Markierstation für Pipelinerohre

Projekt im Auftrag der Firma Eckelmann AG Wiesbaden

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Markierstation

Projektauftrag

In der Erdölförderung und Erdölverarbeitung werden viele Rohre benötigt an die höchste Qualitätsansprüche gestellt werden, denn ein Fehler kann hier enorme Umweltschäden und Kosten verursachen. Deswegen werden die produzierten Rohre in einer Finishing-Anlage überprüft und dabei mit speziellen Eigenschaften versehen (z.B. Endgewinde schneiden). Weil jedes einzelne Rohr auf Dauer eindeutig identifizierbar sein muss, wird es in einer Markierstation mit einer Druckanlage zur eindeutigen Produktnachverfolgung mit einem maschinenlesbaren 2D-Code versehen. Wenn man jetzt berücksichtigt, dass die Rohrdurchmesser von 140 mm bis 440 mm variieren können, dass die Rohre bis zu 13 Meter lang sind, über 100 kg schwer sein können und sich in der Anlage mit zirka 1 m/s bewegen, ist klar, dass hier eine spezielle Druckanlage gebaut werden musste.
Da der Bau von solchen Spezialmaschinen nicht zum gewöhnlichen Portfolio der Firma Eckelmann AG gehört, wurde entschieden, vorab einen Prototypen der Markierstation zu entwickeln und diesen am Standort Wiesbaden ausgiebig zu testen. Nach erfolgreicher Testphase wird die Markierstation an den Kunden ausgeliefert.

Ziel des Projektes

Zur Markierstation wurde im Vorfeld bereits ein grobes Konzept erarbeitet. Hierbei war bereits nach möglichen Techniken und geeigneten Komponenten gesucht worden.
Die Technikerarbeit bestand nun in der Weiterentwicklung des vorhandenen Konzeptes. Anschließend sollte die Markierstation im Schaltschrankbau aufgebaut und zur Funktion gebracht werden. Zudem war eine komplette Anlagendokumentation zu erstellen.

Grundfunktion der Markierstation

Im Folgenden ist der Markierablauf für ein Rohr beschrieben:
Die Markierstation befindet sich im eingeschalteten Zustand und in Homeposition. Über ein Touchpanel wird zunächst der Typ des Rohres eingegeben. Die Hubeinheit fährt nun das Gestell mit den Druckköpfen auf die entsprechende Höhenposition. Im Fördersystem vor der Markierstation ist ein Sensor zur Rohrerkennung montiert. Erkennt dieser ein ankommendes Rohr, fahren drei um 120° versetzte servopneumatische Zylinder an das Rohr heran. Dabei nutzen sie einen Kraftmodus, der gewährleistet, dass immer ein Kontakt zum Rohr besteht und auch bei kleineren Unebenheiten der Rohroberfläche der Abstand gleichbleibend ist. Rollen am Zylinderkopf stellen die ständige Kontaktfläche zum Rohr dar. Nach dem Heranfahren an das Rohr beginnen drei auf die Zylinder montierte Druckköpfe mit dem Markiervorgang.
Im Rohrfördersystem vor der Markierstation ist ein weiterer Sensor zur Rohrerkennung eingebaut. Erkennt dieser das Rohrende, stoppen die Druckköpfe den Markiervorgang und die Zylinder fahren auf die Homeposition zurück. Die Bedienung der Anlage erfolgt über ein Touchpanel am Schaltschrank.
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Arbeitsposition mit bedrucktem Rohr

Mechanischer Aufbau

Für den Aufbau des mechanischen Systems wurde zusammen mit der Firma Eckelmann AG ein grobes Konzept mit dem 3D-Zeichenprogramm SketchUp entworfen. Um das Konzept zu konkretisieren und normgerechte Zeichnungen für die CAD Fertigung zu erstellen, wurde ein externer Konstrukteur beauftragt.
Die Mechanik lässt sich in zwei Teilsysteme aufteilen: Das erste Teilsystem besteht aus der Komponentenwand, auf welcher alle Geräte für die Versorgung der Anlage montiert werden. Dazu zählen: die Tintenversorgungen (3x) und eine Einheit für die pneumatische Luftversorgung. Das zweite Teilsystem stellt die Hubeinheit dar, auf welcher sich die aktiven Einheiten, wie zum Beispiel die pneumatischen Achsen, sowie die Druckköpfe, befinden.

