Steuerungstechnik wie sie sein sollte

AS-Interface vereinfacht Automation bei Handlingrobotern für Werkzeugmaschinen

FELDBUSSYSTEME - 1984 begann die österreichische Frai Robotersysteme mit der Entwicklung von Sondermaschinen. Mittlerweile beschäftigt das Unternehmen 35 Mitarbeiter und hat sich auf den Bau von Zuführsystemen für Werkzeugmaschinen spezialisiert. Viel Know-how und Erfahrung haben dazu geführt, daß heute selbst sicherheitsrelevante Funktionen mit dem AS-Interface ausgeführt werden.

26. April 2004

„Wir liefern jährlich zwischen 35 und 40 Handlinganlagen für die Werkstückzuführung an Werkzeugmaschinen aller Art“, erläutert Friedrich Aitzetmüller, Geschäftsführender Gesellschafter der Frai Elektromaschinenbau Gesellschaft m.b.H. im österreichischen St. Konrad. Seit etwa drei Jahren setzen die dortigen Spezialisten beinahe ausnahmslos auf die Vorteile des AS-Interface. Besonders interessant wurde das ,Bussystem& pos; auf der Feld-Ebene deshalb, weil damit auch sicherheitsrelevante Funktionen steuerungstechnisch gelöst werden können.

Den Beweis liefert Franz Laimer, Projektleiter und Leiter der Steuerungstechnik bei Frai: „In einem unserer jüngsten Projekte wurden 31 Slaves über AS-Interface mit der übergeordneten Siemens-Steuerung Sinumerik 810D verbunden. Neun dieser Slaves sind Knotenpunkte für sicherheitsrelevante Funktionen.“

Im angesprochen Fall handelt es sich um einen Portalroboter mit Vierfach-Sondergreifer sowie ein Paletten-Staufördersystem. Damit werden Aluminium-Druckgußteile im Dreischicht-Betrieb einem Bearbeitungszentrum zugeführt und von dort wieder entnommen. Diese Teile finden sich später im Kfz-Antriebsstrang wieder. „Die meisten unserer Kunden stammen aus der Automobil-Zulieferindustrie und schätzen die Zuverlässigkeit und Flexibilität unserer Systeme“, ergänzt Verkaufsleiter Dipl.-Ing. Andreas Bitzyk, in diesem Zusammenhang.

Der besagte Portalroboter entnimmt die lagerichtig im Magazin abgelegten Werkstücke dem Speicher. Danach kommen sie auf einen Wechseltisch und werden über eine Umsetzung dem eigentlichen Bearbeitungsvorgang zugeführt. Positionierstifte, Auflagestifte und Sonderbacken garantieren die paßgenaue und beschädigungsfreie Spannung der Teile im Greifer. Die fertigen Werkstücke verlassen die Anlage über eine zweite Staustrecke.

Bis vor etwa drei Jahren wurden die Automatisierungssysteme konventionell verdrahtet. Nunmehr verläßt jede Anlage das Frai-Werk mit dem typisch gelben AS-Interface-Kabel. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß diese Steuerungstechnik extrem viele Vorteile bringt. Durch Einsparungen bei Projektierung, Inbetriebnahme und durch die Flexibilität für Systemerweiterungen liegt das Rationalisierungspotenzial von AS-Interface in der Größenordnung von über 25 Prozent. Zu diesem Ergebnis kommt eine Untersuchung der Technischen Universität München.

Für den Praktiker Franz Laimer reduziert sich allein der Verdrahtungsaufwand um bis zu mehrere Manntage: „Vor allem bei der Konstruktion, der Montage und der Dokumentation ermöglicht uns dieses Bussystem, die häufig knapp bemessene Lieferzeit der Systeme einzuhalten.“

Schutztüren, Not-Aus-Schalter oder Zustimmtasten werden in St. Konrad nicht mehr wie früher aufwendig über Klemmkästen verdrahtet. Einfache E/A-Module mit AS-Interface von Siemens sorgen heute für die Übersicht in den Anlagen. Weil bei Frai Sicherheitssysteme der Kategorie 4 gemäß EN 954-1 zum Standard gehören, kommt häufig das sichere Kompaktmodul K45F (ebenfalls von Siemens) mit einem zweikanaligen Eingang zum Einsatz. Dieses bietet zusätzlich zum sicheren Eingang noch zwei Ausgänge.

Das E/A-Modul beobachtet über den AS-Interface-Bus zum Beispiel einzelne Schutztür-Kontakte und schaltet die dazugehörigen Verriegelungsmagnete. Davon gibt es in der beschriebenen Anlage etwa acht Stück. Größere Ventilinseln besitzen teilweise schon eigene Busknoten und können direkt angeschlossen werden.

„Die K45- und K60-Module verwenden wir sehr gerne“, bestätigt Franz Laimer. „Sie brauchen mit der Schutzklasse IP67 keine eigene Kapselung und sind extrem robust.“ Und die Erfahrungen mit den K45- und K60-Modulen sind bei Frai rundum positiv.

Als übergeordneter Master für die sicherheitsrelevanten Funktionen dient der Siemens-Sicherheitsmonitor aus dem Programm & pos;Safety at Work& pos;. Er übernimmt die Überwachung der angeschlossenen - sicheren - Slaves. Bei einer Unterbrechung des Sicherheitskreises oder bei einem Fehlverhalten der Sensoren bringt er die Anlage in einen sicheren Zustand.

