Als einer der weltweit führenden Hersteller von Prozessanlagen und Verpackungssystemen für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie bietet Tetra Pak integrierte Verarbeitungs-, Verpackungs- und Distributionssysteme aus einer Hand an. Die Hochwald Nahrungsmittel-Werke verwenden für die Herstellung und Verarbeitung des abzufüllenden Vorproduktes Prozessanlagen von Tetra Pak Processing. Die verschiedenen antriebstechnischen Aufgaben löst das Unternehmen dabei mit Frequenzumrichtern der Serie VLT 5000.
Dirk Necker und Peter Hartmann
Zur Erreichung eines gleichmäßigen, qualitativ hochwertigen Endprodukts mit langanhaltenden guten geschmacklichen Eigenschaften werden Produkte mit nicht lösbaren Bestandteilen in vielen Fällen homogenisiert. Eine der Schlüssel-Komponenten in der Lebensmittelindustrie ist dabei die Homogenisiermaschine. Die Anwendungen sind sehr vielfältig. Sie reichen von Milchprodukten über Fruchtzubereitungen, wie Fruchtpürees für Kindernahrung und Saftkonzentrate, bis hin zur Gemüseverarbeitung, wie Tomaten- und Karottenprodukten, zur Flüssigeiverarbeitung und zum Eismix.
Das Produkt wird bei der Hochdruckhomogenisierung mittels einer Hochdruckpumpe (Kolbenpumpe) auf Drücke bis zu 400 bar verdichtet und durch einen definierten Ringspalt, das Homogenisierventil, gepumpt. Nach dem Ringspalt fällt der Druck wieder auf das Niveau des Anlagendruckes ab. Kavitation und hohe Scherkräfte führen zur Deformation der Teilchen durch Zerwellen und anschließendem Zerfall.
Am Beispiel der Milchverarbeitung verändert die Homogenisierung das ursprüngliche Struktursystem der Rohmilch. Die Durchmesser der Milchfetttropfen werden von ursprünglich ca. 3,5 µm auf 1 bis 0,1 µm verringert. Durch dieses Verfahren wird die Verteilung des Milchfettes in der Zeit zwischen Verarbeitung und Verbrauch konstant gehalten. Ein unerwünschtes Aufrahmen in flüssigen und pastösen Milchprodukten wird durch Homogenisieren erheblich verlangsamt und im Idealfall sogar vollständig unterbunden.
Bärenmarke setzt auf Hochleistung
Im Jahr 2001 lieferte Tetra Pak Processing eine Homogenisiermaschine Alex 400 (Bild 1) an die Hochwald Nahrungsmittel-Werke GmbH nach Weiding. Es handelt sich hierbei um die größte und leistungsfähigste Homogenisiermaschine im Programm von Tetra Pak. Diese Maschine ersetzt zwei ältere Maschinen und trägt somit unter anderem zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit der Produktion bei. Für die Bärenmarke-Produkte Kondensmilch und Sahne war eine nach Prozessbedarf regelbare Maschinenleistung von 12 000 bis 19 000 l/h bei Drücken bis 315 bar gefordert. Zudem sollte die Homogenisiermaschine in den vollautomatischen Produktionsprozess der Firma Hochwald eingebunden und ausschließlich programmgesteuert betrieben werden. Um eine maximale Flexibilität im Einsatz zu gewährleisten, wurde die Maschine mit einem Frequenzumrichter VLT 5350 von Danfoss ausgestattet. Mit einer Motorleistung von 250 kW sind dabei noch weitere Kapazitätsreserven bis zu 21 900 l/h möglich.
Umrichtervarianten decken alle Konzepte ab
Der Schaltschrank für das Aggregat wurde von Tetra Pak Processing in enger Zusammenarbeit mit Danfoss konzipiert und geliefert. Dies erforderte die besondere Berücksichtigung der kundenspezifischen Anforderungen für die kritischen Umgebungsbedingungen in der Produktionsanlage.
Die Frequenzumrichtereinheit VLT 5350 mit einem Dauernennstrom von 480 A bei einer Stromreserve von 50 % für 60 s wurde als IP-00-Variante geliefert und in einen V2A-Schaltschrank integriert (Bild 2). Für den Einbau in Schalträumen oder in der Produktionsumgebung werden die Frequenzumrichter der Serie VLT 5000 in Schutzart IP 20 oder alternativ in Schutzart IP 54 ausgeführt. Auf Wunsch können bei den Leistungen von 90 bis 500 kW auf die Montageplatte des Frequenzumrichters bereits Hauptschalter bzw. Hauptschalter mit Halbleitersicherungen oder einfach nur Halbleitersicherungen montiert werden. Bis zu einem Leistungsbereich von 7,5 kW stehen neben den Geräten in Kompaktformat auch Geräte in Buchform zur Verfügung.
