Feldbus ohne Feld

Üblicherweise nutzt man Feldbussysteme zur möglichst einfachen Verkabelung ausgedehnter Anlagen. Die Vorteile eines Bussystems lassen sich aber auch in kompakten Maschinen und Anlagen durchaus nutzen, auch dann, wenn man mit ¿spitzem Bleistift¿ rechnet. Davon konnte sich SCOPE-Redakteur Meinolf Droege bei einem Besuch der Kölner Firma Iplas überzeugen.

Domäne der Feldbussysteme ist die dezentrale Automatisierungstechnik. In größeren, verzweigten Anlagen ¿ im Feld eben ¿ spielen sie ihre Vorteile gegenüber der konventionellen Verdrahtung voll aus: Nur ein Kabelstrang (oder sehr wenige) und unkomplizierte Anschlusstechnik senken die Kosten bei der Fertigung, beim Aufbau, bei der Fehlersuche und bei der Wartung. Auch wenn die bus-tauglichen Komponenten in der Regel etwas teurer sind als funktional gleichwertige in konventioneller Technik, ist der Gesamtaufwand doch in aller Regel deutlich niedriger.

Anders sieht die Rechnung aus bei kompakten Schaltschränken und Maschinen: Hier wiegen die geringen Aufwände bei der Verdrahtung die höheren Kosten der Steuerungsmodule nicht immer auf ¿ aber immer öfter, kann man in Anlehnung an einen Werbespot feststellen.

Interessante und überzeugende Beispiele dafür, dass der Feldbus auch in überschaubaren, kleineren Anlagen wirtschaftlicher sein kann als das Althergebrachte, haben wir bei Iplas in Köln gefunden. Das Kürzel steht für ¿Innovative Plasma Systems¿, und damit ist das Geschäftsfeld auch schon grob umrissen: Auf der Basis eigener Patente entwickelt und baut das Unternehmen unter dem Produktnamen Cyrannus extrem leistungsfähige, mikrowellen-angeregte Plas- maquellen für verschiedene Branchen. Diese Querschnittstechnologie ist variabel nutzbar, Hintergrund ist jedoch immer die Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen Systemen. Anlagen für das Aktivieren von Kunststoffoberflächen vor der Lackierung oder von Geweben vor dem Bedrucken, das Reinigen von Abgasen durch Zerlegen langer Kohlenwasserstoffketten oder die Sterilisation medizinischer Einwegartikel oder Verpackungen sind Beispiele. Gegenüber bisherigen Plasma-Quellen ist die Leistungsdichte um ein Vielfaches höher. Sie benötigen kein Hochvakuum, sondern arbeiten auch unter Niederdruck bis zu atmosphärischen Bedingungen. Damit lassen sich weit preiswertere Pumpen einsetzen, häufig reichen einfache Gebläse aus. Aufwändige Hochvakuumbehälter und Schleusensysteme entfallen.

Mit dieser Technologie kann von den heute in der Regel chargenorientierten Prozessen auf eine Fließfertigung umgestellt werden. Auf jeden Fall werden die Anlagen sehr viel kostengünstiger, die Produktions-Durchlaufzeiten sinken drastisch, gelegentlich auf einen Bruchteil. Ein aktuelles Arbeitsbeispiel findet sich bei der Vorbehandlung großer Kunststoff-Formteile, beispielsweise für den Automobilbau: In weniger als 30 Sekunden können die Oberflächen plasma-behandelt werden und so die Haftung von Lackschichten erheblich verbessern.

Iplas baut nicht nur die Quellen sondern leistet das Engineering um sie praxisgerecht einsetzen zu können. Im Prinzip handelt es sich um einen ¿Sondermaschinenbau der Extraklasse¿ wie Geschäftsführerin Dr. Hildegard Sung-Spitzl nicht ohne Stolz feststellt. Die Technologie ist noch sehr neu, hat sich aber bereits in verschiedenen Anwendungen bewährt. ¿Wir liefern an die Industrie, und die will keine Prototypen, neben denen ein Techniker stehen bleiben muss. Wir haben von Anfang an nicht nur auf die technische Leistungsfähigkeit des Kernprodukts, der Quelle, sondern auf deren wirtschaftlichen Einsatz unter rauhen Praxisbedingungen und stabilen, wartungsarmen Betrieb gesetzt¿, so Dr. Sung-Spitzl.

Konsequent modularisieren

Dazu gehört, dass nicht bei jeder Anlage das Rad neu erfunden werden darf. Bisher wurde jede neue Anlage im Prinzip komplett neu konzipiert, auch die Steuerungstechnik. Seit Mitte 1999 setzt Iplas konsequent auf die Modularisierung der Systeme, so dass zumindest der weit überwiegende Teil der für eine spezielle Anwendung benötigten Einheiten ¿aus dem Regal¿ gezogen werden kann. Quellen, Regler, Sicherheitseinrichtungen und Überwachungseinheiten, Ventil- und Pumpensteuerungen und andere Module sollen je nach Anforderungen wie ein Baukasten zusammen zu fügen sein, um den Aufwand für Engineering, Dokumentation, und Inbetriebnahme zu minimieren.

