen gehalten werden müssen. Unter diesen Faktoren ist die Regelung des Schmelzmetallstands einer der entscheidenden. Wenn der Füllstand schwankt, reichen die Folgen weit über ein einzelnes Gussteil hinaus.
Die Kosten der Instabilität
Ein schwankender Schmelzmetallstand ist eine der häufigsten Ursachen für Gussfehler. Die Gründe dafür sind in der Branche allgemein bekannt. Wenn der Füllstand in einer Gießrinne oder einer Form über die zulässigen Grenzen hinaus schwankt, ändert sich die Füllgeschwindigkeit. Die Turbulenzen nehmen zu. Die Oxidbildung beschleunigt sich. Die Oberflächenqualität verschlechtert sich. Beim Gleichstromguss können instabile Füllstände während der kritischen Füllphase zu Kaltverschlüssen, Porosität oder einer ungleichmäßigen Kornstruktur im gesamten Block führen.
Für die Mitarbeiter in der Fertigung erfordert ein instabiler Füllstand ständige Aufmerksamkeit. Manuelle Anpassungen führen zu neuen Unwägbarkeiten. Jeder Eingriff, so geschickt er auch sein mag, birgt ein gewisses Maß an Unsicherheit, das bei einem automatisierten System nicht auftritt. Im Laufe eines Produktionsdurchlaufs summieren sich diese Eingriffe. Die Wiederholbarkeit des Prozesses wird beeinträchtigt. Das Risiko menschlicher Fehler steigt.
Die wirtschaftlichen Folgen sind deutlich spürbar: erhöhte Ausschussquoten, höherer Energieverbrauch durch unnötiges Umschmelzen, ungeplante Ausfallzeiten und geringerer Durchsatz. Keine dieser Folgen ist unvermeidbar.
Warum die Kommunikationsgeschwindigkeit die Steuerungsqualität bestimmt
Eine zuverlässige Füllstandsregelung hängt nicht nur von der Genauigkeit des Sensors oder der mechanischen Präzision des Stellglieds ab. Diese Eigenschaften sind zwar wichtig, werden jedoch wirkungslos, wenn die Datenübertragung zwischen ihnen langsam oder unzuverlässig ist.
Betrachten wir einmal, wie dies in der Praxis abläuft. Ein Laserkamerasensor erkennt eine Abweichung des Schmelzmetallstands. Diese Messung muss über die Kommunikationsschnittstelle an das Steuerungssystem weitergeleitet werden, das die Daten verarbeitet, die erforderliche Korrektur berechnet und einen Befehl an den Aktuator sendet. Der Aktuator reagiert daraufhin. Von der Erkennung bis zur Korrektur führt jede Millisekunde Verzögerung zu einer zusätzlichen Prozessschwankung.
In herkömmlichen Systemen, die auf analoge Signalübertragung oder ältere serielle Kommunikationsprotokolle setzen, stellt diese Verzögerung eine bekannte Einschränkung dar. Das Signal wird übertragen. Die SPS liest es im nächsten Abtastzyklus. Der Aktor erhält seinen Befehl im darauffolgenden Zyklus. Bis die Korrektur erfolgt ist, hat sich der Prozess bereits weiterentwickelt. Das Steuerungssystem reagiert somit praktisch immer auf einen vergangenen Zustand des Prozesses und nicht auf dessen aktuellen Zustand.
Industrial Ethernet verändert dies grundlegend.
Wie Industrial Ethernet den Kreis schließt
Protokolle wie PROFINET und EtherNet/IP sind für den deterministischen Hochgeschwindigkeits-Datenaustausch in industriellen Umgebungen konzipiert. Im Gegensatz zu analogen Signalen, die einen einzelnen Wert mit fester Auflösung übertragen, überträgt Industrial Ethernet strukturierte Datenpakete mit Zeitstempeln, Statusinformationen und Diagnosedaten – und das alles in Echtzeit.
Wenn ein Precimeter-Sensor über Industrial Ethernet kommuniziert, wird der Füllstand direkt innerhalb eines einzigen Netzwerkzyklus an die SPS übertragen, was je nach Konfiguration in der Regel zwischen einer und zehn Millisekunden dauert. Das Steuerungssystem reagiert sofort. Der Stellantrieb erhält seinen Korrekturbefehl ohne Verzögerung. Der Prozess bleibt stabil.
Dies ist keine schrittweise Verbesserung. Es handelt sich um eine strukturelle Veränderung hinsichtlich der Reaktionsfähigkeit des Regelkreises. Je schneller und zuverlässiger die Daten fließen, desto präziser ist die Regelung. Je präziser die Regelung, desto gleichmäßiger ist die Leistung der Gießerei.
Der Vorteil der Integration
Über die reine Geschwindigkeit hinaus bietet Industrial Ethernet einen weiteren Vorteil, der im modernen Gießereibetrieb immer wichtiger wird: die nahtlose Integration in die bestehende Automatisierungsinfrastruktur.