Schutz der Druckkomponenten

Ein besonderes Augenmerk der Markierstation liegt in der Abfahrsicherheit der Druckköpfe.
Das Risiko, dass ein Rohr in die Markierstation einfährt, obwohl die Druckköpfe sich noch auf Arbeitsposition befinden, lässt sich nicht gänzlich ausschließen. Die Folge wäre die komplette Zerstörung der pneumatischen Achse, bestehend aus Druckkopf und Pneumatikzylinder. Um diesen Schaden zu verhindern, wurden besondere Vorkehrungen auf Software- und Hardwareebene vorgenommen:
1. Für den Fall der Kollision der Druckkopfeinheit mit einem Rohr, wurde die gesamte Einheit abklappbar montiert. Ein Winkel lässt das Abklappen bei einer Kollision mit einem Rohr zu und verhindert so, dass es zu einer harten Kollision kommt. Ein Magnet hält die pneumatische Achse im Normalbetrieb auf ihrer gewöhnlichen Position.
2. Jedem Druckkopf ist ein Metallprellbock vorgesetzt. Dieser schützt den Druckkopf, sowie den Drehgeber vor der direkten Kollision mit einem heranfahrenden Rohr.
3. Doppelte Rohrerfassung
In die Rohrführung werden zwei induktive Näherungsschalter eingebaut. Der hintere Sensor ist auf Höhe der Druckeinheiten montiert. Erst wenn dieser Sensor ein Rohr erfasst, gibt die Steuerung den Zylindern den Befehl zum Fahren in die Workposition. Dies soll sichern, dass die Zylinder nur dann fahren, wenn ein Rohr bereits in der Station ist. Der vordere Sensor ist der Markierstation vorgelagert. Erfasst dieser Sensor das Ende eines Rohres, löst er den Befehl zur sofortigen Fahrt auf Homeposition aus. Dies sichert, dass die Druckeinheiten bei Rohrende rechtzeitig reagieren und die Druckeinheiten nicht nach dem Rohrende aufgrund der Anpresskraft ineinander fahren.

Vorteile der Pneumatikantriebe

Für das Anfahren der Druckköpfe an die Rohre haben wir uns auf ein servopneumatisches System von Festo geeinigt, weil die Vorteile eines pneumatischen Systems gegenüber einem elektrischen Antrieb überwogen. Durch die anpassbare Anpresskraft können die Zylinder flexibel auf Verkrümmungen der Rohre reagieren und sind über ein inkrementelles Wegemesssystem millimetergenau positionierbar.
Geschwindigkeit oder Fahrtrampen können parametriert werden. Von uns wurden für die verschiedenen Rohrtypen sogenannte Verfahrsätze angelegt, sodass für jeden Rohrtyp individuelle Werte für Position oder Anpresskraft auswählbar sind.
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Versorgungswand

Print und Code

Die Druckeinheit beinhaltet alle Komponenten, die nötig sind, um die Markierungen auf die Rohre zu bringen.
Als Lieferant des Printsystems wurde der marktführende Hersteller ReaJet ausgewählt.
Die gewählte Lösung besteht aus folgenden Komponenten:
Druckkopf: Im Tintenstrahlverfahren wird über 32 Düsen die Markierung aufgegeben.
Steuereinheit: Steuert die Druckköpfe an und parametriert diese.
Drehimpulsgeber: Erfasst die Geschwindigkeit des Rohres und gibt diese an die Steuergeräte weiter um ein optimales Druckbild zu ermöglichen.
Tintenversorgung: Ein 4,5-Liter-Tank für jeden Druckkopf. Eine Pumpe im Innern sorgt für einen stetigen Fluss der Tinte, wodurch das Eintrocknen und Verstopfen der Tintenschläuche verhindert wird.
Tinte: Als Tinte wird weiße, pigmentierte Tinte verwendet, um einen möglichst großen Kontrast auf den zu markierenden schwarzen Rohren zu erreichen.

Für das Speichern einer Identifikationsnummer (ID) auf dem Rohr wurde ein 2D-Data Matrix Code gewählt, der bei einer Codegröße von 64x64mm ein Datenumfang von 278 Byte zur Verfügung stellt. Ein weiterer Vorteil eines Data Matrix Code ist seine sichere Lesbarkeit, durch den redundanten Aufbau.

Steuerung

Die Funktion der Markierstation wird über eine Siemens Steuerung S7-317- 2PN/DP realisiert. Da die CPU im Gesamtprojekt der Firma Eckelmann AG aber nicht im Schaltschrank der Markierstation vorgesehen wird, kommt hier eine dezentrale Feldbusbaugruppe ET200S zum Einsatz.
Das Steuerungsprogramm der Markierstation wurde mit der Software TIA Portal V13 erstellt.
Das Projekt beinhaltet neben der CPU und dem ET200S Modul noch weitere Steuer-geräte für die Druckköpfe und die servopneumatischen Achsen. Um diese Steuergeräte miteinander zu vernetzen, wurde Profinet eingesetzt. Zur besseren Visualisierung und Steuerung kommt ein Siemens Touchpanel KTP 700 zum Einsatz.

Fazit

Das Projekt Markierstation ist insgesamt sehr positiv abgelaufen. Die fertiggestellte Markierstation erfüllt die vom Kunden gestellten Anforderungen. Besonders erfreulich ist, dass eine Präsentation der Markierstation für den Endkunden fehlerfrei verlief und der Kunde mit unserer Lösung sehr zufrieden war.
Die Zusammenarbeit zwischen den Studierenden und dem Partnerunternehmen Eckelmann AG Wiesbaden war sehr positiv und beruhte auf gegenseitigem Respekt und Vertrauen.
Das Projekt der Markierstation wurde am 13.06.2016 mit der Abgabe der Dokumentation erfolgreich abgeschlossen.

Projektteam: Jonas Hillesheimer, Kevin Kleiber (Klasse TE4A)
Betreuer Firma Eckelmann AG: Herr Frank Ebert.
Betreuer Werner-von-Siemens-Schule: Herr Ulrich Becker