Im Fall des Portalroboters gibt es insgesamt 27 AS-Interface-Teilnehmer plus vier in Reserve für einen zusätzlichen Not-Aus-Schalter und eine weitere Schutztüre. Diese werden benötigt, wenn in der endgültigen Ausbaustufe beim Kunden neben dem bestehenden Bearbeitungszentrum noch ein zweites steht. Zusammen ergibt das 31 Teilnehmer - also die maximale Anzahl Slaves für einen Master. Zur Vollständigkeit: Nach dem neuen AS-Interface-Protokoll 2.1 können sogar 62 Slaves pro Master adressiert werden.

Den Umgang mit dem AS-Interface beschreibt Friedrich Aitzetmüller als sehr einfach: „Früher war es zwingend erforderlich, daß ein speziell ausgebildeter Facharbeiter die Verkabelung aller elektrischen Schaltgeräte durchgeführt hat. Mit AS-Interface dagegen könnte diese Aufgabe sogar eine angelernte Kraft übernehmen.“ Der Grund dafür liegt unter anderem in dem verpolungssicheren Profil der AS-Interface-Leitung.

Wer mit AS-Interface arbeitet, legt zuallererst die Anzahl der notwendigen E/A-Module laut Schaltplan fest. Danach erstellt der Programmierer das Programm für den AS-Interface-Master. „Diese AS-Interface-typische Software ist sehr einfach zu erlernen“, erklärt Franz Laimer. Nach der Theorie folgt die Praxis. Die Module werden in der Nähe ihrer Funktion optimal in der Anlage befestigt. Ein Werker verbindet dann die entsprechenden Sensoren, Lichtschranken, Not-Aus-Schalter oder Magnetschalter mit Hilfe von vorkonfektionierten Leitungen über M12-Stecker mit den entsprechenden Siemens-E/As.

„Das ist neben der gelben AS-Interface-Leitung die einzige Verkabelung“, betont Andreas Bitzyk. „Ansonsten müßte zum Beispiel jeder Not-Aus-Schalter sowie jede Schutztür-Verriegelung zweikanalig in den Schaltschrank geführt und mit einzelnen Sicherheitsrelais verdrahtet werden.“ Gegenüber dieser herkömmlichen Lösung reduziert sich der Platzbedarf im Schaltschrank um etwa 30 Prozent. Man kann sich daran sehr plakativ vorstellen, welche immensen Vorteile das AS-Interface bringt, denn allein das Verdrahten von solchen Sicherheitsrelais ist relativ aufwendig.

Dabei sollte man nicht vergessen, daß sich bei der konventionellen Verdrahtung immer wieder Fehler einschleichen wie zum Beispiel lockere Drähte in der Klemmleiste, Kabelausrisse trotz Zugentlastung, Kabelbruch und ähnliches. Das verpolungssichere, trapezförmige Kabel bietet hier einen deutlich besseren Schutz. Und sollte tatsächlich einmal ein Schaltgerät ausfallen, wird dies sowohl über die Statusanzeige am AS-Interface Master, als auch am Sicherheitsmonitor angezeigt. Eine aufwendige Fehlersuche gibt es mit dieser Technik nicht. Bei Frai werden sogar für jeden AS-Interface-Teilnehmer individuelle Meldungen für die verschiedenen Betriebszustände des Interface-Teilnehmers programmiert und am Bedienfeld angezeigt.

Natürlich umfaßt das Siemens-Programm & pos;Safety at Work& pos; alle notwendigen Schaltelemente - selbstverständlich mit integriertem AS-Interface-Knoten. „Manchmal ist es jedoch praktischer“, erklärt Franz Laimer, „den Umweg über Standard-Taster in Verbindung mit K60-Modulen zu machen, da man damit flexibler ist.“ Solche planerischen Freiheiten sind immer dann sehr hilfreich, wenn der Kunde später zum Beispiel eine zusätzliche Funktion oder Option möchte.

Über das AS-Interface können sowohl Standarddaten als auch sicherheitsrelevante Daten verschickt werden. Zusätzlich läßt sich der Sicherheitsmonitor von Siemens mit zwei getrennten Sicherheitskreisen betreiben. Der Monitor selbst befindet sich im Schaltschrank. „Künftig wird es unsere K45- und K60-E/A-Module auch in einer IP20-Ausführung für den Schaltschrank geben“, erklärt Thomas Pfeiffer, Siemens-Fachberater Sicherheitstechnik in Graz. Das gibt dem Projektingenieur die Möglichkeit, dort die AS-Interface-Technik ebenfalls platzsparend und umfassend zu nutzen.

„Unsere Stärke ist neben dem Know-how die hohe Flexibilität“, betont Andreas Bitzyk. „Wir fertigen sowohl hochflexible Anlagen für Kleinstserien als auch reine, standardisierte Serienprodukte. Bereits bei der Auswahl von Komponenten achten wir darauf, daß sie zu unserer strategisch sehr wichtigen Flexibilität passen, also selbst sehr flexibel nutzbar sind.“

Tatsächlich schafft AS-Interface genau die planerischen und zeitlichen Freiräume, um in kurzer Zeit eine optimale Lösung zu entwickeln. Bei Frai gehen etwa 80 Prozent der Anlagen in den Export. „Deshalb schätzen wir die Vorzüge moderner Technik“, faßt Friedrich Aitzetmüller zusammen. „Und weil in 90 Prozent der Fälle eine Siemens-Steuerung vom Kunden ausdrücklich verlangt wird, passen die E/A-Module hervorragend in unser Konzept.“

Erschienen in Ausgabe: 02/2004