ALD setzt auf vollständig integrierte Architektur

Hintergrund

ALD Vacuum Technologies GmbH (ALD) ist einer der führenden Anbieter von Vakuum-Anlagen und -Verfahrenstechnik mit Sitz in Hanau, der sämtliche Bereiche der Metallurgie und Wärmebehandlung mit Hightech-Produkten und Dienstleistungen bedient. Mit zahlreichen Niederlassungen sowie mehr als 70 Vertriebspartnern weltweit verfügt ALD über einen anspruchsvolleninternationalen Kundenkreis.

Für die Beschichtung von Turbinenschaufeln entwickelte das Unternehmen den „SmartCoater“ für das Segment der Elektronenstrahlverdampfung (Electron Beam/Physical Vapor Deposition, EB/PVD). Während der bestehende XXL-Coater in der Produktion eingesetzt wird, eignet sich der auf einer Logix-Steuerungslösung von Rockwell Automation basierende SmartCoater für den Einsatz in Laboren sowie für Reparaturen.

Herausforderung

Bei der Auswahl der Automatisierungsplattform stand ALD vor der Herausforderung, eine Lösung zu finden, die alle Aspekte der Technologien kombinierte, die beim Verfahren zum Einsatz kamen. Der erste Schritt des Verfahrens besteht aus der Beförderung der Turbinenschaufeln zur Erhitzung und Beschichtung in ein Vakuum durch einen Manipulator, wobei ein bestimmtes Erwärmungs- und Gasprofil befolgt wird. Anschließend wird eine keramische Substanz unter Hochspannung durch einen Elektronenstrahl verdampft. Die Turbinenschaufeln werden in dem entstehenden Keramikdampf mit einem individuellen Achssteuerungsprogramm bewegt. Das Programm enthält mehrachsige Abläufe, die an die vorgegebenen Prozessbedingungen (Druck und Temperatur) angepasst sind. Die Keramiksubstanz wird dann präzise und gleichmäßig auf den Schaufeln aufgetragen.

Entsprechend musste die Steuerung in der Lage sein, komplexe Mess- und Steuerungsaufgaben wie Druck- und Temperaturregelung durchzuführen. Ebenso mussten Bewegungsprofile für die mit mehreren Servoachsen arbeitende Anlage möglich sein. Zudem waren Schnittstellen zu Messgeräten und Steueranlagen mehrerer anderer Hersteller von Bedeutung.

Lösung

Die programmierbaren Allen-Bradley® ControlLogix®- und GuardLogix®-Automatisierungssteuerungen (PAC) von Rockwell Automation boten nicht nur die benötigte Leistung, sondern auch eine bedienerfreundliche Entwicklungsumgebung. Das hohe Maß an Integration der PAC, E/A-Module und  Programmiersoftware verkürzte zudem die Zeit, die für Entwicklung und Inbetriebnahme benötigt wurde. Durch den Einbau von Standard-PACs und Sicherheits-PACs in ein gemeinsames Rack lassen sich Sicherheitsfunktionen mühelos parallel zum Steuerprogramm implementieren, wodurch die Anforderungen an die funktionale Sicherheit gemäß der Maschinenrichtlinie erfüllt werden. Integrierte Bewegungsmodule vereinfachen die Steuerung der Servoachsen und deren Einbeziehung in das Ablaufprogramm.

Darüber hinaus müssen verschiedene Mess- und Steuerungsaufgaben mithilfe einer Vielzahl an Instrumenten und Funktionen vollzogen werden, um die Anlage steuern zu können; diese wiederum sind allesamt über unterschiedlichste Kommunikationsschnittstellen mit der PAC verbunden. Die Steuerung von Pumpen, Ventilen und analogen Messungen erfolgt über dezentrale, über ControlNet angesteuerte E/A-Knoten. Der Zugriff auf die Druckmessgeräte und die Gassteuerung wird über DeviceNet realisiert. Auch der Betrieb der Steuereinheit für den Elektronenstrahl, ein leistungsfähiges Echtzeitsystem, erfolgt über DeviceNet. Befehle und Sollwerte lassen sich direkt von der PAC senden und ermöglichen somit die schnelle Reaktion auf Rückmeldungen von diesen Steuereinheiten.

