Intelligentes System für perfekte Formen

SIMATIC Target 1500S in der Metallbearbeitung. Mit intelligenten Regelungskonzepten verkürzen Ostseestaal und die Hochschule Wismar Bearbeitungszeiten beim Umformen von Metallblechen.
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Herausforderung

Komplexe Formen effizient fertigen

Die Produkte von Ostseestaal kommen nicht nur bei Gebäuden, sondern auch in Kunstwerken zum Einsatz: So wurden die Skulpturen der Expo Mailand und die Skulptur „The Wings“ des amerikanischen Architekten Daniel Libeskind in der Konzernzentrale der Siemens AG in München mit individuell geformten Metallplatten verkleidet, auch der Ölbaum an der Fassade des Kongresszentrums in Doha wurde aus Einzelteilen gestaltet, die das Stralsunder Unternehmen speziell anfertigte.

Mit einer innovativen, modellbasierten Regelung Metallbleche präzise und schnell verformen

„Wir produzieren Einzelteile nach den Anforderungen unserer Auftraggeber, die sehr spezielle Anforderungen an die Form und Oberflächenqualität haben. Dabei stießen wir mit unseren vorhandenen Umformsystemen in Extrembereichen an technische, aber auch wirtschaftliche Grenzen – deswegen haben wir mit den Hochschulen Wismar und Stralsund ein Forschungsprojekt angestoßen, um solche komplexen Geometrien effizient formen zu können”, erklärt Harry Schellhorn. Er ist bei Ostseestaal Leiter des Forschungsprojektes, bei dem mit einer Vielstempelpresse und einer innovativen Regelung die Bearbeitungszeiten und -qualität der zu fertigenden Elemente gesteigert werden sollten.

Oft ist jedes einzelne Metallteil ein Unikat – und entsprechend aufwändig ist die Formgebung, so Schellhorn weiter: „Bislang haben wir die Bleche von Hand in Form gepresst, mit entsprechend langen Rüst- und Bearbeitungszeiten – zwischen einer halben und einer Stunde dauert der ganze Prozess. Das Material der Bleche, meist Aluminium oder Edelstahl, ist in sich inhomogen und daher wird das Ergebnis des Pressvorgangs von vielen Parametern beeinflusst, sodass eine automatische Umformung eine sehr komplexe Regelung erfordert, die es so bislang nicht gab. 

Ostseestaal und Hochschule Wismar

Innovation für die 3D-Umformung

Mit ihrem Forschungsprojekt setzen Ostseestaal und die Hochschule Wismar eine lange Tradition bei Industrie und Ingenieurwissenschaften in Mecklenburg-Vorpommern fort: Seit mehr als 100 Jahren ist Wismar Stätte praxisbezogener Ingenieurausbildung.

Das richtige Team für eine effiziente, automatische 3D-Verformung von Metallblechen

Teil der Forschung in Wismar ist auch der Arbeitsbereich Automatisierungstechnik und Mechatronik. Die Kombination aus Industrie-Know-how und Entwicklungskompetenz war einer der entscheidenden Erfolgsfaktoren bei der Entwicklung der neuen Regelung.

Das in Stralsund ansässige Unternehmen Ostseestaal ist spezialisiert auf die Herstellung komplexer dreidimensional geformter Bauteile. Insbesondere mit Produkten für Architektur, Schiffbau, erneuerbaren Energien und im Bereich Industrie hat das Unternehmen in den vergangenen Jahren seinen Ruf als innovativer und kompetenter Partner für die Metallbearbeitung gefestigt. Innovation und Tradition gehen dabei Hand in Hand – wie auch die Zusammenarbeit mit der Hochschule Wismar.

Für die Vielzahl an Einzelformen, die wir hier aus Metallblechen formen, brauchen wir eine flexible und effiziente Lösung.
Harry Schellhorn, Projektleiter, Ostseestaal GmbH & Co. KG
Lösung

Modellbasierte Reglerentwicklung mit SIMATIC

Als Bediengerät fungiert hierbei ein Windows basierter SIMATIC IPC mit integriertem Software Controller und Visualisierungssoftware. Damit lassen sich die insgesamt 48 Hydraulikstempel der Presse exakt regeln.

Automatische Generierung komplexer Regelungsfunktionen

Da die Lösung sehr kompakt ist, kann der Bediener an der Presse sowohl das Leica-Messsystem als auch die Presse von einem Gerät aus beobachten und bedienen. Der Regelalgorithmus für die Fuzzy Control Toolbox aus Simulink wird automatisch von SIMATIC Target 1500S in einen entsprechenden Funktionsbaustein gewandelt, der das Laden und Ausführen der Funktionen aus dem Steuerungsprogramm übernimmt.

