Drahtlos mit 2 Megabit pro Sekunde

Westlicher Rand der Schwäbischen Alb, Fundort gut erhaltener Saurierskelette aus der Urzeit und Naherholungsgebiet. Mitten in dieser schönen Umgebung und fast direkt am Feldrand gelegen hat die Leuze electronic GmbH & Co ihren Sitz. In der Empfangshalle können sie übrigens einen Ichthyosaurier in einer Schieferplatte bewundern ¿ 160 Millionen Jahre alt. Langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der optischen Übertragung brachte für die Automatisierungstechnik eine wichtige Weiterentwicklung hervor : Eine optische Datenübertragung mit einer Baudrate von 2 Megabit pro Sekunde auf einer maximalen Distanz von 300 Metern. Dies setzt neue Maßstäbe für den Einsatz in Fertigungs- und Produktionslinien.
Schnell bewegte Kabelbäume in Fertigungsstraßen sind im ,,Dauerstress". Und man fragt sich oft, wie lange halten sie dieser Beanspruchung eigentlich noch stand? Ob freihängend oder verpackt in Energiezuführungssystemen, ob speziell für diese Anwendung gefertigt ¿ sie verschleißen im Dauerbetrieb, wie jede Mechanik. Ein simpler Kabelbruch kann in der modernsten Fertigungsstraße eine Katastrophe auslösen. Wer keinen Produktionsausfall riskieren möchte, muss in engen Intervallen warten und austauschen ¿ mit hohem Zeit und Kostenaufwand.
Bei der Datenübertragung mit Lichtschranken auf mobile Systeme mit einer linearen Bewegung treten diese Probleme erst gar nicht auf. Wartungsintervalle gibt es natürlich auch hier, aber oft reicht ein einfacher ,,Kontrollblick", wie wir später sehen werden. Die Daten werden kontaktlos, verschleißfrei und durch die Weiterleitung über Lichtwellenleiter störungsfrei übertragen, auch bei vorhandenen Magnetfeldern. Das Prinzip einer optischen Datenübertragung zwischen einer Feststation und einem mobilen Teil ist immer gleich. Sie kommuniziert üblicherweise mit einem System, das permanent eine präzise Entfernungsmessung vornimmt.
Schnittstellenproblem gelöst
Gehen wir näher auf die Vorteile ein und beginnen mit einem bekannten Thema ¿ den Schnittstellen. Herr Tippmann, Produktmanager bei Leuze, erklärte uns dazu : Bei BMW in Dingolfing und Michelin in Karlsruhe haben wir Schnittstellen realisiert, die es in dieser Kombination mit Datenlichtschranken auf dem Markt bisher noch nicht gibt. Bei BMW wurde der Interbus-S in Lichtleitertechnologie mit zwei Megabit pro Sekunde von Phoenix Contact und bei Michelin der bewährte Data Highway+ (DH+) von Allen Bradley eingesetzt. Hier sind wir Alleinanbieter.

Die Fertigungs- und Montagelinien für die Rohkarossenfertigung des 7-er BMW mit den bislang üblichen Schleppketten wurden komplett modernisiert. Beteiligt an dieser Umsetzung waren die Firmen Phoenix Contact, SAT und die Leuze electronic mit der neuentwickelten Datenlichtschranke. Lagen die Übertragungsraten bei Kupferkabeln über Interbus-S bislang bei 500 Kilobit pro Sekunde, können sie jetzt kontaktlos mit zwei Megabit und angeschlossenen Kunststoff-Lichtwellenleitern übertragen werden. Diese höheren Übertragungsraten würden auch mit einer Kupferleitung nicht viel Sinn machen, denn je höher die Baudrate, umso störanfälliger wird die Übertragung.
Für eine absolut fehlerfreie Datenübertragung bei der Rohkarossenfertigung mit den hohen elektromagnetischen Beeinflussungen kommen nur Lichtwellenleiter in Frage. Kunststoff-Lichtwellenleiter sollten aber eine Länge von 50 Metern nicht überschreiten, da sonst die Dämpfung zu groß wird. Zu den Eingangs erwähnten Problemen einer mechanischen Dauerbelastung bei herkömmlicher Datenübertragung käme jetzt auch noch die Längenbegrenzung hinzu -- und damit eine Einschränkung der Fahrstrecke der mobilen Einheit. Bei BMW werden die Rohkarossen von den sogenannten Umsetzbrücken aber über eine Entfernung von 120 Metern in einen Produktionsspeicher transportiert. Für die neue Datenlichtschranke DDLS 200 ist dies mit 300 Metern Übertragungsdistanz zwar kein Problem, aber was machen Sie wenn Sie in Ihrer Produktion in der Summe mehr als 50 Meter Lichtwellenleiter benötigen? Leuze hat die Lösung bereits in der Datenlichtschranke integriert: Es ist ein Verstärker. In der Praxis hat dies den Vorteil, dass Sie mit Ihrer ,,Längenberechnung" eines weiteren Lichtwellenleiters wieder bei Null beginnen können.

