01.10.2019

Multibusfähige IP67-SPSen im Automobilbau

Dezentral gesteuerte Kartbahn

Mit seinem e-Cart-System will Krups Fördersysteme auf die gestiegenen Anforderungen der Montage- und Testautomation reagieren. Eine wartungsfreie Laufschiene und intelligente, angetriebene Laufwagen, gebündelt mit dezentral standardisiert gesteuerten Systemkomponenten, sorgen für eine flexible und sichere Automatisierung. Die einzelnen Streckenmodule werden über dezentrale multibusfähige SPSen in IP67 gesteuert. Das reduziert Verdrahtungs- und Inbetriebnahmezeit und hält das System skalierbar.


Das e-Cart-Fördersystem wird unter anderem bei einem deutschen Automobilhersteller in der Produktion von Elektroautos eingesetzt.
Bild: Hans Turck GmbH & Co. KG

Die Fertigungshallen von Automobilherstellern oder Tier-1-Zulieferern gleichen vielerorts einem Uhrwerk. An den einzelnen Stationen widmen sich Roboter und Mitarbeiter eng getakteten Arbeitsschritten, um das behandelte Objekt pünktlich wieder in den Verfahrensfluss zu leiten. Doch wenn ein Zahnrad stockt, gerät das ganze Werk aus dem Takt, insbesondere wenn dieses Zahnrad das Produktions-Fördersystem ist. Deswegen stehen dort größtmögliche Verfügbarkeit und Flexibilität ganz oben auf der Anforderungsliste. Das setzt die Hersteller der Fördertechnik unter Innovationsdruck. Gefordert werden wartungsfreie und flexiblere sowie einfach zu integrierende Fördersysteme, die nach Verrechnung aller direkten und indirekten Kosten bestenfalls preiswerter und schneller verfügbar sind als alternative Lösungen.

Intelligente Werkstückträger

Die Firma Krups mit dem Stammwerk im rheinland-pfälzischen Dernbach ist spezialisiert auf Automationssysteme, die Montage- und Teststationen effizient verbinden. Das neue e-Cart-System setzt dabei auf aktiv bestromte, intelligente Werkstückträger, die Werkstücke drehen, heben, klemmen oder neigen können. Mit dieser hochverfügbaren Förderlösung geht das Unternehmen komplett neue Wege. "In einem klassischen Rollenfördersystem sitzt der Antrieb in der Förderstrecke. Da haben wir viel Mechanik in der Strecke und damit auch entsprechenden Verschleiß. Die Wartung ist daher bei fest eingebauten Anlagen immer ein Problem. Deshalb wollten wir das System umdrehen und die Wartung aus der Strecke eliminieren. Also haben wir eine passive Strecke entwickelt, die komplett wartungsfrei ist", erklärt Firmenchef Philipp Krups den Grundgedanken. "Die ganze Technik und Elektrik befindet sich nun in den Fahrwagen, den sogenannten e-Carts. Diese elektrisch angetriebenen Wagen verfügen über eine Eigendiagnose und können im Bedarfsfall vorbeugend zur Wartung ausgeschleust werden." In der Folge reduzieren sich die Standzeiten und die Strecke bleibt in Betrieb. Auch eine nachträgliche Erweiterung der Förderstrecke ist so einfach zu realisieren. Das e-Cart-System ermöglicht zudem, flexiblere Produktionsprozesse mit kleineren Losgrößen abzubilden.

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Dezentrale Steuerung

Ein deutscher Automobilhersteller setzt das neue Fördersystems als einer der ersten Anwender künftig in seiner Batteriefertigung für Elektromobile ein. Um nicht mit jeder Anlage das Rad neu erfinden zu müssen, setzt Krups auf ein Baukastenkonzept. Das System besteht aus wenigen standardisierten Modulen: Drehmodule, Quershuttle, Stopper und Indexierer. Diese Einheiten werden für die Anforderungen des Kunden individuell zu einem Layout zusammengestellt und vor Ort an dessen Anlagensteuerung angebunden. Das Fördersystem liefert dem Produktionssystem des Kunden Reportdaten und ermöglicht bidirektionale Kommunikationsschnittstellen. "Früher gab es immer eine Hauptsteuerung, zu der alle Signale geführt wurden. Teilweise noch in Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung, immer häufiger aber auch mit dezentralen I/O-Einheiten. Das Problem war dabei die Programmierung. Klassischerweise programmiert ein Anlagenprogrammierer alles in einer Schrittkette. Wenn jetzt aber irgendeine Bedingung zum Einschaltzeitpunkt oder nach einem Notanlauf auftritt, die nicht in dieser Schrittkette abgebildet ist, dann müssten die Anwender manuell Einheiten verschieben, um wieder ein bekanntes Bild zu haben", erklärt Christian Mies, Steuerungsentwickler bei Krups. Damit manuelle Eingriffe nicht nötig werden, müsse ein Fördersystem anders programmiert werden. "Man schafft Bedingungen und definiert dazu Reaktionen, die für alle Situationen passen." Wenn die Steuerung der Module in der Gesamtsteuerung stattfindet, nehmen Kunden hier teilweise Änderungen vor, die den Gesamtablauf stören. Treten in der Folge Störungen auf, fallen diese auf den Krups zurück - obwohl die Firma dafür nicht verantwortlich war. Diese Erfahrung hat gelehrt: Im Idealfall steuert sich jedes Modul autark.

