Dezember 2013

Physikalisch-Technische Bundesanstalt setzt auf Regelungstechnik von DOLI Elektronik

Erfolgreiche Modernisierung und Automatisierung der 16,5-MN-Normalbelastungsmaschine

Autor: Tino Böhler, Redaktionsbüro Dresden

„Das Ziel war, alle Bauteile zu modernisieren und auf den neuesten Stand zu bringen, denn die 16,5-Meganewton (MN)-Normalbelastungsmaschine ist für uns sehr wichtig, weil sie in ihrer Art weltweit einmalig ist. Genau aus diesem Grunde sind sehr viele Kunden auf diese ohnehin schon stark frequentierte Maschine angewiesen", sagt Oberregierungsrat Dr.-Ing. Falk L. Tegtmeier, Fachbereich 1.2 „Festkörpermechanik" der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig.

Tegtmeier gehört innerhalb des Fachbereichs „Festkörpermechanik" wiederum zur Arbeitsgruppe 1.21; diese ist zuständig für die Darstellung und Weitergabe der physikalischen Größe "Kraft". Die Realisierung der Kraftskala erfolgt hier mit Kraft-Normalmesseinrichtungen (K-NME) nach zwei unterschiedlichen Prinzipien. In Kraft-Normalmesseinrichtungen mit direkter Massewirkung wird die Kraft durch die Gewichtskraft von Belastungskörpern im Schwerefeld der Erde erzeugt (bis 2MN). Große Kräfte bis zu 16,5MN werden durch eine hydraulische Übersetzung der Gewichtskraft realisiert. Die dafür zuständige Kraft-Normalmesseinrichtung wurde in den siebziger Jahren aufgebaut und in Betrieb genommen. Dazu kam in den achtziger Jahren noch eine manuelle Regelungstechnik, die bis ins Jahr 2010 so Bestand hatte. Dazu Falk L. Tegtmeier: „Bei vergangenen Modernisierungen wurden viele Komponenten ausgetauscht, die vorher schon zum Teil defektanfällig waren." Aber wenn beispielsweise Servoventile 20 oder 30 Jahre im Dienst sind, dann bekommt man irgendwann keine Originalersatzteile mehr. Das hat zu steigenden Ausfallzeiten der Maschine geführt, die für die PTB unwirtschaftlich und für die Kunden nicht akzeptabel sind. Die Maschine musste also dringend modernisiert und im gleichen Zuge sollte sie auch mit einer automatischen Regelung versehen werden.

165 MN PtB Foto DOLI 1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung: 16,5-Meganewton-Normalbelastungsmaschine wurde auf den neuesten Stand gebracht

 

Das Newton aus Braunschweig

Zu den Aufgaben von Tegtmeier und seinen Kollegen gehört u.a. die Weitergabe der Kraftskala; dazu werden Kraftmessgeräte in den K-NME nach unterschiedlichen Messverfahren kalibriert. Neben den Arbeiten zur Darstellung und Weitergabe der Kraftskala wird Grundlagenforschung auf dem Gebiet der "Kraftmessung" betrieben. Dazu zählen die Entwicklung und Untersuchung von neuen Messeinrichtungen, Kraftmessgeräten und Messverfahren zur Messung statischer und dynamischer Kräfte sowie internationale Vergleichsmessungen. „Unsere Kunden beim Thema ‚Kraftmessung' kommen zum Beispiel aus der Baustoffindustrie, der konventionellen und regenerativen Energietechnik sowie sehr stark aus der Werkstoffprüftechnik", erläutert Tegtmeier die Hauptklientel.

 tegtmeier 2

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung: Dr. Falk L.Tegtmeier

Aber auch Unternehmen der Flugzeugindustrie und Raumfahrttechnologie gehören dazu, also alles Firmen mit Anwendungen für größte Kräfte, bei denen die Braunschweiger 16,5-MN-Kraft-Normalmesseinrichtung in Europa momentan ohne Alternative ist. Solche Kräfte werden in der 16,5-MN-Kraft-Normalmesseinrichtung durch hydraulische Übersetzung von Direktbelastungskräften mit einer relativen Messunsicherheit von ca. 1 x 10–4 erzeugt. Zur Veranschaulichung gibt Tegtmeier ein Beispiel: „Ein Newton entspricht dabei etwa der Gewichtskraft einer Tafel Schokolade, 16,5 Millionen Newton entsprechen in etwa dem Abfluggewicht von vier Jumbo-Jets oder dem Gewicht von 1.000 VW Passat."

