Entwurf einer Dressiergradregelung

Diplomarbeit von Matthias Flach

Einleitung:

Vor ca. 15 Jahren fiel der Startschuss zur Ablösung der Produktfamilie SIMATIC S5 der SIEMENS Aktiengesellschaft. Die Erfolgsmodelle der speicherprogrammierbaren Steuerungen SIMATIC S5 nimmt Siemens ‘Automation and Drives’ (A&D) seit dem 1. Oktober 2003 in mehreren Schritten aus dem Standard-Lieferprogramm. Die einzelnen SIMATIC S5-Produkte werden dabei zunächst zu ‘Auslaufprodukten’ erklärt, die danach nicht mehr im Katalog und in der SIEMENS-Mall zu finden sein werden. Hierdurch wurde eine Lawine ausgelöst, deren Ausmaß bis heute nicht absehbar ist. Für die seit über 20 Jahren gelieferte SIMATIC S5 - mit mittlerweile 2,6 Millionen verkauften Zentralbaugruppen, weltweit marktführend und Synonym für diese Technik - bietet die SIEMENS AG seinen Kunden seit 1996 eine Migrationsstrategie zu Totally Integrated Automation und SIMATIC S7 an. Die frühzeitig angekündigten Maßnahmen und eine bis zum 30. September 2015 laufende, langfristige Übergangsstrategie sollen den Siemens-Kunden ausreichend Zeit lassen, die aktuelle SIMATIC S7 Steuerungsgeneration in ihre Automatisierungslösungen einzubinden. Der Umbau der Anlage hat aber auch den Gesichtspunkt, dass die alte Steuerung keine große Regelungsgenauigkeit vorweisen kann. Desweiteren ist die S5 viel zu langsam. Die Reaktionszeit und die Prozesszeit bei der S7 sind wesentlich schneller. Mittel- bis langfristig sind alle Unternehmen gezwungen, ihre vorhandenen SIMATIC S5 - Steuerungssysteme durch die SIMATIC S7 Baureihe auszutauschen. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass nach und nach die Komponenten nicht mehr als Neuware lieferbar sind.

Die SIEMENS AG bietet zwar für einige Bauteile noch einen Support an, hierbei müssen aber die defekten Baugruppen ausgebaut und an die SIEMENS AG geschickt werden – S7 Bauteile sind dagegen noch am gleichen Tag neu zu beschaffen. Ein Anlagenstillstand (meist über mehrere Tage) ist hierbei unvermeidlich. Bereits 2007 waren 31% der Bauteile nicht mehr als Neuteil verfügbar. In naher Zukunft wird dies 100% aller Bauteile der Produktfamilie SIMATIC S5 betreffen (maximal bis 2015).

Auch bei den SPS Programmierern steigt stetig der Anteil derer, die nicht mehr fähig sind, innovativ eine S5 zu programmieren, ganz zu schweigen vom Nachwuchs, der nicht mehr an dieser Software ausgebildet wird. Häufig treten auch – je nach Alter der Anlage – Probleme mit den vorhandenen, meist veralteten Treibern z.B. COM 525 auf, die auch nur mit den verschiedenen COM Softwarepaketen programmierbar sind. Erschwerend kommt hinzu, dass heutige PCs nicht mehr ohne weiteres DOS fähig sind, ältere Treiber aber nur unter DOS programmierbar sind.

Wie in einer Marktwirtschaft üblich, sind bereits heute die Preise für S5 Bauteile weitaus höher, als deren äquivalenten S7 Baugruppen. Auch die Kosten für Wartung, Fehlersuche, Instandhaltung und Programmierung einer SIMATIC S5 Anlage sind im Vergleich wesentlich höher. Hier kann nicht auf schnelle und effiziente Möglichkeiten wie Fernwartung und Netzwerkunterstützung zurückgegriffen werden, was bei einer stetig weiterentwickelten SIMATIC S7 bereits integraler Bestandteil ist. Gerade unter dem Gesichtspunkt der Betriebssicherheit und der Produktionssicherung dürfen die oben genannten Fakten nicht unbeachtet bleiben.

Unternehmen, die an einer SIMATIC S5 Steuerung festhalten, gehen dadurch ein Risiko ein, welches nur schwer kalkulierbar ist. Daher sollte aufgrund von Produktions- und Prozesssicherheit, sowie der Vorbeugung eines Anlagenstillstands sorgfältig geprüft werden, ob eines der oben genannten Risiken eingegangen wird. Auch von einer reinen Erweiterung der vorhandenen SIMATIC S5 Anlage mit SIMATIC S7 Komponenten wird abgeraten, da hier zum Einen der Gefahr nicht verantwortungsvoll begegnet und zum Anderen das Niveau der gesamten Anlage im Kern nicht erhöht wird.

