Mit Netz und doppeltem Boden

Sollten Sie jemals die Möglichkeit haben die Meyer Werft oder eine andere ähnlich große Werft zu besichtigen, tun Sie es! Allein die Ausmaße der Halle, in der ¿nur¿ Stahlplatten geschnitten und dann über eine Länge von 20 Metern zusammengeschweißt werden, ist beeindruckend. Diese Paneele, wie man sie nennt, sind die späteren Schiffsdecks. In überdachten Baudocks, die mit ihren Maßen von 375 Metern Länge, 125 Metern Breite und 75 Metern Höhe mit zu den Größten der Welt gehören und wo die Schiffe zusammengebaut werden, schrumpfen diese Paneele dann zu einer eher unbedeutenden Größe. Hier werden direkt neben dem Schiff, im sogenannten Blockbau, ganze Decks zusammengesetzt.

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Ein Block enthält bereits soviel Komponenten wie nur möglich ¿ angefangen von der Duschkabine bis hin zur Großküche ¿ und kann ohne weiteres die Größenordnung eines Mehrfamilienhauses erreichen. Ein Kran hebt die Blöcke dann zum Schiff, wo sie passgenau eingebaut werden ¿ Lego-Spiel für Erwachsene. Und da sind wir auch schon bei einem wichtigen Thema: Präzision, und die beginnt schon bei den Stahlplatten. Gehen wir also zurück zur ersten Halle und zum Beginn der Transferstraßen.

Die Mega-Schweißnaht

In dieser Halle sind nur wenige Personen zu sehen, aber genau diese gilt es zu schützen. Die drei Bereiche der Transferstraßen sind dem Pressenbau mit seinen hohen Sicherheitsforderungen sehr ähnlich: Schneiden, Schweißen und Markieren von Stahlplatten, auf die später Trennwände und Verstärkungen aufgesetzt werden oder Ausschnitte erfolgen sollen. Geschweißt wird mit Laser-Hybridanlagen und Verfahrgeschwindigkeiten von 40 Metern pro Minute. Bei dieser Technik wird das Laserschweißen mit dem konventionellen Verfahren so kombiniert, dass der Laserstrahl auf das bereits schmelzende Material auftrifft. Das Positive hierbei ist, dass die Vorteile des Lasers, wie schnelles Schweißen mit wenig Verzug, kombiniert wird mit der guten Dehnbarkeit und den technologischen Eigenschaften der konventionellen Technik. Nach dem Zusammenschweißen der 20 Meter langen Stahlplatten werden diese dann markiert und am Ende der Fertigungsstraße gewendet. Hier werden Tonnen bewegt und das bedeutet, dass für alle überwachten Bewegungsfelder eine umfassende Sicherheitstechnik notwendig ist. Darüber hinaus müssen Türen mit Zuhaltefunktion eingesetzt werden, da die Maschinen beim Öffnen nicht in einen undefinierten Zustand fahren dürfen.

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Sie müssen daher, wie auch in einer normalen flexiblen Fertigung, auf der Logik eines Leitrechners aufgebaut sein und werden nur dann freigegeben, wenn die Maschinen innerhalb des Bereiches keine Aufträge abarbeiten. Was die Sicherheit angeht, so sind durch eine konventionelle SPS außer einer Lastunterbrechung keine sicherheitsgerichteten Funktionen abgedeckt. Aber dazu kommen wir später. Zusätzlich ist durch die oft unterschiedlichen Betriebsarten, angefangen vom vollautomatischen Betrieb, über den Mischbetrieb bis hin zur Handsteuerung vor Ort ein ausgeklügeltes Konzept notwendig. Und damit sind wir auch schon bei der Kernfrage: Wie erreiche ich im Vergleich zur konventionellen Technik trotz hoher Sicherheitsstufe eine deutlich höhere Verfügbarkeit, Flexibilität und umfassendere Diagnosemöglichkeiten? Dass dies kein Wunschdenken ist, zeigt die Anwendung einer Sicherheitssteuerung auf der Meyer Werft.

Sicherheit über alles

Was ist überhaupt ein sicheres Bussystem, wie arbeitet es und wo liegen die Unterschiede zur konventionellen Verdrahtung einer Standard-SPS mit Feldbussystem und den üblichen E/A-Baugruppen? Bislang waren die Sicherheitssensoren der E/A-Ebene häufig Bestandteil der Steuerungen, die durch Verbindungen untereinander auch übergeordnete Schaltfunktionen übernehmen können ¿ aber dies war meist sehr aufwendig. Und genau vor diesem Problem stand auch die Meyer Werft. Für die geplanten neuen Fertigungsstraßen wurde Ende 2000 mit den ersten Überlegungen für ein verbessertes Sicherheitskonzept begonnen. Gerade wenn eine Anlage neu installiert wird, ist dies oft nur die erste Stufe und jeder weitere Ausbau mit herkömmlicher SPS-Technik hätte einen enormen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand zur Folge, mit hohen Fehlerquoten und Kosten. Flexibilität ist also gefragt.

