Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt den Produktionsprozess von papierkaschierten Gipskartonplatten in China sowie die neuesten Technologien und Entwicklungstrends von elektrischen Steuerungssystemen für Gipskartonplatten. I. Einleitung: Seit der Inbetriebnahme der ersten kontinuierlichen, automatisierten Produktionslinie für papierkaschierte Gipskartonplatten mit einer Jahreskapazität von 4 Millionen m² im Jahr 1978 haben die Fachkräfte der chinesischen Gipskartonindustrie in den letzten 20 Jahren große Anstrengungen unternommen, um die Serienfertigung, die großflächige Produktion und die Automatisierung von Produktionslinien für papierkaschierte Gipskartonplatten in China zu realisieren. So wurde erfolgreich eine Produktionslinie mit einer Jahreskapazität von 30 Millionen m² entwickelt. Dieser Artikel beschreibt das elektrische Steuerungssystem dieser Produktionslinie. II. Systemübersicht: Das elektrische Steuerungssystem der 30 Millionen m² großen Produktionslinie für papierkaschierte Gipskartonplatten (Hauptlinie) ist gemäß den Produktionsprozessmerkmalen und dem Produktionslinienlayout in vier Hauptbereiche unterteilt: Dosier- und Formgebungsbereich, Schneid- und Trocknungsbereich, Fertigprodukttransportbereich und übergeordneter Rechner. Die untergeordnete SPS jedes Bereichs kommuniziert über Feldbus mit dem Frequenzumrichter und dem Servoregler. SPS, HMI und Host-Rechner sind über Industrial Ethernet zu einem vollständigen Produktionssteuerungssystem verbunden. Konfigurationsbeispiel: 1. Dosier- und Formgebungsbereich: Dieser Bereich umfasst die Steuerung von drei Komponenten: Dosieren, Formen und Hauptliniengeschwindigkeit. Diese sind weitgehend unabhängig, aber miteinander verbunden. Das Steuerungssystem besteht aus einer untergeordneten SPS, einem HMI und einem Frequenzumrichter. Das SPS-System besteht aus einem SLC5/05-Hauptrack und einem Erweiterungsrack. Die SPS kommuniziert über DeviceNet-Feldbus mit dem Frequenzumrichter und über Industrial Ethernet mit dem HMI und dem Host-Rechner. Diese Steuereinheit besteht aus zwei Steuerschränken, sechs Feldbedienkästen und mehreren lokalen Tastenfeldern, nämlich: Formgebungssteuerschrank 1C1, Dosiersteuerschrank 1C2, Feldbedienkästen 1B–3B für Band und Förderrollen, Bedienkasten 4B für Plattendickeneinstellung, Bedienkasten 1A1 für obere Papierzufuhr, Bedienkasten 1A2 für untere Papierzufuhr sowie lokalen Start-/Stopp-Tastern und Not-Aus-Tastern für die Motoren. Die zum Steuerungssystem gehörende, aber an der Prozessanlage angebrachte elektrische Steuerungstechnik umfasst: Bandwaagensteuerschrank 1C3, Korrekturbedienkasten 609C1 für obere Zufuhr, Korrekturbedienkasten 609C2 für untere Zufuhr, Staubabsaugsteuerkasten CH2–4 usw. Die Dosierung von Gipsplatten erfolgt in trockene und feuchte Materialien. Die Dosierung von trockenen Materialien umfasst die vorgegebene Steuerung und automatische Anpassung der Mischung aus Gipspulver, Additiven, Stärke, Beschleuniger, Treibmittel und Wasser-Zellstoff-Gemisch. Die Dosierungsmenge ist proportional zur Formgeschwindigkeit, das Verhältnis bleibt konstant. Die Dosierung von Baugipspulver erfolgt mittels Spiralschieber, Impellerförderer, Schneckenförderer, Becherwerk und Dosierbandwaage. Nach dem Start des Dosiersystems startet, stoppt und regelt die SPS die Drehzahl der einzelnen Motoren entsprechend den Prozessanforderungen. Gleichzeitig wird die Dosierrate über die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) eingestellt. Das