Je größer die Anzahl der Komponenten in einem System, um so höher ist die Wahrscheinlichkeit für Störungen. Sie haben zwei Lichtschranken und ein System zur Entfernungsmessung wie beispielsweise ein Laser. Und dann gibt es ja auch noch die Montage. Wie bekommt man das in den Griff? Die Frequenzumtastung ist ein bekanntes Verfahren um Störungen wie optisches Übersprechen auszuschließen, falls eine spiegelnde Fläche den Infrarotstrahl auf den Empfänger zurückwirft. Die Frequenzen der beiden Lichtschranken ¿ sie werden immer nur paarweise ausgeliefert -- sind so eingestellt, dass der Empfänger der Sendeseite nur für die Frequenzpaarung seines Gegenübers ,,geöffnet" ist.
Die Datenlichtschranken sind bei uns so konzipiert, erläuterte uns Herr Tippmann, dass sie zusammen mit einem Laserentfernungsmesser arbeiten können, der direkt daneben positioniert ist. Der Infrarot-Strahl sieht den Reflektor natürlich auch und damit auch sein eigenes Licht, aber das ist bei unseren Produkten kein Problem, es wird einfach ausgefiltert. Ein Basisabstand zum Laser, wie sonst vielfach notwendig, muss nicht eingehalten werden.
Auch bei der Verbesserung des Abschaltverhaltens bei Störungen wie einer teilweisen oder vollständigen Strahlunterbrechung oder einem kurzzeitigen Stromausfall sind den Entwicklern die Ideen nicht ausgegangen. Die Abschaltung ist für den Bus völlig rückwirkungsfrei, das heißt, es werden keine fehlerhaften Signale rückwärts in den Bus induziert. Die ,,Überlegung" der Lichtschranke, ob sie das Signal noch einwandfrei sehen kann, dieses Hin und Her mit möglicherweise fehlerhafter Übertragung stellt sich hier nicht. Eine spezielle Funktion sorgt für klare Verhältnisse.
Die Ampeljustierung
Der Monteur stellte sich in der Vergangenheit häufig eine Frage, die wir alle nur zu gut auch aus unserem privaten Umfeld kennen: Warum muss das alles immer so kompliziert sein? Leuze hat sich daher für die exakte Justierung der Datenlichtschranken etwas ganz Besonderes einfallen lassen. Die Ausrichtung und Inbetriebnahme kann von einer Person alleine bewerkstelligen werden und das oft mühsame Anvisieren der zweiten Station über ein integriertes Zielfernrohr ist nicht mehr nötig ¿ es ist auch gar keines mehr eingebaut. Das Zauberwort heißt Bargraph. Gemeint ist damit eine LED-Leiste auf der Frontseite der Lichtschranken in den Farben rot, orange und grün.
Der Monteur erhält dadurch bei der Justage eine genaue Aussage darüber wie viel Licht der Empfänger sieht. Alles weitere ist wie bei einer Ampel, bei rot geht gar nichts, bei gelb müssen Sie aufpassen und bei grün können Sie fahren, beziehungsweise die Ausrichtung ist perfekt. Genaugenommen haben Sie sogar sechs grüne LEDs und wenn alle leuchten heißt das so viel wie: Grüner wird¿s nicht. Auf Knopfdruck können Sie sogar die Signalstärke der anderen Lichtschranke abrufen und benötigen auch hierfür keine zweite Person. Kommen wir jetzt zu der Eingangs erwähnten Wartung und dem einfachen Kontrollblick zurück. Tippmann: Der enorme Vorteil dieses Systems besteht darin, dass mit einem Blick auf diese LEDs auch eine kleine Dejustierung sofort erkennbar ist. Besonders wichtig für die Anwendung bei vollautomatischen Fertigungsstraßen ist die Möglichkeit zusätzlich über ein 24 Volt Signal eine ,,Vorwarnung " weiterzuleiten - beispielweise wenn die letzte grüne LED ausgeht.

