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Schutz vor Korrosion

18. September 2019
Die Verzinker

Neue Verfahren entwickeln mit Schmelztauchsimulatoren/I/O-System von WAGO als zentrale Kommunikation.

Zink, das ist der Stoff, der für ein langes Mindesthaltbarkeitsdatum sorgt. Zink schützt Stahl sicher vor Korrosion. Verzinkte Bauteile rosten nicht. Dafür gehen die Elemente Zink und Eisen eine untrennbare Verbindung ein – die gemeinsame Ferro-Zink-Legierung. Bei diesem Verfahren herrschen hohe Temperaturen in einer Atmosphäre aus potentiell explosiven und giftigen Gasen. Entsprechend anspruchsvoll gestaltet sich die sichere Prozessführung. Diese immer weiter zu verfeinern, ist Aufgabe der Surtec-Research-Schmelztauchsimulatoren, für die die Falk Steuerungssysteme GmbH das platzsparende, hochintegrierte WAGO I/O System 750 einsetzt.

Das Feuerverzinken ist nicht neu. Erste industrielle Verfahren reichen zurück bis in die Mitte des 19ten Jahrhunderts. Mehr als 150 Jahre später lohnt es sich immer noch, diesen etablierten Prozess weiter zu verbessen. Gerade im Automobilbau kommt heute Stahlblech zum Einsatz, das dank größerer Festigkeit immer dünner ist. Dadurch nehmen aber auch die Anforderungen an den Korrosionsschutz zu. Moderne Automobilstähle sind aufgrund der Vielzahl und Eigenschaften ihrer Legierungsbestandteile nur unter bestimmten Voraussetzungen zu beschichten“, erklärt Falk-Projektleiter Björn Beißner. Diese Herausforderungen großtechnisch sicher zu beherrschen, heißt, vorher im Labormaßstab neue Legierungen, Gasatmosphären, Temperaturkurven und Abläufe zu testen. Dafür baut das in Düsseldorf ansässige Unternehmen Surtec Research Glüh- und Schmelztauchsimulatoren (www.surtec-research.com), für die die Falk Steuerungssysteme GmbH aus dem niedersächsischen Stadthagen wiederum die komplette Automation konzipiert und programmiert. Die wesentliche Herausforderung besteht darin, den kontinuierlichen Durchlaufprozess in Verzinkungsanlagen so in einen Tauchprozess zu übertragen, dass sich später die Laborergebnisse eins zu eins in die Produktion überführen lassen.

» Wir sammeln mit dem WAGO I/O System sämtliche Daten ein, die uns die Sensoren, Schalter sowie die Aktorik der Anlage liefern. «

Björn Beißner, Falk-Projektleiter

WAGO als zentrales Verbindungsnetzwerk

Aktuelle Messungen von Druck und Temperatur in unterschiedlichen Bereichen des Schmelztauchsimulators sind dafür ein Beispiel.

Das WAGO I/O System bildet im Schmelztauchsimulator ein Kommunikationsnetzwerk, das auf engstem Raum als zentraler Dreh- und Angelpunkt für die komplette Signalverarbeitung arbeitet – und dieses auch für die funktionale Sicherheit im ATEX-Bereich. Als Ablaufsteuerung setzt Falk eine „Siemens Failsafe“-SPS der Serie S7-1500 ein – unter anderem für die Antriebsregelung und vor allem die Sicherheitstechnik. Als zweite Steuerungseinheit verwendet Falk einen leistungsstarken Industrie-PC, der sämtliche übergeordneten Aufgaben abwickelt. Hierzu zählen die Versuchsabläufe sowie die Messwertverwaltung mit einer Abtastrate von 10 Millisekunden.

Der Schmelztauchsimulator arbeitet durchweg mit hohen Temperaturen beim Glühen der Metallproben sowie dem anschließenden Eintauchen (auch Dippen genannt) des Werkstücks in die flüssige Zinklegierung. Die Glühphase ist beim Verzinken entscheidend, da sich dabei auf der Stahloberfläche eine exakt definierte Oxidschicht bildet.

Beißner:„Für eine beständige Beschichtung ist zunächst eine präzise Voroxidation der Materialoberfläche erforderlich“. Hierbei kommt es neben der Temperatur und Verweildauer auch auf die Zusammensetzung der Gase in den hermetisch abgeschlossenen Glüh- und Beschichtungszonen an. Der Einsatz von hochexplosivem Wasserstoff oder sowohl reaktivem als auch giftigem Kohlenmonoxid verdeutlicht dabei den Stellenwert des Ex-Schutzes und der Sicherheitstechnik in diesen Anlagen. Gerade hier setzt Falk Steuerungssysteme auf den umfangreichen Lösungsbaukasten des I/O-Systems 750 von WAGO. Fehlbedienungen müssen aufgrund des großen Gefahrenpotentials sicher ausgeschlossen sein. Ebenfalls dürfen Funktionsstörungen oder defekte Bauteile keine Havarie der Laboreinrichtung verursachen. Die Maßnahmen an der Anlage reichen so weit, dass selbst Schraubverbindungen zwischen dem Tiegel mit dem flüssigen Zink und dem darüber liegenden Induktionsofen von einer elektronisch abgesicherten Abdeckung vor einem unbemerkten Zugriff geschützt sind.

