Mit der rasanten technologischen Entwicklung im nationalen und internationalen Infrastruktursektor steigt die Marktnachfrage nach Produkten aus synthetischen Diamanten, wie z. B. Diamantsägeblättern, Schleifscheiben und Schleifmitteln. Entsprechend gewinnen Anlagen zur Herstellung synthetischer Diamanten zunehmend an Bedeutung. Die Sechskant-Diamantpresse, die sich durch einfache Bedienung und vergleichsweise niedrige Produktionskosten auszeichnet, hat sich dabei einen bedeutenden Marktanteil im Inland gesichert. 1. Synthetische Diamanten entstehen durch die Veränderung der Atomstruktur von Graphit unter hohem Druck und hoher Temperatur, katalysiert durch einen Katalysator. Die Sechskant-Diamantpresse nutzt mechanische und hydraulische Vorrichtungen, um Druck aus sechs Richtungen auf die Mitte der Haupteinheit auszuüben. Durch die Einwirkung des Hartmetallhammers im Zentrum der Haupteinheit werden die Rohmaterialien in einen geschlossenen, kubischen Hochdruckraum geformt. Gleichzeitig erhitzt eine elektrische Heizvorrichtung diesen Raum und erzeugt so die für die Synthese synthetischer Diamanten erforderlichen hohen Temperaturen und Drücke. Der Betrieb der Anlage erfordert die Koordination des elektrischen Steuerungssystems mit den mechanischen und hydraulischen Systemen zur Ausführung einer Reihe von Aufgaben. Das elektrische Steuerungssystem regelt primär das Hydrauliksystem, bestehend aus großen und kleinen Kolbenpumpen und über zwanzig Magnetventilen sowie elektrischen Heizelementen, um verschiedene Betriebsmodi wie Automatik-, Segment- und Regelbetrieb zu realisieren. Die gesamte Anlage kann als typisches integriertes mechanisch-elektrisch-hydraulisches Produkt betrachtet werden. 2. Hardware-Design des elektrischen Steuerungssystems der Presse: Herkömmliche elektrische Steuerungssysteme für Diamantpressen bestehen aus Logikschaltkreisen mit fast dreißig Zwischenrelais, Zeitrelais, Schützen und anderen Niederspannungskomponenten unterschiedlicher Modelle und Spezifikationen. Dies führt nicht nur zu einer hohen Ausfallrate, sondern auch zu einer aufwendigen Wartung. Bei Anpassungen der Produktionsprozesse und der damit verbundenen Änderung der Steuerungslogik muss die Hardwareverdrahtung modifiziert werden, was Änderungen äußerst kompliziert macht. Die mechanischen und hydraulischen Systeme der gesamten Presse, von den Rohmaterialien bis zu den Komponenten, wurden inzwischen deutlich verbessert. Im Gegensatz dazu stellt das veraltete elektrische Steuerungssystem einen Engpass dar, der die Produktionsentwicklung behindert. Anfang der 1970er-Jahre setzte die amerikanische Automobilindustrie im Zuge der Produktionsentwicklung erstmals erfolgreich speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) zur automatischen Steuerung von Produktionslinien ein. In den 1980er-Jahren wurden SPS mit Mikroprozessoren ausgestattet, wodurch ihre Funktionen erweitert und verbessert sowie Miniaturisierung und sogar Ultraminiaturisierung erreicht wurden. Heute sind SPS in verschiedenen Branchen weit verbreitet. Nach eingehender Evaluierung wurde die Hitachi E-64HR-Serie als Hauptsteuereinheit für die Entwicklung eines neuen elektrischen Steuerungsmodus für die Presse ausgewählt. Die E-64HR verfügt über 64 E/A-Ports, davon 40 digitale Eingänge und 24 Ausgänge. Ihr integrierter, elektrisch löschbarer EEPROM ermöglicht es Anwendern, Programme und Parameter einfach zu ändern und zu speichern. Die SPS steuert Pumpen, Magnetventile und Heizgeräte automatisch anhand des Signalstatus von Tastern, Endschaltern, Manometern, Schützen und anderen an die jeweiligen Eingangsports angeschlossenen elektrischen Komponenten sowie der benutzerprogrammierten Software, um den gesamten Produktionsprozess zu automatisieren. Das interne Schaltbild der einzelnen Eingänge des E-64HR ist in Abbildung 1 dargestellt. Optokoppler verhindern effektiv externe Störungen. Die Eingangsspannung beträgt 21,6–26,4 V DC, der Eingangsstrom 10 mA. In sieben Jahren Überwachung und Wartung hunderter Pressen traten keine Fehlalarme aufgrund von Fehlfunktionen der Eingangseinheit auf, was die Zuverlässigkeit der Schaltung belegt. Das interne Schaltbild des Ausgangs ist in Abbildung 2 dargestellt. Bei