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Zustandskontrolle bei der Leuchtmittelfertigung

Ambulante Wartung

Der aus Sicht der Ressourceneffizienz ideale Zeitpunkt für die Wartung einer Maschine ist die letzte Schichtpause vor einem Ausfall. Diesem Ziel kann man nahe kommen, wenn nicht nur das fertige Produkt überprüft, sondern die entscheidenden Prozessgrößen kontinuierlich überwacht werden. Genau das gelingt Osram bei der Leuchtmittelfertigung.



Bild:Osram AG

Der Glaskolben eines Leuchtmittels verlangt Prozessschritte, die aus der Glasbläserei bekannt sind. Ein Rohling, hier ein kurzes Glasrohr, wird unter ständigem Drehen über einer Flamme erhitzt und dabei teils gezogen, teils gestaucht und an der gewünschten Stelle aufgeblasen. Im automatisierten Prozess wird das Glasrohr horizontal in einer Art Drehbank eingespannt und über einer Flamme erhitzt. Viele dieser Aufnahmen sind auf einem Rundläufer angeordnet und durchlaufen nacheinander Positionen, an denen Edelgas eingeblasen wird und die Spindelachsen zum Stauchen zusammenfahren. Dabei wird die Temperatur der Flamme über eine Rezepturregelung und IR-Kamera im idealen Bereich gehalten. 2.000 Grad Celsius sind nötig, um Quarzglasrohre sauber verformen zu können, und bei diesen Temperaturen entsteht ein SiO2-Dampf (Quarzrauch), der sich als harte Ablagerung unter anderem auf die Spindelachsen niederschlägt und diese im Lauf der Zeit schwergängiger macht. Dadurch kommt es beim Stauchen des Glasrohrs zu undefinierten Verformungen.

Zur Entdeckung der Geometriefehler am fertigen Glaskörper wird eine Kamera eingesetzt. Die Schwergängigkeit der Produktaufnahme im Prozess kann aber auch andere Ursachen haben, zum Beispiel fehlende Wärme oder mehr Material durch dickere Wandstärken des Glaskolbens. Bis zum Zeitpunkt der Identifizierung ‚Geometriefehler aufgrund schwergängiger Produktaufnahmen‘ sind ohne Überwachungsmöglichkeiten also viele Bediener-Eingriffe in die Maschinenparametrierung notwendig, bis letztendlich die Glaskolben wieder fehlerfrei hergestellt werden können. Neben dem erhöhten Ausschluss werden also auch die Kapazitäten der Maschineneinrichter gebunden.

Erkennung im Sekundentakt

Beim Condition Monitoring ergibt sich die Aufgabenstellung, diese wartungsbedingte Schwergängigkeit der Produktaufnahme als eine von vielen Ursachen eines Geometriefehlers eindeutig zu identifizieren. Dazu bietet sich die Strommessung an dem Zustellmotor an, der die Spindel zur Stauchung bewegt. Auf der Suche nach geeigneten Aufnehmern stieß Osram EE auf Motprotect von Elzet 80, eigentlich gedacht zur Blockage-Erkennung an Kartonpressen. Es generiert bei einstellbaren Warn- und Überlastschwellen Schaltsignale, gibt aber zu Diagnosezwecken auch eine stromproportionale Frequenz aus. Einfach den Überlastausgang zu verwenden kommt prozessbedingt nicht in Frage, da beim schnellen Zurückfahren der Motorstrom höher ist als beim Stauchen. Der Stauchantrieb greift am Maschinentisch in die ‚vorbeikommende‘ Produktaufnahme ein, sodass der Stromverlauf unterschiedlichen Mechaniken entspricht, im aktuellen Beispiel überwiegend unterschiedlichen Quarzrauch-Ablagerungen auf der Zustellspindel. Man erkennt, dass die Stromspitzen einer schlechten Einheit nicht den Strom während der Rückfahrt überschreiten.

