Kosteneffizienz und Qualitätssteigerung mit modularen ­Maschinenkonzepten

Modulare Maschinenkonzepte im Serienmaschinenbau erweisen sich als probates Mittel, um kundenindividuelle Ansprüche mit marktfähigen
Kosten herzustellen. Das daraus resultierende Kosten­senkungspotential durch Parallelisierung bei Entwicklungs- und Fertigungsabläufen, die
wiederholte Verwendung von Modulen und die dadurch gestiegene Qualität der Produkte, bedingt adäquate ­Lösungen auch im Bereich der Sicherheitstechnik. B&R bietet in seinem Produktportfolio perfekte ­Lösungen für den modularen Maschinenbau, einschließlich sicherer zentraler und dezentraler ­Komponenten mitsamt der Entwicklungsumgebung.

Wenn es um die Umsetzung modularer Maschinenarchitekturen geht, sollte dies ohne Kompromisse geschehen, denn nur dann lässt sich das dem Konzept innewohnende Einsparpotential ausschöpfen. Die Realität zeichnet ein anderes Bild. Schon die Verfügbarkeit der verschiedenen Automatisierungskomponenten in der für effiziente Modularisierung notwendigen Schutzart IP65 zeigt dem Maschinenbauer erste Grenzen auf. Damit nicht genug, sollen in den dezentral organisierten mechatronischen Modulen auch sicherheitstechnische Funktionen zur Verfügung stehen, wird der modulare Gedanke schnell im Keim erstickt.

Seit geraumer Zeit unterstützt die Steuerungstechnik von B&R diesen Trend. Mit dem modularen I/O System X20 wie X67, mit dem sich auf einfache Weise dezentrale Steuerungsinseln realisieren lassen. Gleiches gilt für die Antriebstechnik. Das Antriebssystem Acoposmulti steuert Servo-, Torque- und Linearmotoren und gilt daher als universelle Lösung für jede Automatisierungsaufgabe im Maschinenbau. Insbesondere in Maschinen mit vielen Achsen, etwa für die Kunststoff-, Verpackungs-, Druck- oder Textilbranche, bringt die Antriebslösung eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit.

Transparente und sichere Schnittstellen
Eine der Hauptaufgaben für modulare Maschinenarchitekturen ist die Definition der Schnittstellen. Mit dem sicherheitstechnischen Aspekt, wird sie zur unüberwindbaren Hürde. Hier schafft die netzwerkbasierende Sicherheitstechnik von B&R systembedingt elegante Lösungen, deren schlanke Struktur sich sowohl in der Hardware als auch in der Software wiederfindet.

Mit ‚Safety‘ zu mehr Schutz und ­Produktivität
Bei dem von B&R gewählten Ansatz treten Nachteile, wie längere Fehlerreaktionszeiten, nicht auf. Im Gegenteil: Auch bei dezentralen Aufgabenverteilungen erreicht diese, für die Sicherheit so wichtige Kenngröße, in der B&R Antriebstechnik mit SafeMC (Safe Motion Control) einen Wert von 7ms.

Warum ist dieser Wert so entscheidend für die Auswahl der Sicherheitstechnik? Systembedingt weisen traditionelle Sicherheitsschaltungen mit Abschaltrelais gewisse Reaktionszeiten auf, die mit der Schrecksekunde von Autofahrern vor der Notbremsung verglichen werden können. Typischerweise beträgt die Fehleraufdeckungs- und Reaktionszeit, etwa bei Überschreitung der sicheren zulässigen Geschwindigkeit im Einrichtbetrieb, etwa 70 ms. Ist der Fehler durch eine falsche Sollwertvorgabe aus dem Steuerungssystem verursacht, kann der Antrieb in dieser Zeit voll beschleunigen, ehe die gebräuchliche Drehmomentfreischaltung und eine gegebenenfalls zusätzlich aktivierte Kurzschlussbremsung einsetzt. Das hat Auswirkungen auf die Energie, mit der ein Hindernis getroffen wird, und verlängert damit den Gesamt-Anhalteweg. Zur Aufrechterhaltung des geforderten Sicherheitsniveaus muss daher die zulässige Geschwindigkeit entsprechend niedrig angesetzt werden.

Auf eine völlig neue Basis stellt B&R die Berechnung von Anhaltewegen und Aufprallenergie. Die netzwerkfähige Sicherheitsbaugruppe in den Acoposmulti Antriebsgeräten mit SafeMC überwacht ständig das korrekte Verhalten des Motors. Diese lokale Überwachung reduziert die Fehlerreaktionszeit auf maximal 7 ms. Das lässt dem Motor weniger als ein Zehntel der bisher üblichen Zeit, um im Fehlerfall zu beschleunigen und gefährlichen Schwung zu holen.