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Bei dem hier vorgestellten System ist für eine sichere und übersichtliche Verbindung von der Sicherheitssteuerung im Schaltschrank zur E/A-Ebene nur ein Kabel nötig ¿ der ¿SafetyBUS p¿. Die sonst üblichen Relais werden durch sichere E/A-Module von Pilz ersetzt, an die dann Taster und Sensoren angeschlossen werden.

Big Brother

Der Sicherheitsaspekt hat dieser Lösung die oberste Priorität. Es ist ein offenes Bussystem zur seriellen Übertragung und dezentralen Steuerung sowie Überwachung von sicherheitsrelevanten Daten. Das große Plus dieses Systems ist, dass hier der Vorteil einer sicheren Dezentralisierung mit Standard-Feldbussystemen verknüpft wird. Der Aufbau ist ähnlich wie in der Prozessleittechnik: Über Allem thront der allwissende und kontrollierende Leitrechner. Er erhält seine Informationen über das Ethernet und Siemens S7-Komponenten vom Profibus, der seinerseits von der Sicherheitssteuerung alle wesentlichen Daten der Peripherie erhält.

Dass auf der Mayerwerft der Profibus eingesetzt wird, ist nicht zwingend, denn auch alle anderen bekannten Bussysteme sind in Verbindung mit der Sicherheitssteuerung möglich. Aufgrund der notwendigen Geschwindigkeit wurden bis auf die unterste Ebene alle Verbindungen mit Lichtwellenleitern ausgeführt ¿ bei den hier auftretenden Magnetfeldern ist dies ja ohnehin sinnvoll. Die maximale Leitungslänge ohne Router beträgt 3500 Meter mit einer Übertragungsrate von 500 Kbit pro Sekunde, was für eine solche Anwendung völlig ausreichend ist. Das System arbeitet ereignisorientiert, das heißt, Daten werden nur dann gesendet, wenn sich an den zentralen oder dezentralen Einheiten etwas verändert.

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Das Bussystem genügt der Sicherheitskategorie 4 nach EN954-1 und das ist im Wesentlichen gleichbedeutend mit Redundanz. Im Gegensatz zur üblichen Standardversion gibt es hier eine komplette 2-kanalige Verdrahtung, die zusätzlich mit einem Takt aus der Steuerung beaufschlagt wird, um beispielsweise Querschlüsse feststellen zu können. Denn falls die Information einer offenen Türe verloren gehen würde, wäre eine Person unter Umständen in Lebensgefahr. Was den Typ der Sensoren angeht, die in der E/A-Ebene eingesetzt werden können, so gibt es nur die Vorgabe, dass sie der Kategorie 4 angehören müssen. Bei der Transferstraße für die Herstellung der Paneele hängen 24 dezentrale E/A-Baugruppen an einer Steuerung.

Der direkte Weg

Bei sehr komplexen Sensoren wie Lichtgittern oder den Steuerungen von Antrieben ist auch eine direkte Anbindung möglich, um den Arbeitsbereich einer Maschine beispielsweise nur einzuschränken, ohne dass sie komplett abgeschaltet werden muss. Hier hat Pilz eine neue Ära eingeleitet, denn dies ist ohne den Umweg über digitale E/As möglich. Aber auch in diesem Fall gibt es eine Vorgabe, nur ist sie etwas anderer Natur: Dieser Sensor oder Antrieb benötigt einen bestimmten Chip des Pilz-Bussystems. Er beinhaltet im Protokoll bereits alle relevanten Sicherheitsmaßnahmen und wird von namhaften Herstellern bereits in ihre Systeme eingebaut. Aber genau wie beim Airbag im Auto, der erst nur in Nobelkarossen zu finden war, werden mehr und mehr Hersteller diesem System folgen, so dass der Kunde in Zukunft einen x-beliebigen Sensor kaufen, einsetzen und parametrisieren kann.

Beteiligt am Aufbau der Sicherheitssteuerungen in drei Hallen der Meyer Werft war auch die Firma Eckelmann, ein Engineering-Unternehmen und Systempartner von Pilz. Insgesamt arbeiten auf der Meyer Werft um die 2500 festangestellte Mitarbeiter und nochmals circa 2800 bis 3000 Personen von Fremdfirmen. Im Baudock sieht es auf den ersten Blick so aus wie in einem Ameisenhaufen, aber hier wie dort herrscht eine perfekte Logistik. Und es klappt auch alles, denn während Sie diese Zeilen lesen, haben Sie die geplante Ems-Überführung eines weiteren Luxusliners, der ¿Brilliance of the Seas¿ , gerade um ein paar Tage verpasst ¿ falls nicht, wie schon einmal, eine Handbreit Wasser unter dem Kiel gefehlt hat.

Dr. Peter Stipp

Links: http://www.pilz.com, http://www.eckelmann.de, http://www.meyerwerft.de