Analogausgangsmodul der SPS gibt ein 4-20-mA-Signal an die Dosierbandwaage aus, die daraufhin die Dosierrate entsprechend steuert. Die Dosierbandwaage übermittelt außerdem die momentanen und kumulierten Dosierraten zurück an die SPS, welche diese über die Kommunikation auf der HMI und dem Host-Rechner anzeigt. So können Bediener und Manager den Prozess online überwachen und die Dosierrate entsprechend anpassen. Die Dosierung von Additiven, Stärke und Beschleunigern erfolgt im Wesentlichen analog und besteht aus einer drehzahlgeregelten Schneckenförderanlage, einem Mischmotor, einem Impellerförderer und einem Becherwerk. Das Steuerungsverfahren ähnelt dem für die Gipsherstellung, mit dem Unterschied, dass das 4-20-mA-Signal des Analogausgangsmoduls der SPS direkt an die Drehzahlregelungsschnecke gesendet wird. Die SPS passt die Förderleistung der Schnecke automatisch anhand der auf der HMI eingestellten Formel an. Die dosierten Pulver werden in Schneckenförderer und Mischschneckenförderer und schließlich in einen Vertikalmischer geleitet, wo sie mit der Suspension vermischt werden. Nach gründlichem Mischen gelangt die Mischung zum nächsten Formgebungsprozess. Die Nassmaterialien bestehen hauptsächlich aus Zellstoff, Treibmittel, Wasser und Additiven. Das Steuerungssystem umfasst einen hydraulischen Pulper, eine Zellstoffschneckenmühle, eine Mischwasserpumpe, einen Zellstoffmischer, eine Zellstoffschneckenpumpe, eine Treibmittel-Dosierpumpe, eine Treibmittel-Förderpumpe, eine Treibmittel-Förderpumpe, eine Treibmittel-Förderpumpe, eine Silikonöl-Dosierpumpe und eine Silikonöl-Förderpumpe. Basierend auf den über die HMI eingestellten Anteilen gibt das Analogausgangsmodul der SPS ein 4-20-mA-Signal an die Dosierpumpen der verschiedenen Suspensionen aus, um deren Fördermenge zu steuern. Gleichzeitig passt die SPS das analoge Eingangssignal automatisch anhand der Rückmeldungen der jeweiligen Durchflussmesser an und bildet so einen geschlossenen Regelkreis. Verschiedene Pulver und Suspensionen verfügen über Füllstands- oder Flüssigkeitsstandanzeigesignale, die die einzelnen Chargenprozesse gemäß den Prozessanforderungen verriegeln und steuern. Der Formgebungsbereich ist hauptsächlich für die Formgebung von Nassgipsplatten zuständig. Die Steuerungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Formtisch, einer Papierrollenhebevorrichtung, einer Papieraufnahmeplattform, einem Papierspeicher, einer Auszugsvorrichtung, einer Spannvorrichtung, einer Papierschneidevorrichtung, einer Abweichungskorrekturvorrichtung, einer Rillmaschine, einer Kantenheizung, einem Vertikalmischer und einem Rütteltisch. Im Normalbetrieb befindet sich die Hebewalze des Papierspeichers in ihrer oberen Endposition, und eine bestimmte Menge Deckpapier ist im Papierspeicher vorgehalten. Die Auszugsvorrichtung, angetrieben von einem Frequenzumrichter, zieht das Deckpapier aus dem Papierspeicher. Neben der Ausgleichswalze der Auszugsvorrichtung ist ein Spannungsmesssystem installiert; dessen Signal dient als Spannungsrückmeldung zur Anpassung der Drehzahl des Auszugsmotors. Wenn die Papierrolle fast leer ist, erfolgt die Papieraufnahme. Dabei greift die elektromagnetische Bremse der Papierspeicherwalze die Zuführwalze, während sich die Aufnahmewalze absenkt und gegen die Zuführwalze drückt, um den Karton zu fixieren. Der Vertikalmischer besteht aus einem Hauptmischmotor und zwei Seitenmischmotoren. Die Mischung aus dem