Das Auf- und Abwickeln von Papier, Folie, Draht, Blech oder Textilien ist ein auf den ersten Blick unscheinbarer Teil vieler technologischer Prozesse. Bei genauerem Hinsehen stellt man jedoch fest, dass dieser Fertigungsschritt häufig über die Qualität des Produktes entscheidet. Gerade deshalb muss das Auf- und Abwickeln so einfach wie möglich „abgewickelt“, sprich realisiert werden können. Eine sehr effiziente Möglichkeit, unterschiedlichste Wickelaufgaben umzusetzen, bieten elektronisch geregelte Elektroantriebe. Sie sind heute ohnehin in den meisten modernen Produktionsanlagen enthalten. Warum also nicht gleich die dafür verfügbaren Projektierungs-/Engineering- Werkzeuge zur Realisierung von Wickleraufgaben nutzen? Genau diese Frage haben sich die Ingenieure von Siemens gestellt und als Antwort darauf für die aktuelle Antriebsgeneration Sinamics S120 eine Standard-Applikation „Wickler“ erstellt, mit der sich anspruchsvolle Aufgaben schnell und flexibel lösen lassen. Die Umsetzung der Wickler-Applikation direkt im Antriebssystem hat gegenüber einer externen Lösung einen grundlegenden Vorteil: Sie entlastet die überlagerte Steuerung von Rechenaufgaben. So bleiben Ressourcen für andere Aufgaben frei. Mitunter ist dadurch sogar eine Steuerung mit geringerer Leistung einsetzbar. In jedem Fall entfällt dadurch ein Großteil der Kommunikationslast zwischen Steuerung und Antrieb. Als Folge der damit einhergehenden Beschleunigung in punkto Reaktions- und Zykluszeiten kann die Steuerung oder Regelung schneller und präziser erfolgen, was je nach Anwendung letztlich die Produktivität und/oder die Wickelqualität erhöht.

Wickeln mit und ohne Sensorik

Eine Wickler-Lösung besteht üblicherweise aus einem Wickler-Antrieb, einer Warenbahn und gegebenenfalls einer Sensorik. Aufgabe ist es, die Warenbahn mit definiertem Zug auf- beziehungsweise abzuwickeln, wobei sich der Wickeldurchmesser kontinuierlich ändert. Das elektronische Antriebssystem berechnet den aktuellen Durchmesser anhand mehrerer Systemvariablen und steuert die Motordrehzahl so, dass der Zug der Warenbahn konstant bleibt. Dafür müssen die Geschwindigkeit der Warenbahn und die Drehzahl der Wicklerachse bekannt sein. Werden höchste Ansprüche an die Performance und Zuggenauigkeit gestellt, bietet sich der Einsatz zusätzlicher Sensorik an – beispielsweise einer Tänzerrolle oder Zugmessdose. Die beschriebene Standardapplikation ist für so genannte Zentralwickler mit einer zentralen Antriebswelle für den Wickel konzipiert. Diese sind zwar regelungstechnisch schwieriger zu beherrschen als Kontaktwickler, allerdings die effektivere – da mechanisch wesentlich einfachere – Variante. Die Standard-Applikation unterstützt verschiedene Regelungsverfahren, darunter die indirekte Zugregelung (Drehmomentensteuerung), die direkte Zugregelung mit Tänzerrolle und Drehzahlkorrektur sowie die Zugkraftregelung mit Momentenbegrenzung beziehungsweise mit Drehzahlkorrektur. Damit deckt sie annähernd 90 % aller Wickler-Anwendungen ab.

Per Drag & Drop verknüpfte Funktionsbausteine – hier für die Durchmesser-Berechnung – lassen sich einfach parametrieren und für spezifische Aufgaben auch vom Anwender modifizieren.

