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IO-Link als zukunftsweisenden Standard
24.05.2011 | Wer scheinbar bewährte Installationskonzepte in Frage stellt, muss gute Argumente ins Feld führen. Wenn ein neuer Kommunikationsstandard Installationsvereinfachung durch den Verzicht auf überflüssige Busknoten und teure Verkabelung verspricht, wenn die Parametrierung von Sensoren und Aktoren ganz einfach und zentral per Software realisierbar ist und nachweislich Mehrwert für Hersteller wie Betreiber entsteht, schaut man schon mal genauer hin. Das hat Dörries Scharmann Technologie mit Sitz in Mönchengladbach getan und dabei IO-Link als zukunftsweisenden Standard für ihre Anlagen entdeckt.
Schon allein die schiere Größe und technischen Rahmendaten beeindrucken: Die Heavyspeed 2 ist ein Tragbalken-Bohr- und Fräswerk für mittlere bis sehr große Werkstücke im Maschinen- und Anlagenbau. Der vertikale Bearbeitungsständer mit dem über eine Kugelrollspindel frei beweglichen Spindelkasten misst vier Meter in der Höhe. Das gesamte Segment inklusive mitfahrender Bedienbühne ist am Boden über eine Führungsbahn je nach Aufgabe um bis zu 15 Meter bewegbar. Der dem Maschinenständer mit dem Spindelkasten gegenüber liegende Bearbeitungstisch ist, parallel zur Vorschubrichtung der Bohrspindel, ebenfalls horizontal verschieb- und zusätzlich um seine Vertikalachse drehbar. Mit einer Aufspannfläche von maximal 6,5 mal 8 Metern bietet er Schwergewichten mit bis zu 250 Tonnen Platz. Die gesamte Maschine bringt es auf ein Gesamtgewicht von ca. 200 Tonnen. „Ist das Werkstück erst einmal auf dem Tisch gespannt, erledigt das Bearbeitungszentrum im vollautomatischen Ablauf des NC-Programmes für die jeweilige Bearbeitung mehrere Bohr-, Dreh- oder Fräsaufgaben innerhalb des Arbeitsraumes der Maschine, ohne dass die schweren und großvolumigen Bauteile neu aufgespannt werden müssen“, bringt Christian Nientimp, Funktionsleiter Elektro-Hardware bei Dörries Scharmann Technologie GmbH (DST), die besonderen Vorteile der Heavyspeed-Baureihe auf den Punkt. Der Hersteller von Bearbeitungszentren und Anlagen mit Hauptsitz in Mönchengladbach blickt auf eine langjährige Tradition zurück, Maschinen von DST kommen unter anderem im Schiffs-, Flugzeug- und Turbinenbau zum Einsatz.
Hohen Auskragungen und Drehmomenten bis zu 20.000 Nm Durch die hydrostatische Lagerung der
Linearachsen, garantiert die Heavyspeed selbst bei wechselnder
dynamischer Beanspruchung, hohen Auskragungen und Drehmomenten bis zu
20.000 Nm höchste Steifigkeit bei gleichzeitig absoluter Genauigkeit.
Zentrales Element der Bearbeitungseinheit ist ein in Richtung Werkstück
ausfahrbarer Spindelkasten mit Tragbalkenausschub. Zusätzliche Dreh- und
Neigeachsen der Bearbeitungseinheit, realisiert durch einwechselbare
Zusatzaggregate wie z.B. einen 2-Achs NC-Kopf, ermöglichen in
Kombination mit der Beweglichkeit des Arbeitstisches ein breites
Bearbeitungsspektrum mit fast uneingeschränkter Zugänglichkeit. Mit
einer Vielzahl unterschiedlicher Applikationen und Werkzeuge lassen sich
große Maschinenteile ebenso bearbeiten wie Ventile für die Öl- und
Gasindustrie. Die Bedienbühne mit Ausschub erlaubt optimale Sicht auf
den Bearbeitungsprozess und einen guten Zugang zum Werkzeug. Auf der
linken Seite des Bearbeitungsständers führt der Ständer der Heavyspeed
einen Kettenmagazin-Werkzeugwechsler mit bis zu 80 Plätzen mit.
Im Zuge der Umstellung des Elektro- und
Steuerungskonzepts stand bei der Heavyspeed-Reihe auch eine Optimierung
des Installationskonzeptes an. Christian Nientimp suchte nach einer
Lösung, die nachweislich mehr Nutzen über den gesamten Lebenszyklus der
Anlage hinweg entfalten sollte. Per Zufall las er in einem Fachmagazin,
welche handfesten Vorteile die Integration von IO-Link in Drehautomaten
sowohl für den süddeutschen Hersteller als auch für dessen Kunden nach
sich zog. „Für mich war klar, dass diese innovative Technologie auch bei
unseren Maschinen Prozesse vereinfachen, Kosten senken und letztlich
die Produktivität steigern würde“, betont Christian Nientimp.
