Safety in der Produktionslinie

Andreas Mühlbauer,

Modular – mit Sicherheit

Das Unternehmen AWL-Techniek ist ein Vorreiter in der Modularisierung von Produktionslinien. Bei der Umsetzung des Modulkonzepts hat Turck den niederländischen Maschinenbauer mit einem dezentralen Safety-Konzept unterstützt. Das Projekt beweist, wie modulare Maschinenkonstruktion Flexibilität schafft und Durchlauf- und Inbetriebnahmezeiten verkürzt.

Die Signale der Schweißkappenfräser bringt ein I/O-Hub TBIL zum IO-Link-Master (im Hintergrund). © Turck

Wer heute eine Küche im Online-Konfigurator zusammenstellt, erlebt Modularität in Reinform. Dabei sind die einzelnen Module wiederum aus Modulen für die Seitenwände, Bodenplatten, Rückwänden und Einlegeböden gebildet. Am Ende kann man aus verschiedenen Dekors die Fronten und Blenden wählen, ein Griffdesign sowie eine passende Arbeitsplatte.

An diesem Beispiel wird deutlich, dass Modularität ohne Standardisierung nicht denkbar ist. Erst wenn definierte Abstände, Maße, Bohrungen und Anschlüsse für Wasser oder Gas vorhanden sind, lassen sich die Vorteile einer modularen Produktionsstrategie nutzen: hohe Variantenvielfalt und Flexibilität bei kurzen Durchlauf- beziehungsweise Liefer-zeiten und moderaten Preisen.

Mit diesen und weiteren Argumenten überzeugt auch Matthijs Varwijk Interessenten und Kunden vom modularen Maschinenkonzept. Varwijk ist Projekt-Manager R&D und zudem verantwortlich für die Modularisierungsstrategie beim niederländischen Maschinenbauer AWL-Techniek in Harderwijk. Mit mehr als 750 Mitarbeitern an fünf Standorten weltweit hat sich AWL mit seinen automatisierten Schweiß- und Verbindungsstrecken vor allem in der Automobilbranche einen Namen gemacht. Große Autobauer, Zulieferer und viele weitere Kunden weltweit nutzen die Maschinen der Niederländer in ihren Produktionsstraßen.

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Ein interdisziplinäres Team um Varwijk stellte 2017 das Maschinenportfolio von AWL auf Modularität um und legte nach und nach die Standards der neuen Line fest. Dabei musste er zunächst auch intern Überzeugungsarbeit leisten. Gerade in der Übergangsphase vom klassischen zum modularen Produktionslayout sind die Vorteile nicht immer deutlich erkennbar. Zunächst müssen Standards definiert werden, was oft auch mit Einschränkungen verbunden ist.

Den ersten Standard setzte AWL mit dem Namen der Produktreihe: Die M-Line steht einerseits für eine modulare Produktreihe, andererseits verbildlicht der Begriff „Line“ auch die Produktionslinie, zu der die einzelnen Module zusammengesetzt werden. Die Basis jedes Moduls bildet ein Stahlrahmen-Quader, der so bemessen ist, dass er in einen ISO-Container passt. Das spart viel Zeit und Kosten bei Transport und Inbetriebnahme der Maschine. Der Kunde kann die Anlage später auch einfach erweitern oder umbauen, da die Module mit entsprechend ausgelegten Staplern wieder neu in der Produktionshalle arrangiert werden können.

Modularisierung braucht Standards

Mit dem Basisrahmen wurden drei zentrale Modultypen definiert, aus denen die M-Line zusammengesetzt werden soll: ein Operator-Modul, in dem ein Werker Bauteile einlegen und Prozesse starten kann, ein Indexer-Modul, das Drehtische oder andere Vorrichtungen zum Handling der Werkstücke umfasst und ein Prozessmodul, das Werkstücke zum Beispiel mit Schweißrobotern oder anderen Werkzeugen bearbeitet. Zugute kommt AWL dabei die Ethernet-Multiprotokoll-Technologie für I/O-Module von Turck. Sie erlaubt es dem Hersteller, in jedem Modul seiner M-Line identische I/O-Blockmodule einzusetzen – egal ob der Kunde eine Profinet- oder Ethernet/IP-Steuerung bevorzugt. „Wir wollten so viele standardisierte Komponenten wie möglich und auch einen weitgehend standardisierten Schaltschrank. Im Idealfall haben wir eines Tages nur noch eine PLC und ein Netzgerät im Schaltschrank“, sagt Hardware-Ingenieur Jasper van Kooij. So weit ist man heute noch nicht, aber im Schaltschrank der AWL-Module ist bereits viel Luft. Dazu tragen auch die IP67-I/O-Hybrid-komponenten für Standard- und Safety-Signale von Turck bei.

