Sicherheits-Laserscanner mit Profinet IO für den Karosseriebau

Sicherheits-Laserscanner der Produktfamilie S3000 von Sick sind bei BMW als Standard im Karosseriebau eingeführt und an den weltweiten Standorten in Betrieb. Bei den Sensoren handelt es sich um berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen, die vor allem im Karosseriebau u. a. zu Absicherung von Gefahrenbereichen oder als Hintertretschutz für mechanisch trennende Schutzeinrichtungen eingesetzt werden. Sie bieten Schutzfeldradien bis 7 m, 190° Scanwinkel und bis zu acht Warn- sowie acht Schutzfelder. Diese können entsprechend der Anforderungen am Einsatzort, z. B. einer Schweißroboter-Zelle in der Karosserie-Fertigung, frei programmiert und im Betrieb prozessabhängig umgeschaltet werden.

Alle S3000-Varianten erfüllen Performance Level d nach EN ISO 13849 und SIL2 nach IEC 61508. Da sowohl in Regensburg als auch in München in der Technologie Karosseriebau die gesamte Roboter- und Antriebstechnik mit Profinet ausgerüstet ist und alleine hier in den jedem Werk etwa 9.000 Profinet-Geräte in das Netz integriert sind, lag es nahe, auch im Bereich der Sensorik das Thema Profinet IO zu forcieren. Daher hat der Fahrzeugbauer das Thema maßgeblich getrieben - zusammen mit anderen deutschen Fahrzeugherstellern in der Automatisierungsinitiative der deutschen Automobilhersteller (AIDA).

Profinet IO - der Feldbus-Standard im deutschen Automobilbau
Das Kommunikationssystem Profinet IO ist eines der führenden Industrial-Ethernet-Systeme. Es bietet u. a. drei Möglichkeiten für die Übertragung von Echtzeitdaten: einen Real Time-Kanal (RT) für E/A-Signale, eine „optionale" azyklische Kommunikation (Non-RT) für zeitunkritische Nutzdaten sowie einen taktsynchronen Übertragungskanal (IRT) z. B. für Motion-Control-Applikationen.

Mehrere Gründe haben dazu geführt, dass AIDA sich auf diesen Feldbus als neuen Kommunikationsstandard für die Fahrzeugproduktion festgelegt hat. So ist es mit Profinet möglich, Echtzeit-Daten, z. B. Schaltsignale, und andere Nutzdaten, z. B. Qualitäts-, Diagnose- oder Programmierdaten, über ein einziges, gemeinsames Kabel zu übertragen. Der zweite Vorteil z. B. gegenüber Profibus DP ist, dass deutlich größere Datenmengen - bis zu 1.440 Byte pro Telegramm - deutlich schneller - mit Geschwindigkeiten bis zu 100 Mbit/s - übertragen werden können. Wie auch bei Profibus DP ist es möglich, über Profinet auch sichere E/A-Signale mittels Profisafe zu übertragen, was den Aufwand und die Kosten für eine separate Verkabelung einspart. Hinzu kommt, dass die Teilnehmerzahl von Profinet- und klassischen Ethernet-Geräten im Profinet-Netzwerk nahezu unbegrenzt ist. Alles zusammengenommen bietet Profinet für Profisafe eine Reihe technischer und wirtschaftlicher Vorteile, die man bei den Automobilherstellern beim Einsatz von Sicherheits-Laserscannern ebenfalls erwartet.

Einsatzbereit im Karosseriebau der neuen 1er- und 3er-Serien
Kosteneinsparungen und Verfügbarkeit sind die beiden zentralen Themen, um die sich beim Aufbau, Betrieb und Service automobiler Fertigungsanlagen alles dreht. „Der Weg von BMW, beides zu erreichen, ist das zentrale Bedienkonzept für die Fertigungsanlagen. Programmierung, Bedienung, Wartung, Störungsanalyse, Datensicherung - alles erfolgt von einer zentralen Bedienstelle aus, die natürlich umso effizienter ist, je mehr Netzwerkteilnehmer im Feld mit ihr kommunizieren können. Mit dem S3000 Profinet IO von Sick steht dem Automobilhersteller ein industriebewährter Sicherheits-Laserscanner zur Verfügung, der direkt in das Netzwerk im Karosseriebau integriert werden kann. Die ersten Anlagen, die davon profitieren, sind die Roboterzellen und Montagelinien für die neuen 1er- von BMW. In Regensburg kommen etwa 70 Sensoren zum Einsatz, u. a. als Hintertretschutz in Schweißroboter-Zellen, in denen z. B. Längsträger, Radhaus-Stützen, Seitenrahmen oder Schottbleche bearbeitet und zu einer Fahrzeugkarosserie gefügt werden.