Alle Komponenten inbegriffen
Da weitere Komponenten wie Funkentstörfilter und Netzrückwirkdrosseln in der Standardausführung der Serie VLT 5000 bereits integriert sind, fällt kein zusätzlicher Platzbedarf an. Durch die äußerst geringe EMV-Störausstrahlung der VLT-Frequenzumrichter gibt es keine negativen Auswirkungen auf empfindliche Sensorik oder Steuerungssysteme. In den Gerätegrößen von 250 bis 500 kW sind zudem Motordrosseln integriert. Die Baureihe VLT 5000 ist in der Grundausstattung für Motorleitungslängen bis zu 150 m konzipiert und erlaubt dem Projekteur höchste Flexibilität beim Anlagendesign. Bei Verwendung optionaler Sinusfilter ist sogar eine Motorleitungslänge von 300 m möglich.
Die Umrichter verfügen über großzügig dimensionierte Zwischenkreiskondensatoren, damit dem Motor unabhängig von Netzspannungsschwankungen die volle Ausgangsspannung zur Verfügung steht. Eine Überdimensionierung des Frequenz-umrichters ist nicht notwendig. Die Netzrückwirkdrosseln minimieren die niederfrequenten Störspannungen und leisten einen wesentlichen Beitrag zur Reinhaltung des Netzes.
Hohe Dynamik und Variabilität
Das verwendete Regelverfahren VVCplus bietet Reaktionszeiten im Bereich von 2 ms und hervorragende Gleichlaufeigenschaften. Auch dynamische Anwendungen im Grenzbereich zur Servoantriebstechnik lassen sich kostengünstig mit Standard-Asynchronmotoren lösen. Aufgrund der Variabilität der VLT-5000-Serie können nahezu alle in einer Produktionsanlage vorkommenden Applikationen mit einer Gerätebaureihe gelöst werden. Hierdurch können die Lagerhaltung sowie auch der Schulungsaufwand für das Bedienpersonal sehr effizient gehalten werden. In der Milchproduktion von Hochwald in Weiding wurden von Tetra Pak Processing weitere VLT 5000 für verschiedenste Anwendungen an Rührwerken und Pumpen eingesetzt. Darüber hinaus verwendet man den VLT 5000 auch als Antriebsumrichter für Separatoren.
Sicherer Schutz für mehrere Motoren
Die Umrichterserie verfügt über vier vollwertige Parametersätze. Eine integrierte ETR-Funktion kann über die vier Parametersätze bis zu vier Motoren gegen Erwärmung infolge von Überlast ohne Mehrkosten für den Anlagenbauer oder Anlagenbetreiber absichern. Da bei allen Danfoss-Serien unbegrenztes Schalten am Frequenzumrichterausgang möglich ist, kann die Funktionalität für Mehrmotorenbetrieb ohne Einschränkung genutzt werden. Werden Motoren mit Kaltleiterfühlern am Umrichter betrieben, können diese direkt an den Steuereingängen des VLT 5000 angeschlossen werden, so dass keine zusätzlichen Kosten für Auslösegeräte entstehen.
Parameterübertragung
Für das Vorhalten der Parameterwerte stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Im einfachsten Fall werden die Einstellwerte in das Klartext-Bedienfeld des Umrichters kopiert und im Austauschfall einfach in den neuen Frequenzumrichter zurückgeladen. Mit dem Softwaretool MCT10 lassen sich die Parameter über eine Schnittstellenverbindung RS485 oder bei Profibusanlagen in einer DPV1-Verbindung komfortabel über die Profibusleitung sichern.
Die DPV1-Funktionalität ermöglicht zudem eine direkte Diagnose über den Profibus. Wenn die DPV1-Funktionalität für die Parameterhaltung im Steuerungskonzept mitgenutzt wird, kann in erheblichem Umfang im E/A-Bereich des Mastersystems eingespart werden, da die zyklischen Dienste des Parameterkanals entfallen können. Die Parameterdaten werden nur bei Bedarf übertragen. Bei bisheriger Verwendung des Telegrammtyps 1 (PPO-Typ 1) kann nun zum Beispiel Typ 3 verwendet werden. Das bedeutet bei gleicher Funktionalität der PCD-Daten eine Einsparung beim E/A-Bereich von etwa zwei Dritteln. Die Geräte mit DPV1-Funktionalität sind abwärtskompatibel in DPV0-Anlagen einsetzbar.
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