Natürlich birgt die Migration von SIMATIC S5 zu einer SIMATIC S7 eine höhere Investition in sich, als eine Instandsetzung der vorhandenen SIMATIC S5. Jedoch bleibt fraglich, ob diese Einsparung auch mittelfristig erhalten bleibt.

Ein Weiterer Vorteil einer SIMATIC S7 Migration ist sicherlich auch, dass dadurch alte Anlagenkonzepte neu überarbeitet werden können. Aber auch die Implementierung neuer und komplexerer Aufgaben wird weitaus kostengünstiger, teilweise sogar ohne Aufpreis.

Sollten sich Unternehmen dennoch für ein Festhalten an der bestehenden SIMATIC S5 Anlage entscheiden, ist dies nur zu empfehlen, wenn sich ein ausreichendes Portfolio an Bauteilen, Programmen und Programmiergeräten auf Lager gelegt wird.

Um jedoch langfristig die Wettbewerbsfähigkeit zu sichern und Kostensenkungspotentiale zu erschließen, sollte es im Interesse eines jeden Unternehmens liegen, seine Maschinenparks technisch auf dem neuesten Stand zu halten. Wie vielfältig inzwischen die Lösungen zur Modernisierung von Anlagen sein können, zeigt das Portfolio der SIEMENS AG.

Detaillierte Aufgabenstellung:

Der Wunsch des Anlagenbetreibers ist immer gleiches Regelverhalten, um die Konsistenz in der Qualität seiner Produkte in diesem Fall Stahl, gewährleisten zu können. Weil die Anforderungen z.B. in der Autoindustrie sehr hoch sind, die Toleranzen eng und der Wettbewerb groß, ist es erforderlich den Ausschuss zu minimieren und dadurch die Kosten zu senken.

Das bestehende VAI/ECKELMANN INTEL VME Spezialrechnersystem wird durch eine neue SIEMENS S7-400 mit einer CPU 414-3 DP und einer Regelbaugruppe FM458-1 abgelöst. Das Steuerungsprogramm der Auslauf - PLC (S5-135U) wird auf S7 portiert und in die CPU integriert. Die Schützensteuerung der Bürstvorrichtung und des Nasswäschers wird durch ein SPS-Programm in der CPU ersetzt.

Die bestehende Walzen-Bürstenvorrichtung wird im Auftrag von AMEH durch Firma Simpex auf Proportionalventiltechnik umgebaut und um analoge Druckreduzierungsventile, Freigabeventile für die Bürstenanstellung -Propventile und um Messungen der Anstelldrücke sowie um eine Filterverschmutzungsüberwachung ergänzt.

Die IEMA überließ mir folgende Aufgabenstellung:

‘Entwurf einer Dressiergradregelung’.

Positionen:

Das S5-Programm wurde neu strukturiert, auf S7 umgesetzt und in die neue S7-400-CPU implementiert. Durch Kombination mit der Regelbaugruppe FM458-1 und einer E/A-Ausgangserweiterung entstand eine funktionale Einheit aus migrierter Auslauf - SPS und den Funktionen des DG-BSRE. Die neue SPS wurde im Schrank +41FN13.B aufgebaut.

Umsetzung der S5 Programmelemente (Funktionsbausteine/ Funktionen) in S7 Funktionsbausteine (FB) mit den benötigten Funktionen (FC) mittels der Programmiersoftware STEP 7.

Es wurden spezielle Bausteine in C geschrieben die mit dem D7 Funktionsbaustein-Generator übersetzt und in Step7 CFC eingesetzt wurden.

Neuerstellung der zu den Funktionsbausteinen gehörenden Standardbildbausteine durch WinCC / komplette Überarbeitung.

Die angefertigte Arbeit stellt eine Dokumentation dar, in der Schritt für Schritt der Umbau sowie die Dressiergradregelung beschrieben wird.

Aufbau dieser Arbeit:

Nach dem ersten Kapitel – der Einleitung – schließt sich das Kapitel Technologischer Prozess an. In ihm wird der Aufbau der Anlage diskutiert. Im nächsten, dem dritten Kapitel, wird der Umbau der Anlage von S5 auf S7 (Migration) näher beschrieben bzw. erläutert. Es werden alle relevanten Dinge besprochen, die für den Anwender von Bedeutung sind (Aufbau des Datensatzes, Funktionsübersicht, Anwenderparameter). Auch die Verwendung und die Einbindung der neuen FM Baugruppe werden verdeutlicht.