 

Moderne Lösung für eine stabile Regelung

Den Part der neu zu entwickelnden und zu installierenden modernen Regelungstechnik für die 16,5-MN-Maschine übernahm die DOLI Elektronik GmbH, München. DOLI entwickelt seit mehr als 20 Jahren Regler für Werkstoffprüfmaschinen und ist auf Antriebssysteme wie DC-Antriebe, AC-Antriebe, Hydraulikkomponenten und Linearantriebe spezialisiert. „Unser Hauptaugenmerk lag hier auf einer modernen Lösung, die der Maschine eine stabile Regelung verschaffen sollte", erinnert sich Tegtmeier, „denn die Maschine funktioniert im Grunde wie eine Art hydraulische Waage." Man hat also links und rechts mit vielleicht unterschiedlichen Hebellängen auch unterschiedliche Gewichte, die es einzupendeln gilt, bis das ganze System stabil bleibt. „Und das ist sehr, sehr schwierig, denn in der Praxis fällt (fast) immer eine Seite runter", so Tegtmeier weiter. Die Herausforderung für die DOLI-Ingenieure bestand also darin, eine technisch so anspruchvolle Regelung zu entwickeln, dass „bildlich die Waage auf der Spitze balanciert, im Grunde der schwierigste Akt im ganzen Modernisierungsprojekt der 16,5-MN-Maschine" (Tegtmeier). Doch DOLI war für die PTB kein Unbekannter, denn die Münchner haben bereits für die 5-MN-Maschine eine Regelung installiert, die bis heute hervorragend funktioniert. Die neue Regelung für die 16,5-MN-Normalbelastungsmaschine sollte in Zukunft dafür sorgen, dass neben der Eintauchtiefe des Messzylinders, an dem der Gewichtssatz hängt, auch der Öldruck im Hydrauliksystem konstant gehalten wird. Dazu mussten verschiedene Arbeitsprozesse wie das Starten der Anlage, das Tarieren, die Laständerung im Massestapel ohne Überschwingen sowie Sicherheitsfunktionen - insbesondere um bei Störungen die Prüflinge vor Überlastung zu schützen – unterstützt werden. „Die größte Herausforderung bei der Umsetzung der Modernisierungsmaßnahme und bei der Entwicklung der Regelung war der sehr geringe Zeitraum, den wir zur Verfügung hatten", blickt Falk L. Tegtmeier zurück. Durch ihre Einmaligkeit ist die 16,5-MN-Maschine immer schon sehr stark frequentiert gewesen. Zudem müssen alle akkreditierten Messlabore oder verschiedenen Versuchseinrichtungen alle zwei Jahre ihre Aufnehmer rekalibrieren.

Kraftaufnehmer am Greifer Foto PtB 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung: Der zu prüfende Kraftaufnehmer eines Kunden wird mittels Greifer in die Maschine gebracht

 

Arbeitszylinder

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

Abbildung: Vier mächtige Arbeitszylinder erzeugen die Prüfkraft von bis zu 16,5 Meganewton (1.650 Tonnen)

In Summe führte das zu einem Zeitfenster von nur neun Monaten für das Gesamtprojekt. Dazu kam eine Unsicherheitskomponente wie die der Reproduzierbarkeit. Diese Unsicherheitskomponente wurde mit der neuen DOLI-Regelung mit einer erreichten relativen Unsicherheit von ca. 1x 10–5 nahezu eliminiert.

Falk L. Tegtmeier fasst das Projekt positiv zusammen: „Im Januar 2011 hatten wir die Maschine außer Dienst, aber bereits im Oktober wieder in Betrieb genommen. Wir hatten dabei viele Risiken, denn es wurden selbstverständlich auch in anderen Bereichen wie SPS oder Mechanik Änderungen vorgenommen. Und alles musste zusammenpassen." Und es passte schließlich zusammen. Die Teamarbeit mit allen am Projekt Beteiligten verlief nicht zuletzt wegen der reibungslosen Kommunikation sehr gut. Dazu Falk L. Tegtmeier: „Es ist uns wirklich gelungen, die Maschine so zu modernisieren, zu automatisieren und hinzubekommen, wie wir uns alle das als Ziel gesetzt haben."

