Ofenwarm - Gemeinsame Entwicklung eines Safety Thermoelementmoduls

Als international führender Hersteller von Wärmebehandlungsöfen und -anlagen stellt Ipsen ­besonders hohe Ansprüche an die Auswertung seiner Thermoelemente. Deshalb hat das Unternehmen gemeinsam mit den Sicherheits-Spezialisten von Bihl+Wiedemann ein Safety Thermo­elementmodul entwickelt, das bestens zu den Anforderungen im Industrieofenbau passt. Das Modul BWU3271 ermöglicht die Realisierung von Applikationen bis SIL3/PLe, misst äußerst genau und störsicher und überträgt Prozesswerte direkt an die SPS. Darüber hinaus passt es perfekt zur einfachen Verdrahtungslösung von Bihl+Wiedemann, die Ipsen seit vielen Jahren einsetzt.

Die Ipsen International GmbH 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 von Ipsen werden zum Beispiel 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, der Werkzeug- und Maschinenbauindustrie.

Neue Lösung zur Temperaturüber­wachung gefragt
In nahezu allen Atmosphären- und Vakuumanlagen von Ipsen muss die Temperatur sicher erfasst und überwacht werden. Gleichzeit benötigt man die gemessenen Werte zur Prozess­steuerung in der SPS. Nach Vorgabe der EN 60519-2/13.7 und der EN 60519-2/13.8 zur Sicherheit in Elektrowärmeanlagen ist für alle Elektroheizungen – z. B. 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 sogar eine programmierbare Sicherheitssteuerung. Ipsen stand somit vor der Herausforderung, zum einen diese sicherheitstechnischen Vorgaben zu erfüllen und gleichzeitig die Prozesswerte äußerst präzise zu übertragen. Die Klever beschlossen daher, gemeinsam mit den Sicherheits-Spezialisten von Bihl+Wiedemann ein Safety Thermoelementmodul zu entwickeln, das perfekt zu den Anforderungen im Industrieofenbau passt.

Hohe Anforderungen an neues ­sicheres Thermoelementmodul
An das neu zu entwickelnde sichere Thermoelementmodul stellte Ipsen besonders hohe Anforderungen. „Wir haben hohe Heizströme bis 2000 A, die reichlich Oberwellen verursachen können“, sagt Meik Wächter, Elektro-Konstrukteur bei Ipsen. „Um das Modul möglichst störsicher zu machen, haben wir deshalb auf eine strikte Potenzialtrennung der Eingänge geachtet.“

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“, sagt Thomas Mühlhaus, Elektro-Konstrukteur bei Ipsen. Unterschiedliche Thermoelemente der Typen J, K, N, R und S können mit der Software einfach ausgewählt werden. Darüber hinaus lassen sich bis zu 8 Schaltschwellen bzw. Temperaturbereiche festgelegen. Sollte die Genauigkeit des Prozesswertes nicht ausreichen, ist es möglich, das Modul über die Software zu kalibrieren.

Die sichere Abschaltung und Programmierung 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 sicheren Schaltschwellen, etwa Übertemperatur, über die sicheren Protokolle Profisafe oder CIP Safety zur Safety-CPU bis SIL3/PLe übertragen werden.

Modulares Thermoelementmodul spart Kosten
Einen wirtschaftlichen Vorteil des Thermo­elementmoduls erläutert Mühlhaus: „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.“

Kooperation auf Augenhöhe
Bereits zehn Monate nach Beginn des gemeinsamen Entwicklungsprojektes mit Bihl+Wiedemann hatte Ipsen den ersten Prototypen des sicheren Thermoelementmoduls zum Testen. „Das ganze Projekt verlief sehr unkompliziert – von der ersten Anfrage bei Bihl+Wiedemann über die zwei Planungs-Workshops sowie während der gesamten Umsetzungsphase“, sagt Thomas Mühlhaus. „Man merkte, dass für Bihl+Wiedemann Produktentwicklungen in Zusammenarbeit mit Kunden ganz alltäglich sind. Eine gute Kooperation auf Augenhöhe war so jederzeit gewährleistet.“

Konventionelle Verdrahtung abgelöst
Das neu entwickelte Thermoelementmodul BWU3271 passt bestens zum einfachen Verdrahtungssystem AS-Interface (ASi), das bei Ipsen seit über 15 Jahren Standard ist.

