SMT setzt bei der Modernisierung ihrer Reflow-Lötsysteme Quattro Peak L Plus auf Frequenzumrichter Sinamics V20 von Siemens

SMT setzt bei der Modernisierung ihrer Reflow-Lötsysteme Quattro Peak L Plus auf Frequenzumrichter Sinamics V20 von Siemens Siemens

Mit dem SMD-Reflow-Ofen SMT Quattro Peak L Plus können unterschiedliche Produkte für die Elektronikindustrie im Durchlaufprinzip gelötet werden. Die verschiedenen Lötprofile lassen sich durch Variation der Prozessparameter, wie Temperatur, Transportgeschwindigkeit,  Lüfterstufe, Stickstoffgehalt oder Transportbreite realisieren. Für einen effizienten Lüfterbetrieb braucht man entsprechend arbeitende Frequenzumrichter. Andreas Stemmler, technischer Leiter bei SMT erklärt: „In einem Reflow-Ofen verbrauchen die Lüfter einen großen Teil der eingesetzten Anlagenenergie, weshalb wir dort nach einer neuen Lösung gesucht haben.“

Energieeinsparungen durch einzelne Lüfteransteuerungen

Einzeln frequenzgeregelte Lüfterantriebe in der Anlage erhöhen sowohl die Prozessstabilität als auch die Energieeffizienz

Einzeln frequenzgeregelte Lüfterantriebe in der Anlage erhöhen sowohl die Prozessstabilität als auch die Energieeffizienz Siemens

Spürbare Einsparungen lassen sich mit den Frequenzumrichtern Sinamics V20 von Siemens erzielen. Sie treiben die 370-W-Drehstrom-Asynchronmotoren einzeln, drehzahlgeregelt an. Damit brauchen die Lüfter beispielsweise in einer Reflow-Lötanlage mit 3,6 m Heiz- und 1,5 m Kühlzone (1-spurig) in der höchsten Lüfterstufe 6,0 kW elektrische Leistung, in der niedrigsten Lüfterstufe inklusive Sleeping-Mode allerdings nur 1,6 kW. Stemmler ergänzt: „Jetzt, wo wir keine Frequenzumrichter-Gruppen mehr bilden, sondern auf einzelne Lüfteransteuerungen gewechselt haben, kann dieses Energieeinsparpotenzial im laufenden Prozess optimal genutzt werden.“ Der günstige Preis und die kompakte, robuste Ausführung der Geräte machen es möglich.

Andreas Stemmler, Heinz Ballmann und Tobias Schillinger (von links nach rechts) vor einer Lötanlage, die rund um die Uhr in Betrieb ist

Andreas Stemmler, Heinz Ballmann und Tobias Schillinger (von links nach rechts) vor einer Lötanlage, die rund um die Uhr in Betrieb ist Siemens

Bisher gab es bei den SMT-Reflow-Anlagen lediglich vier unterschiedliche Lüfterstufen. Mit der neuen Frequenzumrichterlösung können die Antriebe stufenlos angesteuert werden. Dadurch lassen sich die einzelnen Bereiche in der Anlage optimal und energieeffizient regeln. Der SMT-Experte weiß aus Erfahrung, dass allein eine Frequenzreduzierung von 50 Hz auf 45 Hz zu einer um 20 Prozent geringeren Stromaufnahme am Lüftermotor führt. Dazu muss man wissen, dass die Lüfterantriebe die meiste Energie zum homogenen Verteilen der 140 °C bis zu 350 °C heißen Stickstoffatmosphäre in Reflow-Lötsystemen benötigen.

Ein weiterer Vorteil der neuen Konstruktionsweise, bei der jeder Lüftereinheit ein eigener Frequenzumrichter zugeordnet wird, ist der modulare Aufbau der Lötsysteme. Bisher ließ sich eine von Kunden gewünschte Prozessindividualität konstruktionsseitig nur mit viel Aufwand realisieren, denn ein SMD Reflow-Lötsystem hat beispielsweise fünf Vorheizzonen, drei Peak-Zonen und drei Kühlzonen. Hinzu kommen noch Lüfter für das Reinigungssystem. „Durch die teils empfindlichen elektrischen und elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte müssen Temperaturen und Temperaturverteilungen präzise passen“, betont Stemmler.

Umrichterlösung für hohe Prozessstabilität und Verfügbarkeit

Aneinandergereiht liefern die Sinamics V20 über Modbus-Kommunikation zahlreiche Prozess- und Diagnoseinformationen

Aneinandergereiht liefern die Sinamics V20 über Modbus-Kommunikation zahlreiche Prozess- und Diagnoseinformationen Siemens

Durch den Einsatz der kompakten Frequenzumrichter gestaltet sich die homogene Wärmeübertragung auf die Leiterplatte einfach. Es gibt die Geräte in sieben Baugrößen mit Leistungsbereichen zwischen 0,12 kW und 30 kW. Entscheidend für die Wahl dieser kleinen Frequenzumrichter war, dass sie in vielen Eigenschaften den großen Ausführungen entsprechen. Beispielsweise haben auch die kleinen Frequenzumrichter standardmäßig integrierte C1-Filter. Aufgrund ihrer guten EMV-Eigenschaften lassen sie sich sogar in Wohnbereichen einsetzen. „Ein entscheidender Aspekt beim Einsatz der neuen Geräte war für SMT allerdings auch die Baugröße“, berichtet Heinz Ballmann, Leiter Industriezentrum Würzburg, der Sonepar Deutschland, der die Lötexperten in Wertheim beraten hat.