Die meisten modernen SPS- und SCADA-Systeme basieren auf Industrial Ethernet als primärem Kommunikationsstandard. Wenn Sensoren und Aktoren dasselbe Protokoll verwenden wie das übergeordnete Steuerungsnetzwerk, ist die Integration unkompliziert. Es müssen keine Schnittstellenwandler gewartet, keine Signalaufbereitungsgeräte kalibriert und keine analogen Verkabelungen auf Fehler überprüft werden.
Dies hat praktische Bedeutung. Eine Gießerei, die neue Sensoren installiert oder Aktoren aufrüstet, sollte in der Lage sein, diese an das bestehende Netzwerk anzuschließen, ohne die Steuerungsarchitektur neu gestalten zu müssen. Sensoren und Aktoren von Precimeter unterstützen PROFINET und EtherNet/IP als Standard- oder optionale Schnittstellen, sodass sie in die meisten Produktionsumgebungen integriert werden können, ohne dass dafür nennenswerter zusätzlicher Entwicklungsaufwand erforderlich ist.
Das Ergebnis ist ein Steuerungssystem, das mit dem Wachstum des Betriebs mitwächst. Zu einem einzelnen Sensor, der heute den Füllstand der Gießrinne überwacht, können weitere Sensoren am Auslauf des Ofens, auf Höhe der Gussform und entlang des Verteilungssystems hinzukommen – alle integriert in einen einheitlichen Regelkreis, der den gesamten Gießprozess über eine einzige Schnittstelle steuert.
Eine Grundlage für weitere Automatisierung
Vernetzte Gießereianlagen bilden zudem die Grundlage für die weitere Automatisierung. Die von über Industrial Ethernet vernetzten Sensoren und Aktoren generierten Daten – Positionswerte, Füllstandsmessungen, Temperaturwerte, Alarmzustände und Durchflusskorrekturen – dienen nicht nur dem unmittelbaren Regelkreis. Sie werden als Prozessprotokoll gespeichert.
Anlageningenieure können diese Daten analysieren, um Muster zu erkennen, Gussrezepturen zu verfeinern, vorausschauende Wartungsmaßnahmen zu planen und die Prozessparameter im Laufe der Zeit zu optimieren. Der Übergang zu Industrie 4.0 in der Aluminiumproduktion erfordert genau diese Art von strukturierten, mit Zeitstempeln versehenen Daten, die vom Produktionsbereich in die Analysetools fließen. Gießereien, die jetzt in vernetzte Anlagen investieren, schaffen damit die Dateninfrastruktur, die eine kontinuierliche Verbesserung über Jahre hinweg ermöglichen wird.
Der Precimeter-Ansatz
Bei der Entwicklung der Sensoren und Aktuatoren von Precimeter wird die Integration von Industrial Ethernet von vornherein berücksichtigt und nicht erst nachträglich hinzugefügt. Die ProH-Laserkamerasensor-Familie, der ProH Twin Delta für Brammenform-Anwendungen, der ProLAD für Gießkanal- und Ofenumgebungen sowie das gesamte Aktuator-Sortiment, einschließlich des TXP-10-Auslaufventils, des PXP-2EM-Stiftpositionierers und des GXP-10-Absperrventils, unterstützen alle PROFINET und EtherNet/IP.
Das bedeutet, dass eine komplette Lösung zur Füllstandsregelung – vom Sensor bis zum Stellantrieb –, die von einem MLC-A1-Einzelpunkt-System oder einer maßgeschneiderten MLC-ADV-Anlage gesteuert wird, auf einem einzigen Kommunikationsprotokoll aufgebaut und nahtlos in die SPS-Architektur integriert werden kann, die bereits den Rest der Produktionslinie steuert.
Für Gießereien, die eine Modernisierung ihrer Füllstandsregelungssysteme in Betracht ziehen, entscheidet die Kommunikationsebene darüber, ob die Investition in Präzision erhalten bleibt oder verloren geht. Ein hochpräziser Sensor, dessen Daten über eine langsame oder unzuverlässige Schnittstelle übertragen werden, kann nicht die Regelungsqualität liefern, zu der er eigentlich fähig ist. Industrial Ethernet beseitigt diesen Engpass.
Das Gespräch beginnen
Wenn die Stabilität Ihres Gießprozesses oberste Priorität hat und die Kommunikationsarchitektur, die Ihre Sensoren und Aktoren mit Ihrem Steuerungssystem verbindet, in letzter Zeit nicht überprüft wurde, lohnt es sich zu prüfen, ob die derzeitige Konfiguration die Leistung einschränkt, für die Sie bereits bezahlen.
Precimeter arbeitet mit Gießereien in jeder Phase der Automatisierung zusammen, von der ersten Integration bis hin zu umfassenden System-Upgrades, und berät Sie gerne hinsichtlich der für Ihren spezifischen Prozess und Ihre SPS-Umgebung am besten geeigneten Kommunikationskonfiguration.
Kontaktieren Sie uns unter sales@precimeter.com , um Ihre Anforderungen zu besprechen.