Im vierten Kapitel wird der Entwurf der Dressiergradregelung näher beschrieben und erläutert. Zum Schluss wird auf die Theorie Stahlbearbeitung mit einer kurzen mathematischen Aufstellung eingegangen. Außerdem werden prinzipielle Details tabellarisch und stichpunktartig dargestellt. Nach dem fünften Kapitel findet man eine Zusammenfassung, sowie das Literaturverzeichnis.

Die Firmen:

IEMA:

IEMA Automationstechnik GmbH wurde 1997 gegründet und beschäftigt heute 25 Mitarbeiter in Österreich und 13 Mitarbeiter in Berlin. Die IEMA bietet seinen Kunden das Engineering und die Errichtung bzw. Modernisierung von Industrieanlagen.

Als fabrikatunabhängiges Ingenieurbüro für Automatisierungstechnik und elektrotechnischen Industrieanlagenbau ist IEMA weit über die österreichischen Grenzen hinaus tätig. Mit zahlreichen Anlagen beispielsweise in China, Finnland, Russland, Griechenland und Deutschland erreicht IEMA eine Exportquote von rund 70%. IEMA zählt zu den Know-how-Trägern in der Automatisierungsbranche und ist zertifizierter ‘Siemens specialist’.

Als Anlagenbau-Unternehmen und Ingenieurbüro für die Elektrotechnik, Mess- und Regeltechnik sowie der Automatisierung im industriellen Bereich bearbeitet die IEMA folgende Schwerpunkte:

Hütten- und Walzwerkstechnik.

Pharmaindustrie.

Chemieanlagen.

Prozesstechnische Öfen.

Verbrennungstechnische Anlagen und Großfeuerungsanlagen.

Petrochemie.

Glasindustrie.

Papier- und Zellstoffindustrie.

Umweltschutz.

Arcelor Mittal (Eisenhüttenstadt):

ArcelorMittal Eisenhüttenstadt ist ein erfolgreiches und leistungsstarkes Mitglied der ArcelorMittal Gruppe, dem größten Stahlkonzern der Welt.

ArcelorMittal Eisenhüttenstadt steht für Flexibilität, Zuverlässigkeit und Qualität. Als zuverlässiger Anbieter hochwertiger Güter und Serviceleistungen hat sich dieses Unternehmen bei seinen Kunden einen hervorragenden Ruf erworben. Zu diesen Kunden zählen namhafte Unternehmen der Automobil-, Haushaltsgeräte- und Bauindustrie. Ein bedeutender Absatzbereich ist die Automobilindustrie. Hochwertige oberflächenveredelte Karosseriebleche aus Eisenhüttenstadt findet man heute in vielen Automarken.

Vor über fünfzig Jahren entstand an der deutsch-polnischen Grenze das Eisenhüttenkombinat Ost, ein Roheisenwerk mit sechs Hochöfen. Heute ist ArcelorMittal Eisenhüttenstadt ein modernes integriertes Hüttenwerk mit hochtechnisierten Anlagen und Technologien.

Als größter industrieller Entwicklungskern in Ostbrandenburg sind etwa 3000 gut ausgebildete Mitarbeiter bei ArcelorMittal Eisenhüttenstadt von der Roheisenerzeugung bis zur Verarbeitung hochwertiger Flachstahlprodukte beschäftigt.

Inhaltsverzeichnis:

