Ipsen International mit Sitz in Kleve stellt modular aufgebaute Wärmebehandlungsöfen und -anlagen in verschiedenen Größen her. Mehr als 10.000 Anlagen hat das 1948 gegründete Unternehmen weltweit bereits installiert. Die Atmosphären- und Vakuumanlagen werden etwa für Glüh-, Löt-, Härte- und Anlassanwendungen eingesetzt sowie zur Niederdruckaufkohlung und Randaufstickung. Zu den Kunden aus aller Welt gehören unter anderem Unternehmen aus der Automobil-, Luft- und Raumfahrt sowie aus der Werkzeug- und Maschinenbauindustrie.

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In nahezu allen Atmosphären- und Vakuumanlagen des Herstellers muss die Temperatur sicher erfasst und überwacht werden. Gleichzeitig benötigt man die gemessenen Werte zur Prozesssteuerung in der SPS. Für die Regelung des jeweiligen Ofens sind dabei möglichst präzise Prozesswerte wichtig.

Nach Vorgabe der EN 60519–2/13.7 und der EN 60519–2/13.8 zur Sicherheit in Elektrowärmeanlagen ist für alle Elektroheizungen – wie Heizkammern oder Ölbäder – ein Sicherheitstemperaturbegrenzer nach EN 14597 erforderlich, der mindestens PLd erreicht, sofern diese Anlagen nicht ständig beaufsichtigt sind. Für alle mit Gas beheizten Anlagen ist nach EN 746–2/5.7.2 für das Erreichen von PLd eine Übertemperaturschaltung vorgeschrieben, für PLe eine programmierbare Sicherheitssteuerung.

Gute Erfahrungen mit ASi als Basis

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Ipsen stand somit vor der Herausforderung, diese sicherheitstechnischen Vorgaben zu erfüllen und zugleich die Prozesswerte sehr präzise zu übertragen. Die Klever beschlossen, gemeinsam mit Bihl+Wiedemann ein Safety Thermoelementmodul zu entwickeln, das zu diesen Anforderungen im Industrieofenbau passt.

»Nachdem Ipsen schon lange partnerschaftlich mit uns im Bereich der Standardtechnik zusammenarbeitet und wir darüber hinaus ja auch über ein umfangreiches Safety-Portfolio verfügen, lag es natürlich nahe, dass wir auch über Anforderungen von Ipsen im Bereich der Sicherheitstechnik miteinander gesprochen haben«, berichtet Oliver Werner, Applikationsspezialist bei Bihl+Wiedemann, über die Vorgeschichte der Zusammenarbeit.

2003 testete der Anlagenbauer erstmals das Verdrahtungssystem AS-Interface (ASi). »Wir waren anfangs skeptisch, ob die notwendige Störsicherheit gewährleistet ist. Aber dies war überhaupt kein Problem«, erinnert sich Meik Wächter, Elektro-Konstrukteur bei Ipsen. Seitdem nutzt man den Feldbusstandard in allen Atmosphären- und Vakuumanlagen. Die Klever konnten ihren Verdrahtungsaufwand damit erheblich reduzieren, da sich alle Ein- und Ausgänge an eine einzige Zweidrahtleitung anschließen lassen.

Nach den positiven Erfahrungen setzten die Klever auch bei Sicherheitslösungen auf die Zusammenarbeit mit dem Mannheimer Unternehmen. »Mit ASi Safety und unseren Sicherheitskomponenten konnten wir dann auch direkt erste Anforderungen vom Kunden realisieren, zum Beispiel die sichere Überwachung von Drücken an Türen oder von Ventilklappen-Stellungen bis SIL3/PLe«, erzählt Werner. Dabei konnten die Klever die Vorteile von ASi einfach weiter nutzen. »Und damit Ipsen auch im Fall der sicheren Temperaturüberwachung, wo es bis dato noch keine Lösung von Bihl+Wiedemann gab, auf die bewährte Sicherheitstechnik setzen konnte, haben wir uns zur gemeinsamen Entwicklung eines sicheren Thermoelementmoduls entschlossen«, schließt Werner. An das neu zu entwickelnde sichere Thermoelementmodul stellte der Anlagenbauer hohe Anforderungen.