Dosiersystem wird gründlich vermischt und anschließend vom Mischerauslass auf den Rütteltisch geleitet. Die Hochgeschwindigkeitsvibration der Vibrationswalzen verteilt die Masse gleichmäßig, bevor sie in die Formvorrichtung gelangt. Die Formvorrichtung besteht aus einem Formmechanismus, einem Dickenverstellmotor und einem Positionssensor. Im Normalbetrieb fällt die Formplatte auf die voreingestellte Dicke, und das obere und untere Papier mit der Masse durchlaufen den Formtisch. So wird die Gipsplatte nassgeformt. Die Plattendicke wird über Tasten am Bedienfeld eingestellt, das mit einer Dickenanzeige ausgestattet ist, die die Produktdicke auf beiden Seiten der Formplatte anzeigt. Der Bediener kann die Dicke manuell einstellen. Die Hauptlinie besteht aus zwei Erstarrungsbändern und einem Rollenförderer. Diese drei Komponenten benötigen synchronisierte Lineargeschwindigkeiten. Aufgrund der hohen Kosten von Servoantrieben und der relativ geringen Anforderungen an die Präzision der Produktionsliniensteuerung wird eine Regelung mit einem Frequenzumrichter eingesetzt. Die SPS berechnet den Sollwert für jede Komponente mittels PID-Regler und übermittelt diesen anschließend digital über DeviceNet an die jeweiligen Frequenzumrichter, wodurch eine synchronisierte Drehzahlregelung erreicht wird. 2. Schneid- und Trocknungsbereich: Dieser Bereich umfasst die Steuerung von vier Komponenten: Schneiden, Quertransport, Ofenbeschickung und Trockenofen. Das Steuerungssystem besteht aus einer SPS, einem HMI, einem Frequenzumrichter und einem Servoregler. Das SPS-System besteht aus einem SLC5/05-Hauptschrank und zwei Erweiterungsschränken. Die SPS kommuniziert über den DeviceNet-Feldbus mit dem Frequenzumrichter und dem Servoregler sowie über Industrial Ethernet mit dem HMI und dem Host-Rechner. Diese Steuereinheit besteht aus neun Schaltschränken, einer Feldkonsole, einem Feldbedienfeld und mehreren lokalen Tastenfeldern: 2C1 (Quer- und Instrumentierungs-Schaltschrank), 2C2 (Klapp-Schaltschrank), 2C3 (Ofenbeschickungs-Schaltschrank), 2C4–2C6 (Lüfter-Schaltschränke), 2C7 (Hauptantriebs-Schaltschrank), 2C8 (Ölpumpen-Schaltschrank), 2C9 (Schneid-Schaltschrank), 2T (Feldkonsole), 2A (Schneid-Feldbedienfeld) sowie lokalen Motor-Start/Stopp-Tastenfeldern und Not-Aus-Tastenfeldern. Die Schneidsteuerung führt den Zuschnitt der Gipskartonplatten nach der Voreinstellung der feuchten Platten durch. Der Schneid-Schaltschrank schneidet die Gipskartonplatten automatisch und kontinuierlich mit der über die HMI auf der 2T-Bedienplattform eingestellten Schnittlänge und einer Genauigkeit von ±1 mm. Die Steuereinheit umfasst eine Schneidemaschine mit oberen und unteren Schneidnaben, einen AC-Servoantrieb, eine SPS für die separate Schnittsteuerung, Längen- und Geschwindigkeitsgeber sowie fotoelektrische Winkelsensoren. Der Servoantrieb verwendet einen Controller mit integrierter elektronischer Kurvenscheibe, die komplexe Konturkurven verarbeiten kann. Da er jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Kurvenscheiben gleichzeitig programmieren kann und die Prozessanforderungen beliebiger Schnittlängen nicht vollständig erfüllt, dient er als präziser innerer Drehzahlregler. Der gesamte Schnittsteuerungsalgorithmus wird von einer separaten SPS realisiert. So können der äußere Positionsregelkreis, bestehend aus Längen- und Drehzahlgeber sowie einem fotoelektrischen Winkelgeber, und der innere Drehzahlregelkreis, bestehend aus dem Servoregler, die