Um ein hohes Sicherheitsniveau zu gewährleisten, ist der CompactBlock™ Guard-Safety I/O über DeviceNet, basierend auf CIP Safety, mit dem GuardLogix-PAC verbunden. Dank integrierter Sicherheit können die Sicherheitsanforderungen gemäß DIN EN ISO 13849-1 effizient und mit deutlichen Kosteneinsparungen umgesetzt werden. Die gemeinsame Nutzung von Komponenten für Standard-Steuerungssysteme und Sicherheitssteuerungssysteme verringert zudem die Kosten für Hardware, Software, Entwicklung und Support.

Als Achssteuerungslösung wurde die integrierte Antriebs-/Motor-Kombination Allen-Bradley Kinetix® 6000 ausgewählt, die über Sercos in das Steuerungssystem integriert ist. Die Multi-Achs-Antriebssteuerung für die Führung der Turbinenschaufeln wurde in der RSLogix™ 5000-Entwicklungsumgebung implementiert, wodurch keine Schnittstellen zu externen Systemen nötig waren. Dank der eingebauten Sicherheitsoption zur Drehmomentabschaltung (Safe Torque-Off) erfüllen die Mehrachsen-Servoantriebssysteme Kinetix die Sicherheitsstandards bis SIL3/PLd. Die Stopp-Kategorien sind im Rahmen der Sicherheitsroutine umsetzbar.

Das System wird mit einem HMI-PC und einem Allen-Bradley PanelView™ Plus-Terminal bedient. Der PC dient der Rezeptvorbereitung, Auswahl der Betriebsart sowie Anzeige und Protokollierung von Prozessinformationen. Die Bedienung der Servoachsen des Manipulators erfolgt hingegen am PanelView Plus, das mit der Ladekammer verbunden ist.

Ergebnisse

Der Beschichter besteht aus Einzelmodulen, die jeweils die zugehörigen Vakuum-Komponenten und -Antriebe enthalten. Aufgrund der hochgradigen Flexibilität der ControlLogix- und GuardLogix-Systeme wurde ein modularer Ansatz verfolgt, der es ermöglichte, direkt auf Kundenbedürfnisse einzugehen. Auch Ergänzungen können unabhängig vom bestehenden System vorgenommen werden. Eine mögliche Ergänzung ist ein zusätzliches Lademodul, das die Beladung der Prozesskammer von zwei Seiten und eine Halbierung der Zykluszeiten des Systems erlaubt. Eine ControlLogix 1756 wird jeder Seite zugeordnet. Das Prozessmodul wird von einer 1756-L61S-PAC (SIL 3, Kat. 4, PLe) und der zugehörigen 1756-LSP-PAC gesteuert, wobei letztere die zentrale Koordinierung des gesamten Systems übernimmt und die Sicherheitsfunktionen nach DIN EN ISO 13849-1 überwacht.

Der Einsatz von GuardLogix zusammen mit integrierter Sicherheit bringt nachweislich erhebliche Vorteile mit sich. So konnten der Verdrahtungsaufwand und die Planungskosten gesenkt und gleichzeitig die Inbetriebnahme deutlich verkürzt werden. Auch die Fehlerbehebung ist einfacher als mit konventioneller, fest verdrahteter Sicherheitstechnologie. Zudem lassen sich die Sicherheitsschalter auf dem Informationsdisplay anzeigen, wodurch der Betreiber einen schnellen Überblick über den Systemzustand erhält.

Der Prototyp des SmartCoater wurde bereits erfolgreich im „Aviation Valley“ im Südosten Polens für eine polnische Universität installiert. Bei der Prozessinbetriebnahme konnte ALD rasch stabile, reproduzierbare Produktionsparameter und eine hohe Qualität und Einheitlichkeit der erstellten Beschichtungen erzielen. Auch angesichts der steigenden Nachfrage von europäischen Kunden wird ALD weiterhin auf die umfassenden Erfahrungen von Rockwell Automation bauen, um den Erfolg weiter auszubauen.