IO-Link steht im Maschinen- und Anlagenbau für
schlankere, Zeit und Kosten sparende Konzepte. Mit beeindruckenden
Konsequenzen für Installation, Parametrierung und Diagnose. Dahinter
steckt ein simpler Sachverhalt: Vielfach müssen auch heute noch Signale
von Sensoren und Aktoren umständliche Wege durch ein-, mehradrige,
geschirmte sowie ungeschirmte Kabel, Reihenklemmen, Steckverbinder,
Anschaltbaugruppen, Gateways und IO-Baugruppen zur Steuerung
zurücklegen. IO-Link beseitigt diesen Kommunikationsengpass ein für alle
Mal. Die digitale Kommunikationsschnittstelle macht die Verbindung
durchlässig, sie gestaltet den Daten- und Signalaustausch einfach und
transparent. Im Kern genügt ein gewöhnliches ungeschirmtes dreiadriges
Standardkabel, das den IO-Link-fähigen Aktor oder Sensor per Stecker mit
einem IO-Link Master verbindet. Selbst gewöhnliche Sensoren lassen sich
über spezielle Sensorhubs in IO-Link Konzepte integrieren und
profitieren dann ebenfalls von den Vorteilen des innovativen
Kommunikationsstandards. Geschirmte oder ungeschirmte Sonderkabel
entfallen, neben dem IO-Link Master bedarf es keiner weiteren Anschaltbox mehr.
Skepsis im Unternehmen groß
„Zu Beginn war die Skepsis im Unternehmen groß, IO-Link wurde dabei auch als eine Art neues Bussystem
missverstanden“, erinnert sich Christian Nientimp. Erfahrungen oder gar
Referenzprojekte gab es zum damaligen Zeitpunkt kaum, zahlreiche
Argumente sprachen dennoch für einen Einsatz der neuen
Kommunikationsschnittstelle: Wenn Signale ihren Weg anstatt über lange,
teure und insbesondere bei der Übertragung analoger Signale gegen
EMV-Störungen anfällige 24-polige Kabel alternativ über eine dreiadrige
Standardleitung nehmen können, wenn an die Stelle aufwändiger
Verdrahtung einfaches Stecken tritt, wenn Klemmleisten und die
allgegenwärtigen Probleme mit dem Schirm der Vergangenheit angehören,
lassen sich Zeit- und Kostenvorteile im Rahmen der Installation
überzeugend darstellen, sagte sich Nientimp.
In der Heavyspeed-Maschine
von DST versehen IO-Link-Master von Balluff ihren Dienst. Mit diesen
stehen per Dreidrahtleitung IO-Link Drucksensoren in Verbindung, die für
die Überwachung der Zentralschmierung und des Hydrostatikdruckes der
Achsen verantwortlich zeichnen. Über ebenfalls direkt an den IO-Link
Master angeschlossene Sensorhubs sind die zahlreichen einfach
schaltenden Sensoren und Aktoren der Anlage in die IO-Link Topologie
integriert. Derartige Sensor/Aktorhubs kommen beispielsweise am
Werkzeugmagazin der Heavyspeed zum Einsatz: Pro Hub, die über ihre
eigene Spannungsversorgung verfügen, sind 7 Sensoren und 7 Ventile
angeschlossen. Sämtliche Signale werden über die dreiadrige
Standardleitung zum rund 20 Meter entfernten Steckplatz des
IO-Link-Master an einem Hydrostatikaggregat übertragen und stehen damit
der Steuerungsebene über den im Profibus DP der Anlage integrierten
IO-Link-Master zur Verfügung. „An den nur per simpler Dreidrahtleitung
angebundenen Ventilinseln mit ihren bis
zu 16 Ein- und/oder Ausgängen lassen sich die Vorzüge von IO-Link
bezüglich der Installation am eindrucksvollsten darstellen“, meint
Christian Nientimp.
Darüber hinaus ist IO-Link verantwortlich dafür, dass im ohnehin
beengten und auf der Bühne mitfahrenden Schaltschrank zusätzlicher Platz
frei geworden ist: Wurde ein großer Teil der peripheren Sensorik und
Aktorik zuvor über Busmodule der Schutzart IP20 eingesammelt, sind diese
nun über die deutlich einfachere Installation via IO-Link Master in der
Schutzart IP65 in Verbindung mit Sensor-Aktorhubs direkt und ohne
zusätzliche Trennstelle angebunden. IO-Link reduziert
Profibus-/Profinet-Knoten und macht teure Profibus-Slaves überflüssig.