Anforderungen an die Prozessgenauigkeit vollständig erfüllen. Selbstverständlich muss die Drehzahlschwankung der Hauptlinie innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten werden, was die Robustheit des Steuerungssystems beeinflusst. Gleichzeitig sind am Schneidesteuerschrank manuelle Eingriffe erforderlich, wie z. B. manuelles Schneiden, manuelles Nullstellen, Probeschneiden und die Steuerung der Verriegelung mit der Vorschubwalze. Der Abschnitt für die Quertransportsteuerung regelt primär die Beschleunigung, die Plattenzuführung, das Wenden, den Quertransport und den Plattenauswurf der geschnittenen Gipskartonplatten. Aufgrund der sehr hohen Geschwindigkeit der Hauptlinie müssen die zugeschnittenen Gipsplatten zunächst gruppenweise über den Beschleunigungsrollenförderer zum Plattenzuführungsrollenförderer transportiert werden. Bevor die erforderliche Anzahl an Plattengruppen auf dem Beschleunigungsrollenförderer erreicht ist, läuft dessen Frequenzumrichtermotor synchron mit der von den Misch- und Formungsbereichen übertragenen Geschwindigkeit der Hauptlinie. Sobald die gewünschte Anzahl an Plattengruppen erreicht ist, beschleunigt der Förderer auf Hochgeschwindigkeit und bleibt dabei synchron mit dem Plattenzuführungsrollenförderer. Nachdem die letzte Gipsplatte der aktuellen Gruppe vollständig auf dem Plattenzuführungsrollenförderer angekommen ist, synchronisiert sich der Beschleunigungsrollenförderer wieder mit der Hauptlinie und startet einen neuen Zyklus. Sobald ein Satz Gipsplatten auf dem Zuführungsrollenförderer liegt, bremst dieser ab und hält an einer festgelegten Position. Der Rollenrahmen des Zuführungsrollenförderers senkt sich ab, und das erste Förderband zieht die Gipsplatte seitlich heraus. Dann hebt sich der Rollenrahmen des Zuführrollenbandes, und das Rollenband beschleunigt auf hohe Geschwindigkeit, um die nächste Charge Gipsplatten aufzunehmen. Gleichzeitig kippt der Kippmechanismus die Gipsplatten vom ersten Querförderband auf das zweite Querförderband. Dieses transportiert die Gipsplatten zu einer festgelegten Position, wo es anhält und auf die nächste Charge wartet. Sobald die nächste Charge Gipsplatten auf das zweite Band gekippt ist, laufen das zweite und dritte Querförderband gleichzeitig und befördern beide Chargen Gipsplatten zum Auslaufrollenband. Anschließend hebt sich der Rollenrahmen des Auslaufrollenbandes, und das Rollenband beschleunigt auf hohe Geschwindigkeit. Die beiden Chargen Gipsplatten werden dann über das Konvergenzrollenband sauber in die Ofenbeschickung geführt. Damit ist die Steuerung der Querförderung abgeschlossen. Die Ofenbeschickung führt die Gipsplattengruppen in einer vorgegebenen Reihenfolge dem Trockenofen zu. Die Steuereinheit besteht aus einem Hubmotor für die Verteilerbrücke, einem Fördermotor für die Verteilerbrücke und Fördermotoren für jede Ebene des Trockenofens. Der Hubmotor der Verteilerbrücke hält zunächst an der vordefinierten Ebene an. Sobald die Gipskartonplatte über den Fördermotor der Verteilerbrücke in den Trockenofen gelangt, startet der Fördermotor der entsprechenden Ebene, transportiert die Gipskartonplatte zur gewünschten Position und stoppt dort. Anschließend wird die Gipskartonplatte vom Hauptantriebsmotor langsam in den Trockenofen gefahren. Gleichzeitig wird der Hubmotor der Verteilerbrücke durch einen Absolutwertgeber an der Rückseite seiner Welle präzise positioniert und stoppt exakt an der Ebene, in die die nächste Platte