Kernstück der Lösung ist ein SIMATIC IPC Panel-PC, auf dem sowohl das Windows-Betriebssystem als auch der SIMATIC S7-1500 Software Controller installiert sind. Ein SIMATIC ET200M System verbindet die Analog- und Digitalbaugruppen für die Ansteuerung der Hydraulikstempel, Sensoren und Hydraulikpumpen der Presse und dem Messsystem mit der Steuerung. Über das Touch-Display des Panel-PC kann der Bediener einfach die Sollwerte vorgeben und sieht auf einen Blick den Status jedes einzelnen Stempels.

Die Hydraulikstempel der Presse können ungeregelt lediglich im Zentimeterbereich positioniert werden. Um eine Genauigkeit von einem Millimeter zu erreichen, entwickelte die Hochschule Wismar einen speziellen Regelalgorithmus. Da die Proportionalventile der Hydraulikzylinder ein nichtlineares Stellverhalten besitzen und die Sollgröße ohne Überschwingen erreicht werden muss, verwendete das Team einen Fuzzy-Regler. Nachdem der Regler in Simulink erzeugt und parametriert wurde, wird er mit SIMATIC Target 1500S in das Engineering Framework TIA Portal geladen wo automatisch ein Funktionsblock erzeugt wird, der genau wie andere SPS interne Funktionsblöcke aufgerufen wird.

Mit der SIMATIC Steuerung und dem Fuzzy-Regler können wir die Hydraulikstempel mit der geforderten Genauigkeit positionieren.
Alexander Martens, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Hochschule Wismar
Kundennutzen

Ohne Umwege zur passenden Lösung

„Wir sind begeistert!“ – Das ist das knappe Fazit von Alexander Martens, Promotionsstudent und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule Wismar. Der Reglerentwurf ließ sich direkt in der SPS umsetzen und funktionierte mit nur kleinen Optimierungen auf Anhieb.

Integrierte Lösung erleichtert Umsetzung sowohl in der Versuchsanlage als auch Produktionsbetrieb

Auch Harry Schellhorn ist überzeugt: „Ohne die Entwicklung der Regelung in Simulink und in Verbindung mit dem SIMATIC Target 1500S wäre diese Qualität und Genauigkeit nicht zu erreichen gewesen.“

Für das Projektteam bestand der große Vorteil von SIMATIC Target 1500S in der automatischen Umsetzung des Reglerentwurfs in der SPS, so Dr. Olaf Hagendorf, Projektleiter von der Hochschule Wismar: „Einen vergleichsweise komplexen Regelalgorithmus, wie er für diese Applikation notwendig war, kann von Hand nur mit einem erheblichen Aufwand für die SPS programmiert werden – und dabei besteht einfach das Risiko, dass man Fehler macht. Mit SIMATIC Target 1500S erzeugen wir den Funktionsbaustein automatisch und garantiert fehlerfrei. Die Zeitersparnis ist dadurch enorm.“

Für Harry Schellhorn war zunächst einmal das Ergebnis des Projektes wichtig: Die Regelung der Hydraulikstempel arbeitet so genau, wie es Ostseestaal vorgegeben hat, und auch die Qualität insgesamt entspricht den Erwartungen. Er hat aber auch schon den Einsatz der Pressenanlage in der Produktion im Blick, und hier profitiert Ostseestaal von der SIMATIC-Plattform der Lösung: „Bei uns setzen wir nahezu durchgängig SIMATIC-Steuerungen ein, und dank SIMATIC Target 1500S können wir auch die neue, komplexere Pressensteuerung mit der gleichen Technologie implementieren.“ Aber auch die Hochschule Wismar wird SIMATIC Target 1500S weiter einsetzen, so Hagendorf weiter: „Wir arbeiten in der Automatisierungstechnik mit SIMATIC, in der Regelungstechnik mit MATLAB und Simulink. Mit SIMATIC Target 1500S können wir jetzt unsere beiden Ausbildungsschwerpunkte enger verzahnen, wodurch auch die Qualität in der Lehre steigen wird.“

SIMATIC Target 1500S war einfach unverzichtbar, um unsere Vorstellungen umzusetzen und die Ziele von Ostseestaal zu erreichen.
Dr. Olaf Hagendorf, Projektleiter, Hochschule Wismar

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