Was bringt BMW die Inte­gration von Sicherheits-Laser­scannern in ­Profinet IO?
Die Nutzenaspekte, die BMW von der direkten Einbindung der Sicherheits-Laserscanner S3000 Profinet in das Produktionsnetzwerk hat, sind vielfältig. Zu nennen ist zunächst die vollständige und durchgängige Integration der Feldgeräte. Es werden keine Schaltmodule und Unterverteiler mehr benötigt, denn die S3000 Profinet IO verfügen über zwei integrierte RJ45-Ports mit Switch-Funktionalität, die zusätzliche externe Switches überflüssig machen und eine einfache Anbindung in die Baumstruktur Profinet-Netzes bei BMW ermöglichen. Ein weiterer Vorteil ist der deutlich reduzierte Verkabelungsaufwand, denn die gesamte Datenübertragung erfolgt über ein Medium, im gleichen physikalischen Netzwerk.

Im Anlagenbetrieb unterstützen die Sicherheits-Laserscanner mit Profinet-Schnittstelle auf optimale Weise das zentrale Anlagen-Bedienkonzept von BMW. Da die Konfiguration vom zentralen Bedienrechner durchgeführt werden kann, geht die gesamte Inbetriebnahme schneller und einfacher vonstatten. Entsprechendes gilt für den Betrieb und die Wartung der Sensoren. Da alle Daten sich an einer zentralen Ablagestelle befinden, hat jeder, der auf sie zugreift, immer den einzigen aktuellen Stand. Damit herrscht Datensicherheit. Die Zeiten, in denen es passieren konnte, dass im Feldgerät, in der Anlagensteuerung und auf dem Laptop des Servicetechnikers unterschiedliche Datenstände zu finden waren, sind vorbei. Zudem ist der Sicherheits-Laserscanner vor Manipulationen geschützt. Hierzu überträgt der Sensor mittels einer Prüfsumme seine Safety Configuration-ID (SCID) an den Leitrechner, wodurch jegliche nicht autorisierten Veränderung des Feldgerätes erkannt und nachvollzogen werden kann.

Von entscheidender Bedeutung für die Verfügbarkeit und Produktivität der Anlagen ist, dass im Diagnose-, Wartungs-oder Fehlerfall von zentraler Stelle aus direkt mit den Sensoren im Feld kommuniziert werden kann. Da alle Zustandsinformationen der Sensoren über das zentrale Automatisierungssystem abgerufen werden können, ist jederzeit eine zyklische Ferndiagnose möglich. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die Sensoren wegen des laufenden Anlagenbetriebes oder auch wegen eines evtl. schwer erreichbaren Montageortes nicht von außen zugänglich sind und das Auslesen über ein lokal anzuschließendes Programmiergerät daher kaum möglich ist.

Die Profinet-Integration der Sicherheits-Laserscanner von Sick ermöglicht es zudem, die Sensoren in Konzepte zur vorbeugenden Wartung zu integrieren. Die Information über den Verschmutzungsgrad der Frontscheibe, die der Sensor zur Verfügung stellt, wird automatisch - und rechtzeitig vor einer eventuellen Funktionsbeeinträchtigung oder einer sicherheitsgerichteten Anlagenabschaltung - an das Automatisierungssystem gemeldet. Sollte es doch zu Systemschwierigkeiten kommen, ist von zentraler Stelle aus eine schnelle Identifikation und Analyse des aufgetretenen Fehlers möglich. Dadurch sind kurze Reaktionszeiten möglich - was eventuelle Ausfallzeiten auf ein Minimum begrenzt.

All diese Vorteile müssen nicht mit Mehrkosten erkauft werden - im Gegenteil. Vergleicht man die Kosten für zusätzliche Hardware, die mechanische und elektrische Installation, Inbetriebnahme, Test, Diagnose und Umbau der Roboterzelle bei einer klassischen Sicherheits-Laserscanner-­Installation mit den Kosten einer S3000 Profinet-Installation, können sich Einsparungsmöglichkeiten von bis zu 10 % pro Sensor bzw. Applikation ergeben.

Positive Erfahrungen mit sicheren Profinet-Laserscannern
Als berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen sind die Sensoren industriegerecht ausgeführt und im Praxisbetrieb sehr zuverlässig. Im Rahmen der Integration der Schnittstelle hat Sick sehr flexibel auf den Bedarf von BMW hinsichtlich der Firmware und der Anpassung der Parametriersoftware reagiert. Die Sensoren entsprechen in der aktuellen Ausführung dem Funktionsumfang der Profinet conformance class B (CC-B), z. B. hinsichtlich ihrer Austauschbarkeit oder der erweiterten Geräte-Diagnose. Zudem werden sie über eine spezifische Verkabelung angeschlossen. Wenn die Schnittstelle vom Preis her passt, ist sie voraussichtlich vor allem für Schalter interessant, die verschiedene Abfragefunktionen erfüllen.