eingeführt werden soll. Der Trockenofen ist in drei Zonen unterteilt. In jeder Zone wird die Umluft mittels Wärmeträgeröl über einen Wärmetauscher erwärmt, wodurch die Feuchtigkeit in den Gipskartonplatten durch die Umluft im Trockenofen verdunstet. Die Temperaturregelung erfolgt durch eine SPS anstelle der herkömmlichen Instrumentensteuerung. Die Messwerte der Zuluft-Ein- und -Auslasstemperaturen jeder Zone des Trockenofens werden ebenso wie die Feuchtigkeitsmesswerte jeder Zone an die SPS übermittelt. Die SPS steuert mithilfe eines spezifischen Algorithmus die jeweiligen Wärmeträgeröl-Regelventile, um die Prozessparameter jeder Zone zu erfüllen. Gleichzeitig ermöglicht das HMI am 2T-Bedienfeld die komfortable zentrale Korrektur der PID-Parameter jedes Regelventils, den manuellen/automatischen Betrieb sowie die Bedienung des Handgeräts. Die Drehzahl des Hauptantriebsmotors des Trockenofens wird automatisch an die Produktionsliniengeschwindigkeit und die tatsächlichen Prozessparameter jeder Trockenofenzone angepasst. Aufgrund der sehr hohen Leistung der Gebläsemotoren werden diese zudem mit Sanftanlaufgeräten gesteuert. 3. Fertigproduktförderung: Dieser Bereich umfasst im Wesentlichen die Steuerung von drei Komponenten: Ofenentleerung, Fertigproduktförderung und Stapelung. Das Steuerungssystem besteht aus einer SPS, einem HMI und einem Frequenzumrichter. Das SPS-System besteht aus einem SLC5/05-Hauptschrank und zwei Erweiterungsschränken. Die SPS kommuniziert über Industrial Ethernet mit dem HMI und dem Host-Rechner. Das Steuergerät umfasst zwei Schaltschränke, eine Feldbedienkonsole, drei Feldbedienkästen und mehrere lokale Tastenfelder. Konkret handelt es sich um den Schaltschrank 3C1 für die Ofenentladung, den Schaltschrank 3C2 für Förderung und Stapelung, die Feldbedienkonsole 3T, den Bedienkasten 3A1 für den horizontalen Maschinenfahrmechanismus, den Bedienkasten 3A2 für die Kantenbearbeitung, den Bedienkasten 3A3 für die Stapelung sowie lokale Start-/Stopp-Taster und Not-Aus-Taster. Die Ofenentladung steuert die Reihenfolge der aus dem Trockenofen austretenden Gipsplatten. Das Steuergerät besteht aus den Fördermotoren für jede Plattenlage, den Ofenentladungsleitblechen, den elektromagnetischen Kupplungen und mehreren Förderbändern. Die wichtigste Steuerungsanforderung für den Ofenausgang ist das FIFO-Prinzip (First-In, First-Out). Daher muss die SPS eine FIFO-Warteschlange mit Freigabesteuerung und dynamischer Speicherfunktion implementieren. Dies ermöglicht die Installation von Not-Aus-Tastern vor Ort zur Steuerung. Selbst bei einer kurzzeitigen Störung der Anlage nach dem Ofenausgang gewährleistet der Not-Aus den reibungslosen Ablauf der FIFO-Stapelung und verschafft wertvolle Zeit für die Fehlersuche. Der Fertigprodukttransport besteht aus einem Horizontalförderer, einem Lagerrollenförderer, einer Gipsplattenstapelmaschine und einer Kantenbearbeitungsmaschine. Jede Gipsplattenlage aus dem Trockenofen liefert stets zwei Platten gleichzeitig. Die Gipsplatten gelangen über den Ofenausgang und das Zwischenförderband in den Horizontalförderer. Gesteuert durch die Leitbleche des Horizontalförderers werden die Gipsplatten horizontal transportiert und gelangen in den Lagerrollenförderer. Dieser steuert den Zeitpunkt des Eintritts der Gipsplatten in die Stapelmaschine. Treten zwei Gipsplatten gleichzeitig in die Stapelmaschine ein, werden sie überlappend gestapelt und anschließend gleichzeitig der Kantenbearbeitungsmaschine