 

Das neue hydraulische System der 16,5-MN-Kraft-Normalmesseinrichtung

Zu den Adressaten für 1.600-Tonnen-Kraftaufnehmer zählt beispielsweise die Offshore Industrie. Insbesondere Bohrgestänge unterliegen seit dem „Deepwater Horizon"-Unfall 2010 im Golf von Mexiko einer verstärkten Prüfung zur Bestimmung der Dauerfestigkeit. Auch die Bauindustrie braucht diese Art Kraftaufnehmer zum Festigkeitsnachweis an großen Betonelementen oder zur Bruchlastbestimmung und Lebensdauerprognose von Tragseilen an Schräg- und Hängeseilbrücken sowie zur Prüfung von Spannbetongliedern. Die Hersteller von Großkränen und Tagebaugroßgeräten schließlich setzen Kraftaufnehmer in dieser Größenordnung ein, um Überlast und Umkippen zu vermeiden.

Da bei diesen großen Kräften auch tatsächlich genaue Gewichtskräfte von insgesamt 1.600 Tonnen nötig sind, diese sich aber nicht realisieren lassen, verwendet man wesentlich kleinere Gewichte und vervielfacht die erzeugte Gewichtskraft mit einer hydraulischen Übersetzung. Ähnlich wie bei einem Wagenheber kann eine kleine Kraft auf einer kleinen Kolbenfläche übersetzt werden in eine große Kraft auf einer großen Kolbenfläche.

 Massestapel

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung: Ein Massestapel definiert die Prüfkraft

Da Reibungskräfte die erzeugte Kraft zu einem Teil ‚verbrauchen', scheut die PTB keinen technischen Aufwand, um diese Reibungskräfte so klein wie möglich zu halten. Für die Hydraulik bedeutet das, der Kolben läuft in einem Zylinder, ohne diesen zu berühren. Der Zylinder rotiert um seine Achse und Öl strömt ständig an der Kontaktfläche zwischen Kolben und Zylinder nach außen.
Das hydraulische System der 16,5-MN-Kraft-Normalmesseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Messzylinder und vier Arbeitszylindern. An dem kleinen Messzylinder ist ein Massestapel angekoppelt, der die Kraft darstellt. Auf der Arbeitsseite findet man vier große Arbeitszylinder, deren Kolbenfläche insgesamt um den Faktor 1.000 größer ist als die Kolbenfläche des Messzylinders. Um diesen Faktor wird also die Kraft erhöht. Falk L. Tegtmeier konkretisiert: „Ein Regler überwacht die Position des Kolbens in Wegregelung, ein zweiter in Kraftregelung den Öldruck im System." Regler Nummer 1 leitet dabei eine Sollfunktion für das zweite Gerät ab. Der zweite EDC (Externer Digitaler Controller) gibt dem Hydraulikventil entsprechende Signale, mehr oder weniger Öl ins System zu pumpen.

Zum Anfahren einer neuen Laststufe werden die Hydraulikkreise ‚Messzylinder' und ‚Arbeitszylinder' getrennt. Die Neue Massescheibe wird aktiviert. Der Wegregler sorgt dafür, dass der nun steigende Öldruck nicht zu einer Bewegung des Messzylinders führt, denn das würde bedeuten, dass sich auch der Massestapel in der Höhe verschiebt. „Eine Bewegung des Massestapels, der ja immerhin bis zu 1,6 Tonnen schwer sein kann", gibt Tegtmeier zu bedenken, „würde zu langandauernden Schwingungen führen. Daher wird der Hub des Messkolbens durch die Regelung auf maximal 0,2mm begrenzt." Die Position des Massestapels wird mit einem kapazitiven Abstandssensor gemessen, der eine Auflösung von 10nm besitzt.

Leitstand 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung: Am oberen Leitstand wird die Funktion der Maschine überwacht

 

„Regelungstechnisch sehr anspruchsvolle Aufgabe"

Ist die neue Masse aufgelegt und das System stabil, wird über einen umschaltbaren Drucksensor der Differenzdruck zwischen Messseite und Arbeitsseite gemessen und auf Null geregelt. Nun können beide Hydraulikkreise wieder verbunden werden. Der Massestapel bestimmt nun allein den Druck im Arbeitszylinder und bildet damit exakt die um den Faktor 1.000 erhöhte Kraft des Massestapels auf dem Prüfling ab.