Reifen wohin man schaut
Auch der Reifenhersteller Michelin setzt in seinem Werk in Karlsruhe diese Datenlichtschranken ein ¿ mit einer Allen Bradley Schnittstelle. Das Produktionsprogramm umfasst ca. 80 verschiedene Reifentypen und die Tagesleistung liegt bei 3.500 Stück! Produziert wird im 3-Schicht-Betrieb an sieben Tagen rund um die Uhr. Je nach Auslastung der Qualitätssicherung werden die Reifen in einer Pufferzone zwischengelagert oder direkt weiterverarbeitet. Dieses Zwischenlager wird von vier Produktionslinien genutzt, erstreckt sich auf eine Länge von über 40 Metern mit vier Straßen und kann 500 Reifen aufnehmen. Jeder Reifen wird von einem speziell konstruierten Bedienroboter an einen von der Steuerung vorgegebenen Lagerort gebracht. Die Notwendigkeit einer absolut präzisen Datenübertragung kann man sich hier vielleicht noch am besten vorstellen. Alle Abläufe sind automatisiert und die notwendigen Informationen werden zuverlässig von den Datenlichtschranken übertragen. Der gesamte Prozess wurde durch Rockwell Automation vernetzt und mit Data Highway+ aufgebaut.

Der Anwender hat bei Allen Bradley die Wahl zwischen den Protokollen DH+ oder RIO (Remote Input Output) und kann die Baudraten mit 57,6, 115,2 oder 230,4 Kilobit pro Sekunde selbst bestimmen. Neben den genannten Schnittstellen wird natürlich auch Profibus FMS, DP und MPI unterstützt, die beiden Letzten auch im Mischbetrieb.
Eine eingebaute Heizung für den Einsatz in Kühlhäusern, die Schutzart IP65 und eine Zulassung für UL und CSA sind bei diesem Produkt eine Selbstverständlichkeit.
Ergänzend bleibt zu sagen, dass die Firma Leuze auch für die Entfernungsmessung eine Neuentwicklung anbietet: Ein Barcode Positioniersystem. Dieses optische Messsystem ermittelt mit einem sichtbaren Rotlichtlaser die Position der mobilen Einheit zu einem Barcodeband, das einfach seitlich der Fahrstrecke angeklebt wird. Ein ganz wesentlicher Vorteil im Vergleich zum Laser ist, dass so auch bei kurvengängigen Systemen die genaue Distanz gemessen werden kann. Das Band wird in Rollen bis 10 (!) Kilometer Länge geliefert und ist äußerst strapazierfähig.

Resumeé
Nach längeren Tests haben sich BMW und Michelin für diese Methode der Datenübertragung entschieden und arbeiten damit rund um die Uhr. BMW hat darüber hinaus veranlasst Datenlichtschranken werksübergreifend für alle optischen Übertragungen freizugeben. Vielleicht ein Startsignal für Andere den Einsatz dieser ,,2 Megabit" Datenlichtschranken gerade in den vollautomatisierten Fertigungsstraßen zu überdenken. Sie arbeiten kontaktlos und verschleißfrei, sind nicht störanfällig und auch noch wartungsfreundlich.
Dr. Peter Stipp

Links: http://www.leuze.de, http://www.phoenixcontact.com, http://www.sat.de, http://www.rockwellautomation.com