Safety und Ex als funktionale Einheit

„Druckschalter überwachen den Überdruck im Schmelzbad. Damit stellen wir sicher, dass kein Sauerstoff in das System eindringen kann“, erklärt Projektleiter Beißner weiter. „Wir fahren das System mit einem permanenten Überdruck.“ Spätestens mit dieser Aussage wird klar, dass es mit der Sicherheitstechnik im Schmelztauchsimulator allein nicht getan ist. Vielmehr sind die fehlersicheren Komponenten zum überwiegenden Teil auch noch in explosionsgefährdeten Bereichen eingebaut. „Die Anforderungen unserer Kunden an den Ex-Schutz sind gestiegen – bis hin zur kompletten eigensicheren Ausführung“, erzählt Beißner.

Ein weiterer Vorteil der WAGO Technik im Vergleich zu den von Falk Steuerungssysteme in der Vergangenheit verwendeten klassischen Trennklemmen: Gerade die kombinierten Failsafe-Ex-i-Klemmen von WAGO sparen enorm Platz und sind nach Erfahrung von Beißner „kompakter als andere Alternativen. Zudem brauchen wir weniger verkabeln, was gerade bei den auf einem Schlitten mitfahrenden Schaltschränken echte Vorteile mit sich bringt.“ Die Schaltschränke unterliegen gerade hier einer strengen Höhenbegrenzung. Hintergrund: Es gibt einen Schlitten zum Wechsel der Schmelzbäder in den hermetisch abgeschlossenen Tiegeln – und diese müssen unter den Simulator passen.

» [...] kompakter als andere Alternativen – Zudem brauchen wir weniger verkabeln, was gerade bei den auf einem Schlitten mitfahrenden Schaltschränken echte Vorteile mit sich bringt. «

Björn Beißner, Falk-Projektleiter

Hier ist es vor allem das eigensichere PROFIsafe-Eingangsmodul (750-663), das für Luft im Schaltschrank sorgt. Das für die funktionale Sicherheit konzipierte Modul ist speziell zugeschnitten auf die sichere Erfassung von potentialfreien, kontaktbehafteten Not-Aus-Schaltern, Schutztürschaltern, Betriebsartenwahlschaltern sowie sicheren Sensoren, die sich im Bereich von explosionsfähigen Atmosphären der Zonen 0, 1 und 2 befinden. Damit vereint WAGO die gelbe Safety-Welt mit der blauen Ex-Schutz-Welt. Als direktes Bindeglied zwischen Nicht-Ex und Ex in einem I/O-System kommt die eigensichere Potentialeinspeisung vom Typ 750-606 zum Einsatz. Die PROFINET-Kommunikation in Richtung SPS und IPC übernehmen Feldbuskoppler vom Typ 750-375. Sie bilden die Kopfstation für sämtliche Daten, sammeln sicherheitsrelevante Daten genauso ein wie Ex-Signale – dies mit der Aufgabe, sie gebündelt an die Failsafe-CPU oder den IPC weiterzuleiten.

Sichere Eingangsmodule, wie das 750-663, zählen bei Falk zu den wesentlichen Kriterien, die Anlagenkommunikation durchgängig mit dem WAGO I/O System zu realisieren. Warum kombinierte Failsafe-Ex-i-Klemmen notwendig sind, zeigt das Beispiel eines Plattenschieberventils. Dieses kommt zum Einsatz, um die Glühkammer in Richtung des flüssigen Metalls komplett abzudichten und arbeitet dabei als Schleuse. Erst wenn beide Räume dicht verschlossen sind, öffnet sie. Und erst wenn sie sicher komplett geöffnet ist, kann die Metallprobe ins Tauchbad fahren. „Dieser Prozess ist also hochgradig sicherheitskritisch“, erklärt Björn Beißner. Wäre dieser Prozess nicht sicher, ist nicht auszuschließen, dass brennbare, explosive oder auch giftige Gase in den Raum entweichen. Ergo: Es zählen Failsafe und Ex i. Den grundsätzlichen Aufbau hat Falk in enger Zusammenarbeit mit dem TÜV entwickelt. „Wir können heute auch dank sicherer Einspeiseventile für reaktive Gase sicher sein, dass keine explosiven oder toxischen Gase in die Anlage eingeleitet werden, wenn wir sie öffnen.“ Die Ventile werden deshalb von fehlersicheren Ausgängen aus dem WAGO System angesteuert.

Fazit

Was tun, wenn im Ex-Bereich auch noch Sicherheitstechnik gefragt ist? Spätestens dann, wenn auch noch der Platz im Schaltschrank eng bemessen ist, stellt sich die nächste Frage nach einer kompakten, integrierten Lösung. Das WAGO I/O System 750 bietet hierfür einen standardisierten und flexibel kombinierbaren Lösungsbaukasten. Damit kann auch eine so komplexe Automation wie die im Schmelztauchsimulator schlank und platzsparend realisiert werden.

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