Um das zu realisieren, ist Iplas sehr systematisch vorgegangen: Andreas Becker, Projektmanager: ¿Wir haben zunächst eine Versuchsanlage konzipiert, die quasi alles kann, so eine Art Superanlage. Das Gesamtsystem einschließlich der Steuerungstechnologie wurde in kleine, sinnvolle, für sich funktionsfähige Einheiten zerlegt. Diese Module sind sukzessive im Laufe des letzten Jahres serienreif entwickelt, getestet und in bestehende Anlagen eingebaut worden. Weitere Einheiten, und damit ein weitgehend kompletter Baukasten, werden bis Mitte 2000 zur Verfügung stehen.¿

Wenn die Anlagen schon modular aufgebaut sind, sollte auch die Steuerungstechnik diesem Prinzip folgen. Es zeigt sich, dass in derart komplexen Anlagen bis zu 40 Prozent der Gesamtkosten in der Steuerungstechnik stecken, und zwar auch in der Dokumentation und Fehlersuche. Diese Probleme sind mit Einsatz des Feldbusses und busfähigen Stellgliedern und Sensoren weitgehend behoben. Wenn 80 Prozent einer Anlage aus vorgefertigten Komponenten zusammengestellt werden können, ist der Anteil ¿vorgefertigter¿ Steuerungstechnik üblicherweise mindestens genau so hoch. Mit der Programmierung und Parametrierung der Module entsteht weitgehend automatisch und parallel die Dokumentation. Wird die Anlage später erweitert oder umgebaut, folgt die Steuerungstechnik ohne Probleme. Steuerungskomponenten werden entnommen oder ergänzt. Die Dokumentation folgt automatisch. Die logische Verknüpfung ersetzt die starre Schaltung.

Die einzelnen Module werden separat getestet und frei gegeben. Treten Fehler auf, müssen sie in der Software zu finden und damit schnell zu lokalisieren sein. Die Fehlersuche wird erheblich einfacher.

Gleichzeitig wurde der Service für die Steuerungstechnik so einfach und komfortabel wie möglich gestaltet. Alle Steuerungskomponenten sind in 19-Zoll-LAN-Schränken untergebracht. Damit sind alle Kabel von vorn zugänglich, ohne eines die Module herausziehen zu müssen. Sonderwünsche sind in aller Regel schnell ¿einzuschleifen¿, wie Andreas Becker versichert.

Technische Umsetzung in der Praxis

Üblicherweise arbeiten die Stand-alone-Systeme an S7-Steuerungen von Siemens und dem Profibus. Ist beim Kunden kein Profibus vorhanden, wird ein anderes Modul eingesetzt, die Anlage läuft ohne weitere Änderungen. Hier kommt ein Vorteil der ricos-Module von Wieland zum tragen: Egal welches Bussystem genutzt wird, die Anschlusstechnik ist identisch. Es sind keine konstruktiven Anpassungen notwendig.

Warum setzt Becker auf Wieland und die ricos-Technologie? ¿Ich habe mir eine Reihe von Systemen intensiv angeschaut. Ein Argument ist sicher die sehr kompakte Bauweise, die einige zusätzliche konstruktive Freiheiten eröffnet. Zudem ist aber auch der Support für uns besonders wichtig. Bisher habe ich noch auf jede Frage, und die gehen manchmal auch ans Eingemachte, beispielsweise wenn es um das Einbinden von Fremdsystemen geht, eine kompetente Antwort erhalten.¿

Einzige Ausnahme beim Einsatz des Busses für die Steuerung: Einige Sicherheitsfunktionen werden auch weiterhin fest verdrahtet, um gewollten und versehentlichen Manipulationen in der Software vorzubeugen.

Einen nicht zu unterschätzender Nebeneffekt hat sich mit der Modularisierung und der Umstellung der gesamten Steuerung auf den Bus und ricos eingestellt: Bei komplexen Anlagen ist eine Vielzahl von Zulieferern eingebunden. Und die liefern Komponenten nicht immer exakt so, wie es für den Fortschritt beim Aufbau der Anlage wünschenswert ist. Damit ergeben sich immer auch Wartezeiten beim Aufbau einer konventionellen Steuerung. Sie kann erst beginnen, wenn alle Komponenten vorhanden und montiert sind. damit erweist sich der ¿Schaltschrank¿ häufig als echter Hemmschuh, zumal die gesamte Dokumentation noch angefertigt werden muss, bevor die Anlage in Betrieb gehen kann.

Beim neuen System kann die Steuerung stückweise parallel aufgebaut werden, später wird der Bus darüber gesteckt und die Erprobung kann beginnen. Aufbau- und Lieferzeiten verkürzen sich drastisch, weil am Schluss nicht mehr auf die Fertigstellung der gesamten Steuerungstechnik, auf die Erprobung und anschließende Fehlersuche gewartet werden muss.

Mit der konsequenten Modularisierung der komplexen Anlagen und dem Einsatz von ricos-Modulen lassen sich auch Sondermaschinen zumindest teilweise industriell ¿ und damit zu günstigeren Konditionen ¿ bauen als bisher. Das Beispiel iplas könnte Schule machen, und bisher unvermutete Rationalisierungspotentiale in anderen Branchen aufdecken.

Meinolf Droege / März 2000