Grundlage der Standard-Applikation ist das so genannte Drive Control Chart (DCC), ein Modul des grafischen Antriebs- Projektierungs-Werkzeugs „Starter“ für die Sinamics-S120-Familie. Hierauf aufsetzend haben die Antriebstechnik- Experten bei Siemens einen DCCPlan für Wickler-Anwendungen realisiert, mit dessen Hilfe relevante, multi-instanzfähige Funktionsbausteine aus einer Standardbibliothek einfach per Drag & Drop miteinander verknüpft wurden. Der Anwender parametriert lediglich die spezifischen Parameter, wie zum Beispiel Materialgeschwindigkeit und -beschleunigung, und legt das Regelungsverfahren fest.

Die Standard-Applikation übernimmt die Aufbereitung aller für die Ansteuerung der Wicklerachse notwendigen Signale wie Drehzahlen, Drehmomente sowie Drehmomentenbegrenzungen und integriert dazu folgende wicklerspezifische Funktionen:

Durchmesser-Rechner

Er dient unter anderem der Umrechnung der Bahngeschwindigkeit in die entsprechende Motordrehzahl. Der aktuelle Durchmesser ergibt sich aus dem Verhältnis von Bahn-Sollgeschwindigkeit und Ist-Drehzahl.

Wickelhärten-Kennlinie

Sie kommt zum Einsatz, wenn der Materialzug bei steigendem Durchmesser der Wicklerrolle abnehmen soll. Die Wickelhärten-Kennlinie ist abhängig vom aktuellen Durchmesser. Zur Berechnung steht die maximale Zugabschwächung im Unendlichen oder bei maximalem Durchmesser zur Auswahl.

Regler-Adaption

Mit dieser Funktion lässt sich zum einen die Reglerverstärkung des Zugreglers in Abhängigkeit vom Durchmesser anpassen, zum anderen die Regler-Verstärkung des Drehzahlreglers im Antrieb abhängig vom Trägheitsmoment der Wicklerrolle. Auf diese Weise können auch volle Wickel dynamisch verfahren werden.

Beschleunigungs-Vorsteuerung

Um dynamischer auf Geschwindigkeitsänderungen zu reagieren, kann während der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase des Materials ein Kompensationsmoment – resultierend aus variablem und konstantem Trägheitsmoment – auf den Antrieb geschaltet werden. Dies verhindert Zugeinbrüche oder Zugüberhöhungen während der Geschwindigkeitsänderung. Eine Beschleunigungs-Vorsteuerung ist vor allem bei der indirekten Zugregelung notwendig, aber auch bei der Zugregelung mit Zugmessdose.  

Reibungskompensation

Reibungsverluste lassen sich einfach per parametrierbarem Polygonzug mit zehn Stützpunkten kompensieren, die bei der Inbetriebnahme zu ermitteln sind. Bei Sinamics S120 besteht die Möglichkeit, diese automatisch aufzuzeichnen.

Manövrieren und Tippen

Der Manövrier-Eingang kann beispielsweise mit einem Analog-Eingang verbunden werden und erlaubt ein prozentuales Verstellen des Bahngeschwindigkeits-Sollwerts. Im Tippbetrieb lässt sich ein Bahngeschwindigkeits-Sollwert über die Schnittstelle direkt vorgeben beziehungsweise einer von zwei festen Tipp-Sollwerten anwählen.

Bahnriss-Erkennung

Die Bahnriss-Erkennung ist bei eingeschalteter Zugregelung aktiv und abhängig von der Regelungsart unterschiedlich gestaltet. Nach einem Bahnriss wird der Durchmesser-Rechner angehalten, der Zugbetrieb abgeschaltet und die Freigabe des Zugreglers zurückgenommen. Mit den geschilderten Funktionen stehen praktisch alle zur effizienten Umsetzung individueller Wickelaufgaben nötigen Hilfsmittel zur Verfügung – und dies in einfach erlernbarer Form. Damit können auch Einsteiger ohne langwierige Einarbeitung in die Technologie Zentralwickler für anspruchsvolle Lösungen erstellen. Anwender, die bereits Erfahrung im Umgang mit den Tools haben, können darüber hinaus den der Standard-Applikation zugrundeliegenden DCC-Plan beliebig modifizieren und so auch sehr spezifische Wickelaufgaben direkt im Antrieb lösen.