Die Analyse erfordert einen Bediener, der die Stromkurven begutachtet und die Unterschiede im Durchschnittsstrom erkennt – bei einer Taktrate im 3sec-Bereich ist das aber kaum zumutbar. Bei einer automatisierten Analyse ist es also nötig, die Strombetrachtung an Ereignisse aus dem Prozess zu binden. Dazu setzt Osram EE die Messdaten-Erfassungs-Software Ipemotion ein. Diese kann Messwerte über analoge und digitale Eingänge einlesen, aber auch auf Ethernet-Ports Daten annehmen und Siemens-SPS-Symboltabellen importieren. Die Software wurde so konfiguriert, dass das SPS-Signal für ‚Stauchen Start‘ die Integration des Stromsignals von Motlog startet und bei ‚Stauchen Ende‘ der im Intervall geflossene Durchschnittsstrom einer Schwellwertbetrachtung unterzogen wird.



Stromverlauf am Zustellmotor für drei Glaskolben-Aufnahmen. Der für die Zustandsbeurteilung interessante Bereich ‚Stauchen‘ ist im Diagramm dunkel hinterlegt. Man erkennt, dass die Stromspitzen einer schlechten Einheit nicht den Strom während der Rückfahrt überschreiten. Bild: Osram AG

Maschine signalisiert Bedarf

Das System signalisiert dem Maschinenführer bei einem Durchschnittsstrom ab 150mA in der Stauchphase: ‚Wartung von Glaskolben-Aufnahme 23 einplanen‘. Wird der Strom noch höher, kann der Bediener einzelne Positionen sperren. Dadurch kann die Maschine weiterlaufen, wenn auch mit leicht verminderter Leistung, durch die nun nicht mehr bestückte schwergängige Aufnahme. In der nächsten Produktionspause erfolgt dann die Reinigung der Aufnahmeeinheit ohne Produktionsausfall. Motlog ermöglicht Messfrequenzen bis einem Kilohertz und misst auf zwei Eingängen gleichzeitig.

Die Übertragung der Messwerte erfolgt alternativ zum Frequenzausgang auch mit 4 bis 20mA. Die für günstigere Anbindung erfolgt durch die Ethernet-Schnittstelle, über die in jeder Millisekunde ein Datensatz mit Zeitstempel und den zwei Messwerten abgesendet wird. Die Motorphase muss nicht mehr durch den Stromtransformator gezogen werden, stattdessen können Klappstromwandler auf die bestehende Verdrahtung aufgeclipt werden. Deren niedriger Innenwiderstand erlaubt die Leitungsführung zum Beispiel mit Patch-Kabel über mehr als 50 Meter. Motlog verfügt über zwei Schnellabschalt-Ausgänge und ein eingebautes DataFlash für ein lokales Log im unbeaufsichtigten Betrieb. Die Konfiguration wird über den eingebauten Webserver realisiert. Konfigurationsdaten können im Gerät und auf dem Bediener-PC gespeichert werden, sodass für wechselnde Anforderungen vorgefertigte Konfigurationen zur Verfügung stehen. Das Gerät ist unabhängig von der eingestellten IP-Adresse über ein Device Discovery-Dienstprogramm im Firmennetz auffindbar.

Detektivarbeit, die sich lohnt

In einem Produktionsbetrieb gibt es viele Stellen, an denen Condition Monitoring möglich ist. So ist es oft Detektivarbeit, die für eine feste Installation besonders lohnenden Anlagen zu finden. Osram EE hat daher einen Messkoffer konzipiert, der konzernweit eingesetzt wird und auch an externe Interessenten verkauft wird. Neben einer Ipemotion-Installation sind dort die typischen Sensoren für die Messung von Temperatur, Schwingung und Strom enthalten, Sondersensorik ist auf Anfrage erhältlich. So existieren Plug-ins, um die Daten von Vakuumpumpen abzufragen. In einem IPEmotion-Diagramm können anschließend Kurven und Ereignisse übereinander gelegt und verrechnet werden, um damit Zusammenhänge sichtbar zu machen, die außerhalb des Fokus der zustandsorientierten Wartung liegen. Damit hat sich aus der Suche nach einer Wartungsoptimierung oft gleich eine Prozessoptimierung ergeben.

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