	Vorwort	I
	Danksagung	I
	Inhaltsverzeichnis	II
	Abbildungsverzeichnis	IV
	Tabellenverzeichnis	V
	Abkürzungsverzeichnis	VI
1	Einleitung	1
1.1	Grund der Arbeit	1
1.2	Detaillierte Aufgabenstellung	4
1.3	Aufbau dieser Arbeit	5
1.4	Die Firmen	5
2	Technologischer Prozess	7
2.1	Profibusübersicht	7
2.1.1	Profibusübersicht vor dem Umbau	7
2.1.2	Profibusübersicht nach dem Umbau	8
2.2	Übersicht Server/Client/SPS VZA1 – VLANs	9
2.3	Die Verzinkungsanlage 1	11
2.3.1	Technische Daten	11
2.3.2	Betriebsarten	12
2.4	Das Dressiergerüst	13
2.4.1	Funktion	13
2.4.2	Positionsregelung	14
2.4.3	Walzkraftregelung am DG	15
2.4.4	Kalibrieren des DG	16
2.4.5	Hydrauliksystem für das Dressiergerüst	17
2.5	Regelung der Biegestreckrichtanlage	18
2.5.1	Verspannzugregelung	18
2.5.2	Gesamtverformungsgradregelung	19
2.6	Allgemeine Bedingungen	20
2.6.1	Schweißnahtdurchlauf	20
2.6.2	Anticrimping – Rollen (ACR)	21
2.6.3	Streckrollenanstellung	21
2.6.4	Tippen der Spannrollensätze	21
2.6.4.1	Einlaufspannsatz Andrückrolle Rolle 1 und 4	22
2.7	Prozessrelevante Berechnungen ELC	22
2.7.1	Bandlängenberechnung	22
2.7.2	Zugmessung	23
2.7.3	Gesamtverformungsgradmessung	23
2.7.4	Minimalzug	24
2.7.5	Bandkennlinienberechnung	24
2.7.6	Schweißnahtberechnung	25
2.7.7	Linearisierung	25
2.8	Prozessrelevante Berechnungen HGC	26
2.8.1	Walzkraftmessung	26
2.8.2	Positionsmessung	26
3	Umbau der Anlage von S5 auf S7 (Migration)	27
3.1	Hardwarerealisierung	27
3.1.1	Die FM 458-1 DP	27
3.1.2	Die CPU 414-3 DP	28
3.1.3	Auslauf SPS = VN14	30
3.1.4	DG/BSRE - Rechner = VN13	31
3.1.5	Steuerstände und Pulte	32
3.1.6	Umbau der Schaltschränke	35
3.1.7	Bedienung Nasswäscher/Polierbürsten	37
3.1.8	Antriebe	37
3.1.9	EPLAN	38
3.2	Softwarerealisierung	39
3.2.1	Allgemeine Festlegungen	39
3.2.2	Was ist STEP 7?	40
3.2.3	Programmauszüge VZA1 Auslauf	42
3.3	Das Visualisierungssystem WinCC	45
3.4	Test der Anlage laut Prüfliste	48
4	Entwurf der Dressiergradregelung	50
4.1	Regelung Dressiergerüst HGC	50
4.2	Regelung Biegestreckrichter ELC.	52
4.3	Das alte C – Programm	54
4.3.1	Unterteilung des alten Programms	54
4.4	CFC (Continuous Function Chart)	55
4.4.1	Bausteinbibliothek in CFC	57
4.4.2	Entwurf des Bausteins ‘Grenzwertmelder’	58
4.5	Dressiergradregelung	61
4.6	Der iba – Analyzer	67
4.6.1	iba Auswertung des GVG	67
4.7	Nachträgliche Programmänderung	69
5	Theorie Stahlbearbeitung	70
5.1	Stahlbearbeitung	70
5.2	Dressieren.	73
5.3	Streckrichten.	74
5.4	Mathematische Aufstellung	75
6	Erkenntnisse / Erfahrungen	78
	Literaturverzeichnis	79

Textprobe:

Kapitel 3.1.4, DG/BSRE - Rechner = VN13:

Die früher am abgelösten Spezialrechner angebundenen Feldgeräte sind über die Ein-/Ausgangs-Erweiterung EXM 438-1 an die FM458-1 DP angebunden. Die Signale sind nicht direkt an der FM - Baugruppe, sondern über Interfacemodule mit vorkonfektionierten Steckleitungen an die EXM geführt.

Der Datenaustausch zwischen FM und CPU erfolgt über den P-Bus. Die FM ist dabei am Profi - Bus passiv und kann daher nicht direkt auf andere Baugruppen der SIMATIC - Station zugreifen. Die Hardware - E/As der FM werden über symbolische Adressen angesprochen.

Die in der Hardwarekonfiguration festgelegten symbolischen Adressen stehen in CFC zur Verfügung. Die iba - Anbindung der FM458-1 erfolgt über die Profibus DP - Schnittstelle zur Ankopplung von dezentraler Peripherie. Der PDA wurde von AMEH durch einen FM458-Request erweitert. Zur Kommunikation mit der LWS - SPS wird zusätzlich zur TCP/IP - Verbindung ein DP/DP - Koppler als Ersatz des verdrahteten E/A-Signalaustausches verwendet. Für den von der FM458-1 betriebenen Profibus wurde eine LWL - Strecke samt der beiden OLMs errichtet. Die unsymmetrischen Signale der Inkrementalgeber wurden mittels HTL - Pegelumsetzer auf TTL umgesetzt und somit für die Verwendbarkeit in der FM aufbereitet.