Eine tabellarische Übersicht mit den Kriterien zur Auswahl des geeigneten Regelkonzeptes finden Sie hier.

Regelungsverfahren nach Maß

Technologischer Kern der Standard-Applikation „Wickler“ sind verschiedene Zugregelungsverfahren: Die indirekte Zugregelung ist weit verbreitet, weil hierbei auf Sensorik verzichtet werden kann. Die Funktionsweise ist wie folgt: Der Zug-Sollwert wird mit dem aktuellen Radius des Wickels multipliziert und das Ergebnis direkt als Momentengrenzwert vorgegeben. Ergo nimmt das Motormoment mit steigendem Durchmesser linear zu und der Zug wird konstant gehalten, indem der Drehzahlregler übersteuert betrieben wird. Wichtig ist eine genaue Kompensation der Reibungsund Beschleunigungsmomente, damit der vorgesteuerte Momenten-Sollwert in möglichst guter Annäherung zum gewünschten Materialzug führt.

Bei der direkten Zugregelung mit Tänzerrolle und Drehzahlkorrektur wird die Warenbahn über eine Tänzerrolle geführt. Die Tänzerrolle ist bestrebt, das Material mit einer definierten Kraft auszulenken. Die Auslenkung (Tänzerlage) wird von einem Potentiometer erfasst und dient als Maß für den Materialzug. Der dem Drehzahlregler überlagerte Tänzer-Lageregler führt den Lage-Istwert der Tänzerrolle dem Lage-Sollwert nach (zum Beispiel Tänzer-Mittellage). Der Lageregler gibt dazu einen Geschwindigkeitskorrektur- Sollwert auf den Drehzahlregler. Der Lage-Sollwert wird in der Regel als Festwert parametriert. Bei Tänzern mit pneumatisch oder hydraulisch verstellbarer Abstützkraft lässt sich eine abnehmende Wickelhärte über die Wickelhärten-Kennlinie realisieren. Dazu steht das Ausgangssignal der Wickelhärten- Kennlinie zur freien Verfügung. Der Tänzer kann gleichzeitig als Warenspeicher dienen und dämpfend wirken – etwa bei unrundem Materialwickel (Höhenschlag), bei Lagensprüngen (Wickeln von Kabeln) oder Rollenwechseln.

Bei der direkten Zugregelung mit Zugmessdose über Momentengrenzen wird der Materialzug direkt per Zugkraftmessgeber erfasst und ausgeregelt. Wie bei der indirekten Zugregelung arbeitet der Drehzahlregler im Antrieb übersteuert, das heißt der Antrieb befindet sich an einer der beiden Momentengrenzen und wird darüber geregelt. Der Korrekturwert aus dem Zugregler wirkt auf diese Momentengrenzen. Zusätzlich werden auf die Momentengrenzen Sollwerte von der Beschleunigungsvorsteuerung, der Wickelhärtenkennlinie und der Reibkennlinie verschaltet.

Kurzum: Bei der direkten Zugregelung ist kein Eingriff in die Warenbahn nötig und keine Warenspeicherfunktion möglich. Auch bei der direkten Zugregelung mit Zugmessdose und Drehzahl-Korrektur erfasst man die Zugkraft über eine Zugmessdose und führt sie als Istwert auf den Zugregler. Dabei wirkt der Ausgang des Zugreglers jedoch als Geschwindigkeits-Korrekturwert auf den Drehzahlregler. Beschleunigungsmoment, Reibmoment und Zugkraft werden vorgesteuert.

Autor:
Alexander Schädlich ist Applikationsingenieur in der Geschäftseinheit Motion Control Systems bei Siemens.