Im Zuge von Industrie 4.0 lassen sich die Prozessdaten systematisch für Prozessoptimierungen nutzen.

Im Zuge von Industrie 4.0 lassen sich die Prozessdaten systematisch für Prozessoptimierungen nutzen. Siemens

Die Frequenzumrichter hatten bisher eine Baubreite von 90 mm und benötigen jetzt mit nur 63 mm weniger Platz im Schaltschrank. Hinzu kommt, dass die Geräte direkt aneinandergereiht werden dürfen und für den Dauerbetrieb ausgelegt sind. „Das ist Grundvoraussetzung für diese Art von Lötsystemen, denn sie laufen in der Regel rund um die Uhr und werden durch die hohen Temperaturen extrem belastet, und SMT bietet auf die Lüftermotoren eine Gewährleistung von zehn Jahren“, erklärt Antriebsexperte Tobias Schillinger, Promotor Drives Technologies bei Siemens.

Einfache Parametrierung plus umfangreiche Diagnose

Verbrauch einer Reflow-Lötanlage mit Umrichter Sinamics V20

Verbrauch einer Reflow-Lötanlage mit Umrichter Sinamics V20 Siemens

Mit dem Einsatz der neuen Frequenzumrichter ist jetzt auch eine Diagnose möglich. Sie unterstützt die Langlebigkeit der Lüftereinheiten und damit die Verfügbarkeit der Anlagen. Bisher gab es zum Schutz der Lüfterantriebe einen FI-Schalter und einen Schütz zum Abschalten der Antriebe. Jetzt genügt eine Sicherung vor den Frequenzumrichtern gegen Kurzschluss. Zusätzlich erhält die Anlage umfangreiche Diagnoseinformationen über den Betrieb der Sinamics und der entsprechenden Lüftereinheit. Sie werden per Bus-Kommunikation an die Steuerung übertragen.

Kompakte Frequenzumrichter erschließen Einsparpotenzial

Mit Sinamics V20 können individuelle und stufenlose Lüfteransteuerungen realisiert werden. Basis ist die 1:1-Zuordnung an den Frequenzumrichtern, die aufgrund ihres kleinen Formfaktors nur wenig Platz auf der Schalttafel beanspruchen. Durch Frequenzreduzierung lässt sich zusätzlich Einsparpotenzial erschließen. Die Lüfter geben Rückmeldungen über ein Bussystem und erlauben so eine zuverlässige Prozessüberwachung.

Über einen zyklischen Schreib-/Lesezugriff lassen sich Prozess- und Steuerdaten übermitteln. Interessant sind einerseits die integrierte Energiedatenerfassung und andererseits der Betriebsstundenzähler. Aber auch Werte wie Strom, Leistung, Temperatur sowie die Eigendiagnose des Geräts sind bei einem Low-Cost-Gerät wie dem V20 nicht unbedingt Standard. Der Frequenzumrichter kann sogar die Motortemperatur sowie die Lüfterdrehzahl über den Soll-Ist-Vergleich des Motormodells erfassen. „Durch Überwachen der Umlaufgeschwindigkeit lassen sich ein konstanter Prozessgasstrom sowie eine gesicherte Wärmeübertragung auf Leiterplattenebene einfach regeln“, betont Stemmler.

Die erste Parametrierung funktioniert online mithilfe der Modbus-Kommunikation. Im Workflow geht es mithilfe des Parameter-Loaders von Siemens, der eine SD-Karte für die Datenspeicherung enthält, noch einfacher. Der Loder kann beispielsweise schon in der Werkstatt genutzt werden, um die vorhandene Parametrierung eines Geräts auszulesen oder direkt in das Gerät zu übertragen. Ein solches Klonen funktioniert im spannungslosen Betrieb, denn der Parameter-Loader hat eine eigene Spannungsversorgung. Bei SMT werden die Geräte auf diese Weise bereits im Lager parametriert und sind später sofort zur Inbetriebnahme bereit.

Kompakte Frequenzumrichterlösung bringt Vorteile

Statt Lüftermotoren und Frequenzumrichter als Einheit zu verbauen, setzt SMT in den Reflow-Lötsystemen auf eine dezentrale Lösung: Während die Lüfterantriebe über den Prozessbereichen angebracht sind, befinden sich die Frequenzumrichter seitlich an der Maschine – also außerhalb der größten Hitzezonen. Hier erweist es sich als Vorteil, dass die Geräte sowohl für die Wand- als auch für die Durchsteckmontage genutzt werden können. Sie werden in Reihe kompakt auf eine Schalttafel montiert und sind dort im Servicefall leicht zugänglich.

Die kompakten Frequenzumrichter haben sich in Verbindung mit der Modbus-Kommunikation und der integrierten Diagnose als sehr gute Lösung erwiesen. Damit konnte nicht nur die konstruktive Seite der Reflow-Lötsysteme entscheidend verbessert werden, sondern auch die energetische. In beiden Fällen profitieren Hersteller und Betreiber davon: Die Anlagen sind nun modular aufgebaut und lassen sich in das betriebseigene MES-System beim Anwender einbinden. Dabei liefern sie wichtige Informationen über Prozessstabilität, Energieeffizienz und Service. „So bringen wir Qualität und Energieeffizienz systematisch ins Lot“, resümiert Stemmler.

electronica 2016: Halle A6, Stand 107