»Wir haben hohe Heizströme bis 2.000 A, die reichlich Oberwellen verursachen können«, sagt Wächter. »Um das Modul möglichst störsicher zu machen, haben wir deshalb auf eine strikte Potenzialtrennung der Eingänge geachtet.«

»Auch in der Firmware des Moduls wurden entsprechende Mechanismen geschaffen, um eventuell auftretende Störungen zu identifizieren und zu beseitigen«, ergänzt Werner. Wichtig war Ipsen zudem, dass sich das Modul softwareseitig einfach und flexibel handhaben lässt. »Die Konfigurationssoftware Asimon360 von Bihl+Wiedemann erfüllt hier unsere Erwartung in vollem Umfang«, so Thomas Mühlhaus, Elektro-Konstrukteur bei Ipsen.

Unterschiedliche Thermoelemente der Typen J, K, N, R und S können mit der Software ausgewählt werden. Zudem lassen sich bis zu acht Schaltschwellen beziehungsweise Temperaturbereiche festlegen. Sollte die Genauigkeit des Prozesswertes nicht ausreichen, ist es möglich, das Modul über die Software zu kalibrieren.

Das sichere Abschalten und Programmieren wird in der sicheren Steuerung von Bihl+Wiedemann realisiert. Die Prozesswerte lassen sich über marktübliche Feldbusse wie Profinet oder Ethernet/IP übertragen. Dies ermöglicht eine strikte Trennung von Sicherheitstechnik und Prozesssteuerung. Optional können aber auch die Schaltschwellen, etwa Übertemperatur, über die sicheren Protokolle Profisafe oder CIP Safety zur Safety-CPU bis SIL3/PLe übertragen werden. »Durch den modularen Aufbau mit nur zwei Eingängen pro Modul kann die Anzahl der benötigten Eingänge sehr einfach an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. Wir sparen also Geld, weil wir nur so viele Eingänge kaufen, wie wir wirklich brauchen«, hebt Mühlhaus hervor.

Kooperation auf Augenhöhe

Zehn Monate nach Beginn des gemeinsamen Entwicklungsprojektes hatte das Unternehmen den ersten Prototypen des sicheren Thermoelementmoduls zum Testen. »Die ersten Tests verliefen bereits sehr positiv, denn schon bei der Entwicklung des Produktes konnten durch die enge Zusammenarbeit zwischen Ipsen und uns viele entscheidende Faktoren frühzeitig berücksichtigt werden«, berichtet Werner.

In den folgenden Wochen konnten die Experten dann weitere Anforderungen umsetzen. »So wurde etwa das Kalibrieren der Prozesswerte über die Software noch wesentlich vereinfacht.« Am Ende standen erste TÜV-zertifizierte Produkte. Das neu entwickelte sichere Thermoelementmodul BWU3271 ermöglicht es, Anwendungen bis SIL3/PLe zu realisieren. Es misst genau, störsicher und überträgt Prozesswerte an die SPS.

»Durch die gemeinsame Entwicklung eines speziell auf den Industrieofenbau zugeschnittenen Moduls konnten wir alle geforderten Normen erfüllen und gleichzeitig die Kosten bei der Hardware senken«, resümiert Werner. Und durch die Möglichkeit, die Daten sicher über ASi und Profisafe zu übertragen, ergebe sich eine spürbare Reduzierung des Verdrahtungsaufwands, was die Kosten ebenfalls noch einmal senke.

»Das ganze Projekt verlief sehr unkompliziert – von der ersten Anfrage bei Bihl+Wiedemann über die zwei Planungs-Workshops sowie während der gesamten Umsetzungsphase«, erzählt Mühlhaus. Man habe gemerkt, dass Produktentwicklungen in Zusammenarbeit mit Kunden dort ganz alltäglich sind. »Eine gute Kooperation auf Augenhöhe war so jederzeit gewährleistet.«