Rotierende Zylinder 

Abbildung: rotierende Arbeitszylinder, Leckölpumpen

Die Herausforderung der Regelung bestand jedoch nicht nur in der ‚Zusammenarbeit' mit drei aktiven Softwarepaketen. Vor allem die Tücken der komplizierten Mechanik und Hydraulik waren zu umschiffen. Um Reibungseffekte zu vermeiden, rotieren die vier Arbeitszylinder kontinuierlich auf einer hydrostatischen Lagerung. Gleichzeitig befindet sich – ebenfalls zur Vermeidung von Reibungseffekten - ein definierter, kleiner Spalt zwischen Kolben und Zylinder, aus dem Lecköl ausströmt, das fortwährend kompensiert werden muss.

Durch die Rotation aller Hydraulikzylinder und den daraus resultierenden Änderungen im Strömungsverhalten kommt es zu Schwingungen, die sich ohne eine entsprechende Regelung in einer mangelnden Reproduzierbarkeit der Maschine niederschlagen. Zusätzlich musste der durch den Leckölstrom verursachte Druckabfall in den Rohrleitungen messtechnisch kompensiert werden. Dabei galt es, den unregelmäßigen Leckölstrom mit höchster Präzision auszugleichen. Dazu wurde das Hydrauliksystem mittels Frequenzumrichter für die Pumpe weitgehend optimiert.

„Es ist eigentlich kaum vorstellbar, dass ein derartig großes System fast ohne mechanische Reibung betrieben werden kann", sagt Falk T. Tegtmeier, „doch genau das ist notwendig, denn Reibung in der Kraftmessung führt immer zu Messunsicherheiten." Ein System aber, das fast frei von Reibung ist, neigt jedoch nach jedem Impuls, wie z.B. der Änderung der Laststufe, zum andauernden Schwingen. Diese Schwingungen muss das Regelventil möglichst schnell ausgleichen, denn nur bei einer korrekten und konstanten Kraft kann kalibriert werden.

Hydraulik

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung: Anspruchsvolle Hydraulik

Da die Maschine bei jeder Laststufe ein spezielles Verhalten zeigt, mussten auch die Regelparameter für jede Laststufe angepasst werden. „Das Nachpumpen des Lecköls und das Dämpfen der Schwingungen waren eine regelungstechnisch sehr anspruchsvolle Aufgabe, die bei der 16,5-MN-Maschine bestmöglich bewältigt wurde", bilanziert PTB-Ingenieur Tegtmeier zufrieden.


Große Arbeitserleichterung dank Automation

Tegtmeier weiter: „Wir können heute automatisch mit der Maschine messen, haben eine sehr gute Reproduzierbarkeit und damit auch keine Probleme, das Unsicherheitsbudget der Maschine einzuhalten." Fazit: Die PTB-Ingenieure können sehr sicher und zuverlässig mit der Anlage verfahren. Dazu kommt eine erhöhte Produktivität. Der automatische Regelbetrieb der Maschine ist eine große Unterstützung und Arbeitserleichterung. Vor der Modernisierung mussten Mitarbeiter während der Messung permanent diverse Regler bedienen: eine sehr anstrengende und wenig produktive Arbeit.
Heute muss zwar aus Sicherheitsgründen die Maschine im aktiven Betrieb immer noch von einem Mitarbeiter überwacht und nötigenfalls gestoppt werden, aber aufgrund der automatischen Regelung hat der eingesetzte Mitarbeiter „nebenher immer noch Zeit, wirtschaftlich sinnvollere Aufgaben zu erledigen"
(Tegtmeier).

Druckversion


DOLIs NEWS

Januar 2016

DOLI wird 40 Jahre alt und bekommt eine neue Führung[mehr]


August 2015

Dynpack: Einstellungen Dynamik[mehr]


Dezember 2013

Physikalisch-Technische Bundesanstalt setzt auf Regelungstechnik von DOLI Elektronik[mehr]


August 2013

Längenmess- und Wiegestation für Rohrproben beschleunigt die Werkstoffprüfung[mehr]


Mai 2013

Anwendungsgrenzen der Rauschreduzierung durch die Integrationszeit[mehr]