zugeführt. Schließlich werden die beiden fertigen Gipsplatten in den Fertigprodukt-Rollenförderer geschoben. Der Stapelbereich besteht aus zwei Stapelplattformen links und rechts. Nach dem Zuschneiden gelangen die fertigen Gipsplatten auf die linken und rechten Fertigprodukt-Rollenförderer. Dort werden sie von einer Schiebevorrichtung auf die Stapelplattform befördert. Längs- und Querausrichtungs-Magnetventile richten die Gipsplatten auf der Plattform von vorne nach hinten aus. Anschließend senkt sich die Plattform automatisch auf eine bestimmte Höhe ab und wartet auf den nächsten Stapelvorgang. Sobald die voreingestellte Anzahl an Gipsplatten erreicht ist, befördert das Programm diese automatisch zum nächsten Stapler. Gleichzeitig ertönt ein akustisches und optisches Signal, und die Plattform wartet auf die Entnahme der Gipsplatten durch einen Gabelstapler. Danach fährt die Plattform wieder auf eine geeignete Höhe für den nächsten Stapelvorgang. Damit ist der gesamte Produktionsprozess vom Gipspulver-Rohmaterial bis zu den fertigen Gipsplatten abgeschlossen. 4. Produktionssteuerung: Die Produktionssteuerung nutzt RS VIEW als Überwachungssoftware, um den gesamten Produktionsprozess zu überwachen. RS VIEW ist eine Open-Source-Software von Rockwell, die auf dem Windows-Betriebssystem basiert. Es verfügt über vielfältige Funktionen wie die Erstellung von Flussdiagrammen, die Alarmaufzeichnung, den Berichtsdruck und Trendkurven und unterstützt Kommunikationsprotokolle von Drittanbietern. Die SCADA-Software (Supervisory Control and Data Acquisition) umfasst: Benutzeranmeldung und -verwaltung; Hauptsteuerungsbildschirm und Bildschirme für jeden Arbeitsbereich, inklusive animierter Darstellungen und Parametereinstellungen für jeden Prozess; Zusammenfassungen von Fehlermeldungen; und Echtzeit-Datenkurven. Nach der Inbetriebnahme des SCADA-Systems ist der Betriebszustand der Prozesse und Anlagen am Produktionsstandort klar ersichtlich, und die Überwachung ist hervorragend. Bediener können den Betrieb der Produktionslinie leicht beobachten und erfassen sowie Prozessparameter schnell und einfach an die Produktionsbedingungen anpassen, was die Produktionssteuerung deutlich vereinfacht. Das Wartungspersonal kann anhand historischer Trendkurven die Ursachen von Anlagenausfällen analysieren, diese schnell beheben und die Anlagenverfügbarkeit erhöhen. Das gesamte Überwachungssystem stellt den Produktionsprozess zentral für Bediener und Manager dar, wodurch die Effizienz der Planung und Entscheidungsfindung erheblich verbessert und das Produktionsmanagement des Unternehmens effektiv gesteigert wird. III. Zusammenfassung der oben beschriebenen elektrischen Steuerungstechnik: Nach erfolgreichen Tests an mehreren Produktionslinien wurde Ende 2004 in Zaozhuang (Provinz Shandong) die erste in China eigenständig entwickelte Produktionslinie für papierkaschierte Gipskartonplatten mit einer Jahreskapazität von 30 Millionen m² erfolgreich in Betrieb genommen. Weitere Produktionslinien gleicher Größe werden anschließend in Tai’an, Changzhou, Ningbo und anderen Standorten in Betrieb genommen. Die Anlagentechnik und Steuerung dieser Produktionslinie entspricht dem aktuellen internationalen Spitzenstandard und leistet damit einen herausragenden Beitrag zur Förderung der Entwicklung der chinesischen Gipskartonindustrie sowie zur Weiterentwicklung der Produktionstechnologie hin zu großflächiger, industrialisierter und automatisierter Fertigung.