Da die kinetische Energie und mit ihr der Reaktionsweg mit dem Quadrat der Geschwindigkeit steigt, kommt es zu einer Reduktion dieser beiden kritischen Kenngrößen auf ein 1/100 gegenüber den hergebrachten Lösungen. Je nach Priorität können durch die Reduktion dieser Kenngrößen und der damit einhergehenden geringeren Bremswege Sicherheitsabstände reduziert und damit die Abmessungen der Maschine verringert und/oder die zulässigen Geschwindigkeitslimits bei Betrieb mit Safely Limited Speed hinaufgesetzt werden.

Projektierungskosten senken
Sämtliche Acoposmulti Wechselrichter mit SafeMC fügen sich nahtlos in die SafeLogic Sicherheitssteuerung von B&R ein und sind mit dem SafeDesigner im B&R Automation Studio, der B&R Entwicklungsumgebung, projektierbar.

Durch die zentrale Parametrierung der SafeMC Komponente und das elektronische Typenschild im Motor, wird die Neuparametrierung im Wartungsfall erleichtert und beschleunigt. Protokollierung und Passwortschutz macht Wartungseingriffe nachvollziehbar.
Ein wesentlicher Vorteil der B&R Integrated Safety Technology ist der Entfall der doppelten Verdrahtung und externer Überwachungsmodule für die Sicherheitstechnik. Der Datentransport findet per virtueller Verdrahtung in einem eigensicheren Protokoll namens openSafety über das Powerlink Bussystem statt, dieser sorgt für eine unkomplizierte Datenkommunikation mit dem Steuerungssystem und schließt zugleich Rückwirkungen verlässlich aus.

Modulare Maschinenarchitekturen profitieren in besonderer Weise von der netzwerkbasierenden virtuellen Verdrahtung. Ohne die aufwändige Verdrahtung von Not-Aus-Ketten und Sicherheitssteuergeräten können fertige Maschinenteile inklusive sicherer Antriebe einfach angeschlossen werden. Dabei steuert nur eine SafeLogic bis zu 80 sichere Antriebe, mit der bis 120 kW reichenden Acoposmulti Produktfamilie, flexibel an.
Modularität mit Energieeffizienz und SafeMC kombiniert

Unabhängig, ob schaltschrankbasierende IP20 oder schaltschrankferne IP65 Wechselrichter, alle profitieren von den vielfältigen Energieoptionen der Acoposmulti Serie. Dazu gehört die Power Faktor Korrektur, die den Anschlusswert bzw. die Stromaufnahme der Maschine deutlich reduziert, ebenso wie eine konstante Zwischenkreisspannung zur bestmöglichen Ausnutzung der Wechselrichterbaugruppen und Motoren. Alle aktiven Leistungsversorgungsmodule besitzen darüber hinaus die Fähigkeit zur Rückspeisung der Bremsenergie ins Stromnetz.

Speziell die IP65 geschützten Wechselrichter Acoposmulti65 und Acoposmulti65m leisten ihren Beitrag zur wesentlichen Vereinfachung von modularen Architekturen und deren Inbetriebnahme. Die Verkabelung dieser Wechselrichter untereinander erfolgt in einer Linienstruktur mit nur einem einzigen Hybridkabel für Versorgungsspannung, Zwischenkreis und Powerlink sowie die sichere Drehmomentabschaltfunktion STO (Safe Torque Off). Neben dieser bedrahteten Sicherheitsfunktion werden zukünftig wie bei den bestehenden Acoposmulti für den Schaltschrank optional auch die netzwerkgängigen SafeMC Funktionen STO, SBC, SOS, SS1, SS2, SLS, SMS, SLI, SDI und SLP angeboten.

Sicher in die Zukunft
Immer mehr Maschinenbaukunden stehen vor der Herausforderung auch Module mit seriellen und/oder parallelen Kinematiken, sogenannte Roboter, in ihre Architektur zu integrieren. Für derartige Aufgaben entwickelte B&R die sichere offene Transformation mit Funktionen wie SLS (Safely Limited Speed) am TCP (Tool Center Point). Erst mit dieser Sicherheitsfunktion sind Teach- und Parametrierfunktionen stellungsunabhängig und effizient umsetzbar, auch im Beisein des Anwenders.

„B&R stellt somit als ersten Hersteller ein netzwerkbasierendes voll integriertes Sicherheitssystem inklusive Antriebs-Sicherheitsfunktionen bis hin zur Robotik zur Verfügung und ermöglicht die Steigerung von Maschineneffizienz und -produktivität bei gleichzeitig erhöhter Arbeitssicherheit", so Alois Holzleitner.