Das Konzept einer modularen IP67-IO-Link-Safety-Lösung überzeugte AWL: Den Kern der Lösung bildet das hybride Safety-I/O-Modul TBPN. Das Modul hat einen integrierten Sicherheits-Controller, der Profisafe über Profinet zur Steuerung spricht. Das Modul verfügt jeweils über vier sichere I/Os, zwei klassische digitale I/Os und zwei IO-Link-Ports. An einem der sicheren I/Os ist die Safety-Abschaltbox TBSB angeschlossen, die im Ernstfall die Aktorspannung V2 sicher abschaltet.

Die Spannungsversorgung für alle Module läuft ebenfalls über die Safety-Abschaltbox. So ist sichergestellt, dass beispielsweise bei einem Not-Halt kein Aktor mehr versorgt ist und sich nichts mehr in der Maschine bewegen kann. Die Sensorik bleibt aktiv, da sie über V1 versorgt wird. So ist die Maschine in der Steuerung immer sichtbar. Die digitale Sensorik und Aktorik der Schweißkappenfräser ist an I/O-Hubs angeschlossen, die wiederum mit dem Turck-IO-Link-Master TBEN-L-8IOL kommunizieren. Der IP67-Block stellt vier IO-Link-Ports nach dem Class-A- und vier nach dem Class-B-Standard bereit. Letzterer trennt die Spannung für Sensorik (V1) von der Aktorik (V2). So lässt sich auch über IO-Link die Stromzufuhr sicher abschalten. In ähnlichen Projekten in den USA setzte AWL bereits das TBIP-Modul ein. Es ist hardwareseitig baugleich mit dem TBPN, jedoch für EtherNet/IP und CIP-Safety-Kommunikation ausgelegt.

Sensor- und Aktorspannung galvanisch getrennt

„Andere Hersteller haben auch Module, die angeblich V1 und V2 getrennt haben. Aber wenn man sich das genau ansieht, ist es nicht konsequent, und V1 und V2 teilen sich zum Beispiel den Minuspol“, sagt van Kooij. Die geteilte Erde kann im Fall eines Kurzschlusses fatal sein. Ein einfacher Isolationsfehler reicht dann, um die gesamte Sicherheitslösung auszuhebeln – einer der Gründe für das vollständig galvanisch getrennte System. „Das komplette Angebot und konsequent getrennte V1- und V2-Kreise konnte uns nur Turck bieten.“

Durch den Einsatz der IP67-Lösung inklusive Safety und I/O-Hubs mit IO-Link spart AWL viel Verdrahtungsarbeit. Die Verteiler übertragen als IO-Link-Device digitale Signale von Aktoren und Sensoren im IO-Link-Protokoll und bringen sie zum IO-Link-Master, von wo sie per Ethernet zur Steuerung gelangen. Ein weiterer Grund war für van Kooij und Varwijk, dass die bidirektionale Schnittstelle die Standardisierung der M-Line befeuert. Die sichere Signalübertragung über Dreidraht-Leitungen macht viele speziell geschirmte Leitungstypen und Spezialkabel überflüssig. IO-Link sorgt auch für eine höhere Verfügbarkeit der Maschine: Teil der M-Line ist das Dashboard-System Lyla. Es sammelt Daten von verschiedenen Maschinen, wertet sie aus und überwacht so Funktion und Leistung der Maschine. Möglich wird das auch durch die Diagnosedaten über IO-Link.

Globaler Automatisierungs- partner gesucht

Die aktuelle M-Line-Generation baut AWL für einen deutschen Autobauer beziehungsweise dessen Zulieferer. Neben dem IP67-Konzept schätzen die Niederländer an Turck, dass das Unternehmen als global aufgestellter Automatisierungspartner auch bei Automotive-Projekten in den USA, Mexiko und China dieselben Lösungen anbieten und unterstützen kann wie in Europa. „Wir brauchen einen Partner, der auch global zu uns passt. Den haben wir mit Turck gefunden“, sagt Matthijs Varwijk.

Die Modularisierung der Steuerungsebene steht noch aus. Hier muss bislang noch jedes Steuerungsprojekt neu aufgesetzt werden, lediglich Funktionsbausteine lassen sich wiederverwenden. Das Modularisierungsprojekt ist aber ohnehin nie abgeschlossen. AWL-Kunden nehmen die M-Line bereits sehr gut an. Einen großen Vorteil sehen sie in der Skalierbarkeit der Maschinen. Es ist kein Problem, ein Operator-Modul später durch eine automatisierte Lösung zu ersetzen, um den Ausstoß zu erhöhen.

Michael Flesch, Produktmanager Safety-Systeme, Turck

SPS, Halle 7, Stand 250

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