Bis zum Jahr 2003 setzten die Klever bei ihren Atmosphären- und Vakuumanlagen auf eine konventionelle Verdrahtung. Ein- und Ausgänge waren über Klemmleisten mit der SPS verbunden. Um die E/A-Karten optimal zu nutzen, gab es bei einzelnen Komponenten der modular aufgebauten Anlagen immer wieder Verschiebungen. Dadurch war es aufwendig, Stromlaufpläne und Software zu erstellen. Kurze Bearbeitungszeiten machten die Umsetzung zudem fehleranfällig, sowohl in der Konstruktion als auch bei der Anlagenverdrahtung.

Stark reduzierter Verdrahtungsaufwand mit AS-Interface
Anfang 2003 testete Ipsen erstmals das einfache Verdrahtungssystem AS-Interface. „Wir waren anfangs skeptisch, ob die notwendige Störsicherheit gewährleistet ist. Aber dies war überhaupt kein Problem“, erinnert sich Wächter. Bei Ipsen war man schnell von den Vorteilen von ASi überzeugt und nutzt den Feldbusstandard seitdem in allen Atmosphären- und Vakuumanlagen. Die Klever konnten ihren Verdrahtungsaufwand damit drastisch reduzieren, weil sich alle Ein- und Ausgänge an eine einzige Zweidrahtleitung anschließen lassen.

Verringerte Inbetriebnahmezeiten
Thomas Mühlhaus beschreibt einen weiteren wichtigen Vorteil: „Unsere Anlagen sind zwar nie gleich, aber immer ähnlich. Mit ASi können wir diese Modularität ideal abbilden. Wir haben die mechanische Konstruktion, Elek­trokonstruktion und Software einmalig an die Möglichkeiten angepasst, die das Bussystem bietet. Dank der großen Anzahl verfügbarer Adressen lassen sich alle optionalen Anlagenmodule in unterschiedlichen Applikationen immer mit identischen Adressen versehen. Die entsprechenden Hardware- und Softwaremodule müssen somit nie verändert werden.“ Außerdem lassen sich verschiedenste Optionen und Leistungsmerkmale der Anlagen auch nachträglich problemlos ergänzen, ohne dass Änderungen in den bereits realisierten Komponenten vorgenommen werden müssen.

Gegenüber der konventionellen Verdrahtung haben sich bei Ipsen sowohl der Konstruktions- und Testaufwand als auch die Inbetriebnahmezeiten verringert.

Auf Standard ASi folgt ASi Safety
Zur sicheren Drucküberwachung suchte Ipsen Mitte 2015 eine SIL3/PLe-Lösung, um die entsprechenden Analogsignale (4 … 20 mA) sicher auszuwerten. Nach den positiven Erfahrungen mit dem einfachen Verdrahtungssystem von Bihl+Wiedemann setzte Ipsen auch bei der Sicherheitslösung auf die Zusammenarbeit mit dem Mannheimer Unternehmen – und damit auf ASi Safety at Work. „Wir wollten eine autarke Sicherheitsfunktion mit einer einfachen Schnittstelle zur Prozesssteuerung“, sagt Meik Wächter.

Die sichere Drucküberwachung hat dann, wie geplant, sehr gut funktioniert. Deshalb wurden sukzessive alle benötigten Sicherheitsfunktionen – beispielsweise Not-Halt, Ventilüberwachung, Schutztürüberwachung, sichere Thermoelement-Auswertung – mit ASi Safety realisiert. Sämtliche sicheren Funktionen wurden demnach in der sicheren Steuerung von Bihl+Wiedemann umgesetzt. Die Trennung von Prozesssteuerung und Sicherheitstechnik konnte somit, wie von Ipsen gewünscht, bestehen bleiben. Gleichzeitig profitieren das Klever Unternehmen von der Flexibilität und Diagnosefähigkeit einer sicheren Steuerung.

Praxisanforderungen zügig umgesetzt
Bei der Einführung von ASi Safety in Zusammenarbeit mit Bihl+Wiedemann gab es keine Probleme. „Wir haben hier von der langjährigen Erfahrung von Bihl+Wiedemann profitiert“, sagt Meik Wächter. „Unsere Bedürfnisse und Praxisanforderungen wurden sehr ernst genommen und zügig umgesetzt.