Verwendung des Relaiskontakt-Ausgangs beträgt die Spulenspannung 21–27 V DC, die Leistungsaufnahme 10 mA, die Kontaktbelastbarkeit 2 A und die durchschnittliche Lebensdauer über 200.000 Schaltzyklen. Es können direkt Komponenten mit geringer Leistungsaufnahme wie Schützspulen, Magnetventilspulen und Kontrollleuchten angesteuert werden. Um den zuverlässigen Betrieb des Ausgangsrelais zu gewährleisten, sind RC-Snubber parallel zu allen Spulenlasten geschaltet. Bei der Reparatur defekter SPSen, die von Anwendern zurückgesendet wurden, stellten wir fest, dass über 70 % der Fehler weiterhin in der Ausgangseinheit auftraten. Eine Fehlerursache war das Durchbrennen des internen Varistors, die andere das Durchbrennen der Ausgangsrelaiskontakte. Untersuchungen und Analysen vor Ort ergaben, dass die Stromqualität einiger Betriebe in der Gemeinde mangelhaft war. Die ursprüngliche Konstruktion nutzte eine beliebige Phase des Stromnetzes zur Versorgung des Ausgangsports mit den benötigten 220 V Wechselstrom, was zu starken Spannungsschwankungen und in der Folge zu den genannten Hardwarefehlern führte. Später wurde die Stromversorgung des Ausgangsportantriebs über das geregelte Netzteil des Heizgeräts umgestellt, wodurch das Auftreten solcher Fehler effektiv reduziert wurde. Zusammenfassend lassen sich aus den Erfahrungen verschiedener Regionen und Anwendertypen folgende Erkenntnisse gewinnen: Die überlegene Leistung und die gute Störfestigkeit von SPSen sind allgemein anerkannt. Voraussetzung für die optimale Nutzung dieser Vorteile ist die korrekte Auslegung der Stromversorgung und des Schutzleiters. SPSen verwenden eine direkte 220-V-Wechselstromversorgung. Ihr internes Netzteil verfügt über relativ vollständige Stabilisierungs-, Gleichrichtungs- und Filterschaltungen. Dennoch ist ein Trenntransformator erforderlich, um die Stromversorgung zu isolieren und so zu verhindern, dass unter rauen Betriebsbedingungen Störungen eindringen. Dies erhöht die Systemzuverlässigkeit. Ein Trenntransformator vom Typ BKC-220/220V (60–100 VA) ist in der Regel geeignet. Weiterhin ist zu beachten, dass alle SPSen verschiedener Hersteller über einen separaten Erdungsanschluss (GND) verfügen. Dieser Anschluss dient als Schutzleiter für die gesamte Maschine. Anwender sollten idealerweise eine separate Erdungselektrode (Erdungswiderstand < 100 Ω, Erdungskabellänge < 20 m) installieren und auf die korrekte Positionierung der Erdungselektrode achten. Einige Anwender verbinden sie mit dem Außengehäuse des elektrischen Geräts oder gar mit dem Neutralleiter, was ein schwerwiegender Fehler ist. Dadurch wird nicht nur keine ausreichende Abschirmung gewährleistet, sondern es entsteht auch eine potenzielle Gefahrenquelle. In einer Fabrik in Xinhe, Provinz Hebei, wurde versehentlich der Erdungsanschluss an die Erdungselektrode des Blitzschutzsystems angeschlossen. Während eines Gewitters führte dies zu einer Überspannung, die mehrere SPS-Steuerungen in der Werkstatt vollständig zerstörte. Obwohl die Bedienungsanleitung diesen Fehler ausdrücklich erwähnte, wurde er von vielen Anwendern übersehen, was zu unnötigen Kosten führte. Gängige Sechskant-Toppressen verfügen üblicherweise über zwei Kolbenpumpen: eine große (11 kW) und eine kleine (1,5 kW). Die kleine Pumpe dient primär der Druckhaltung während der Druckhaltephase und verhindert übermäßige Druckschwankungen durch die große Pumpe, die die Qualität des Diamantwachstums beeinträchtigen könnten. Experimente zeigten, dass durch den Einsatz eines Frequenzumrichters zur Drehzahlregelung der großen Pumpe und den Verzicht auf die kleine Pumpe zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich Druckhaltung, Diamantwachstum und Gesamtenergieverbrauch erzielt wurden. Obwohl diese Lösung aus Marktgründen nicht weit verbreitet war, ist die Kombination von SPS, Frequenzumrichtern, Druck- und Temperatursensoren sowie Niederfrequenz-Netzteiltechnik zur signifikanten Verbesserung der elektrischen Steuerung ein unaufhaltsamer Trend in der zukünftigen technologischen Entwicklung. Die SPS-Software muss gemäß dem Hydraulikdiagramm und den Prozessanforderungen folgende Aktionen ausführen: Nach Betätigung des Startknopfes fahren die drei