Kompakte SPSen in IP67

Jedes Modul agiert heute nach außen als Blackbox, die mit der Hauptanlagensteuerung lediglich über eine Busverbindung in beide Richtungen kommuniziert. Das Modul macht damit, was eben seine Aufgabe ist: Drehen, Querverschieben, Verkehrsüberwachung und Zurückmelden des Modulstatus. So wird jedes Modul - genau auf die Entwicklung abgestimmt - gesteuert und bildet alle möglichen Abläufe passend ab. Darüber sitzt eine Anlagensteuerung, die den gesamten Fluss kontrolliert. Aber die eigentlichen Bewegungsabläufe und die Bedingungsüberwachung übernimmt jede Steuerung am Modul. So muss Krups weder in die Steuerung der Gesamtanlage eingreifen noch muss der Anlagenbetreiber die Fördertechnikmodule steuern. Lediglich die Kommunikation zwischen der Gesamtsteuerung und den Modulen muss auf basalem Niveau realisiert werden. Ursprünglich hatte sich Krups hier selbst geholfen: "Wir hatten eine eigene Steuerung auf eine Platine aufbauen lassen, alle M12-Stecker angebracht und alles in ein Gehäuse gesetzt", erklärt Senior-Chef Peter Krups. "Diese großen Kisten waren relativ aufwändig in der Herstellung. Es klappte zwar, war aber umständlich." Seit Turck seine Blocksteuerung TBEN-L-PLC auf den Markt brachte, lässt sich der aufwändige Eigenbau sparen. Das Unternehmen setzt die IP67-Steuerung heute in vielen Maschinenmodellen ein - nicht nur im e-Cart-System. Die Steuerung für jedes Fördertechnikelement wurde mit Codesys geschrieben. Die Kommunikation zu Antrieben oder Ventilinseln und anderen Komponenten des Moduls läuft über eine Busschnittstelle, die Kommunikation zur Hauptsteuerung meist über Profinet. "Wir haben ja den Vorteil: Die Module sind gleich und ohne ein weiteres Feldprogrammiergerät einsetzbar. Im Idealfall muss der Kunde nur den 7/8"-Stecker für 24V und den Ethernet-Stecker anschließen", erklärt Mies die Vorteile für die Anwender. Für ein international tätiges Unternehmen wie Krups zahle sich auch die Protokollvielfalt der Kompakt-Steuerung aus: "Wir konzentrieren uns im Moment auf Ethernet/IP und Profinet, aber Modbus TCP wäre auch möglich." In der IP67-SPS sind die gesamten Feldbuslizenzen von Codesys enthalten. "Wir können sie sogar einsetzen, wenn wir mal eine kleine Hauptsteuerung brauchen, weil die Master-Lizenzen auch dabei sind", führt Mies weiter aus.

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Effizienz in der Batteriefertigung

Die Dimension des e-Cart-Fördersystems in der Batteriefertigung macht deutlich, dass es der Hersteller mit E-Mobilität ernst meint. Die Anlage umfasst 130 selbstangetriebene Fahrträger auf insgesamt einem Kilometer Förderstrecke mit 70 Drehtischen und rund 140 Stoppern. Zehn Stopper nutzen eine TBEN-L-PLC gemeinsam als Gateway zur kundenseitigen Hauptsteuerung. Dadurch reduziert sich die Busteilnehmeranzahl für den Kunden deutlich. Zur Richtungsänderung werden die Wagen von Querverschiebeinheiten auf parallele Bahnen gelenkt oder über Drehtische in ihrer Bewegungsrichtung geändert. Im Unterschied zu den meisten klassischen Systemen kann mit den Förderwagen des e-Cart-Systems kommuniziert werden. An den Stoppern befinden sich NFC-Einheiten, um Daten über die SPSen als Gateway zwischen Hauptsteuerung und Carts auszutauschen. So lassen sich Wagen, abhängig von ihrem Zustand oder anliegenden Warnmeldungen, frühzeitig ausschleusen. Ein weiterer Vorteil: Wenn die Wagen warten, verbrauchen Sie keinen Strom - im Unterschied zu klassischen Rollenfördersystemen, bei denen die Antriebe in der Regel ständig laufen. Die Sensorik und Aktorik der einzelnen Module ist direkt an die Turck-SPS angebunden. Sie stellt dafür auf vier Buchsen acht universelle Kanäle zur Verfügung, die sich selbsttätig auf die benötigte Konfiguration als I/O einstellen. Bei Bedarf erweitert Krups mit den ebenfalls IP67-tauglichen I/O-Modulen BL compact über den CAN-Anschluss die Zahl der benötigten Signale. Krups hat erkannt, welche Arbeitsersparnis in der IP67-Technik liegt. "Allein, zu den zwölf Controllern an den Stoppern Kabel für 24 V und Signale ziehen und diese beschriften zu müssen, wäre sehr aufwändig", so Mies.

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