Kolbenzylinder unter Hydraulikdruck vor. Beim Erreichen der vordefinierten Position stoppt ein Endschalter die drei Zylinder nacheinander. Nach einer kurzen Pause werden alle sechs Zylinder gleichzeitig unter Druck gesetzt, um eine Pyrophyllit-Dichtungskammer zu bilden. Kurz darauf wird der Druck durch den Druckverstärker erhöht. Sobald ein bestimmter Druck erreicht ist, wird die Dichtungskammer aktiviert und aufgeheizt, und ein Heiztimer startet. Gleichzeitig steigt der Druck weiter bis zum Haltedruck, und ein Haltedrucktimer startet. Tritt währenddessen ein Druckverlust auf, gleicht eine kleine Pumpe den Druck automatisch aus. Nach Ablauf der Heiz- und Haltezeiten wird das System drucklos gemacht, und die sechs Zylinder kehren in ihre Ausgangspositionen zurück. Damit ist ein Arbeitszyklus abgeschlossen. Während des Programmiervorgangs wurde häufig der Befehl „FUN03“ der E-Serie verwendet, wie im Kontaktplan dargestellt. Hierbei sind 6, 215 und T00 die Codes für externe Eingangssignale, SPS-Zwischenrelais und SPS-Zeitrelais. Diese werden gemäß den erforderlichen UND/ODER-Beziehungen mit dem Set-Anschluss (S-Anschluss) von „FUN03“ verbunden. Wenn das Eingangssignal am S-Anschluss 1 ist, z. B. 5 + 6 · 11 = 1, wird das entsprechende Ausgangs-Zwischenrelais 200 auf 1 gesetzt. Selbst wenn der S-Anschluss 0 ist, bleibt 200 auf 1. Nur wenn 215 · 23 · 18 = 1 ist, d. h. wenn der R-Anschluss von „FUN03“ auf 1 gesetzt wird, wird 200 auf 0 gesetzt. Daher kann diese Funktion mit einem RS-Flipflop beschrieben werden. Während der Programmierung wird der interne Ausgangspunkt der nächsten Aktion (z. B. 201) mit dem Reset-Anschluss (R) des vorherigen internen Ausgangspunkts (z. B. 200) verbunden. Dadurch wird der vorherige Ausgang gesperrt, sobald eine neue Aktion angeschlossen wird. Die oben genannten Ausgänge von „FUN03“, wie z. B. 200 und 201, werden dann logisch kombiniert, um die Ausgangsrelais von SPSen wie 50 und 51 anzusteuern und so periphere Niederspannungsgeräte wie Magnetventile und AC-Schütze zu steuern. Diese Konstruktion verhindert nicht nur Fehlfunktionen und gegenseitige Störungen der Ausgangsrelais in verschiedenen Stufen, sondern vermeidet auch den häufig in der SPS-Programmierung auftretenden „Doppelspulenfehler“. Muss die Aktionsfolge aufgrund von Prozessänderungen angepasst werden, genügt es, den Steuermodus des entsprechenden „FUN03“ zu ändern, was Prozessänderungen erheblich vereinfacht. Auch wenn einige SPS-Modelle keine vergleichbaren „FUN03“-Funktionen besitzen, lässt sich der beschriebene Ansatz dennoch weiterentwickeln. Dies wird in einem separaten Artikel detailliert erläutert. Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung mit SPS-Steuerungen verschiedener Hersteller und Modelle unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen hat sich dieser Ansatz als sehr erfolgreich erwiesen. Darüber hinaus haben wir diese Methode einigen Servicetechnikern vorgestellt, die sie anerkannt und bestätigt haben. 3. Fazit: SPS-Steuerungen haben sich als deutlich vorteilhafter erwiesen als die ursprüngliche Relaissteuerung und werden von Herstellern und Anwendern gleichermaßen akzeptiert. Zwischen 1993 und 1996 entwickelte sich diese Presse zu einem der wichtigsten Produkte des Kohlebergbaumaschinenwerks Shijiazhuang und generierte erhebliche wirtschaftliche Vorteile für das Werk. Statistiken der Pressenanwender zeigten, dass relaisgesteuerte Pressen aufgrund elektrischer Störungen durchschnittlich 4 Stunden pro Woche ausfielen, was zu einem durchschnittlichen jährlichen wirtschaftlichen Verlust von ca. 8.000 Yuan pro Presse führte. SPS-gesteuerte Pressen hingegen boten einen stabilen Betrieb und einfache, übersichtliche E/A-Anzeigen, wodurch der Wartungsaufwand deutlich reduziert wurde. Die Ausfallzeit aufgrund elektrischer Störungen sank auf durchschnittlich 20 Minuten pro Woche. Darüber hinaus erforderten Prozessänderungen lediglich Programmanpassungen, was Zeit sparte und den Anwendern erhebliche wirtschaftliche Vorteile brachte. Viele Anwender älterer Pressen baten um Unterstützung bei der Nachrüstung ihrer Maschinen mit SPS-Steuerungen, was den Erfolg des Einsatzes von SPS-Steuerungen bei Diamantpressen unterstreicht.