Darüber hinaus sind Sensor- und Aktorhubs preisgünstiger als die zuvor
verwendeten Geräte mit integrierter Profibus-Anschaltung. Die
Installationskosten sinken, die Kosten für den teureren IO-Link
Master amortisieren sich mit Blick auf die Gesamtanlage und die zu
installierende Topologie rasch. Und dabei sind die Potenziale noch nicht
einmal ausgereizt: „Die Installation analoger Sensoren ohne
IO-Link-Schnittstelle via Sensor- Aktorhubs sehen wir als
Übergangslösung. In Zukunft steht hoffentlich ein deutlich breiteres
Spektrum kostengünstiger IO-Link fähiger Aktoren und Sensoren zur
Verfügung, die dann direkt auf den IO-Link-Master gesteckt werden“, sagt
Christian Nientimp. Wenngleich die Installationsvorteile überzeugen,
sprechen für Nientimp noch eine ganze Reihe weiterer Gründe für IO-Link.
Bisher wurde an der Maschine installierte analoge Sensorik und Aktorik
über lange geschirmte Leitungen auf Busbaugruppen im Schaltschrank
verdrahtet. Durch die notwendige Verlegung der Leitungen durch
Kabelschlepps und der damit verbundenen mechanischen Beanspruchung der
Leitungen durch die hohe Dynamik der Maschinen konnte nicht immer eine
dauerhafte fehlerfreie Funktion des Schirmes gewährleistet werden. So
kam es in der Vergangenheit bei Maschinen von DST gelegentlich zu
Bitverfälschungen aufgrund von elektromagnetischen Störungen. Das gehört
nun der Vergangenheit an, mit IO-Link profitieren die Anwender von
einer deutlich höheren Störfestigkeit des Signals.
Die Themen Parametrierung
und Diagnose genießen bei DST einen hohen Stellenwert. Zwar sind in den
Maschinen und Anlagen des Unternehmens schon seit längerem parametrierbare Sensoren im Einsatz, zentral ließen sich diese aber nicht einstellen. Insbesondere die für die Überwachung der Zentralschmierung und des Hydrostatikdruckes der Achsen zuständigen Drucksensoren befinden sich konstruktionsbedingt an besonders schwer zugänglichen Stellen unterhalb einer Teleskopabdeckung. Dem entsprechend aufwändig war es stets, dort hinzuklettern und
vor Ort entsprechende Einstellungen vorzunehmen. So konnte der
Inbetriebnehmer bisher nur über eine direkte Verbindung zum jeweiligen
Programmiergerät auf einen parametrierbaren Sensor zugreifen und
eventuelle Änderungen an der Parametrierung vornehmen.
4-Kanal Master Hilfreich ist die erhöhte
Flexibilität von IO-Link auch bei der Multifunktionalität der
IO-Link-Ports bezüglich vorzuhaltender Reserve-I/O Kanälen. Die
Schwierigkeit besteht darin, dass man nie im Voraus weiß, wie viele und
von welchem Typ an weiteren IO-Kanälen später benötigt werden. Oft läuft
es darauf hinaus, dass man von dem benötigten Typ zu wenige, von einem
anderen Typ dafür ungenutzte hat. Oder dass man wegen eines einzigen
zusätzlich benötigten Kanals wegen der minimal verfügbaren Granularität
gleich 4, 8 oder 16 Kanäle nachrüsten muss. Ein an einem 4-Kanal Master
noch nicht genutzter IO-Link Port eröffnet dem Anwender eine hohe
Flexibilität hinsichtlich zukünftiger Erweiterungen. Erst zum Zeitpunkt
des Bedarfs muss entschieden werden, was angeschlossen werden soll, ein
messender Sensor, ein RFID Lesekopf, eine zusätzliche Ventilinsel oder
ein Sensor/Aktorhub für zusätzliche digitale I/O.
DST hat ein klares Ziel
vor Augen: Ist die Installationsphase abgeschlossen, soll die gesamte
Aktorik und Sensorik der Maschine zentral und softwarebasiert mit Hilfe
von Daten- und Funktionsbausteine parametrierbar sein. Ganz
gleichgültig, wo sich die einzelnen Devices befinden. Aber auch die
schnelle zentrale Parametrierung der gesamten Maschine nach Abschluss
der Installation über das IO-Link Device Tool wird bereits jetzt
genutzt. Damit verkürzen Hersteller nicht nur das eigentliche Ramp-Up,
sondern die gesamte Time-to-Market-Phase. Und schneller am Markt zu
sein, ist heute schließlich ein wesentliches Verkaufskriterium. Der
Benutzer profitiert, weil er jetzt die erforderlichen Parameterdaten
zentral setzen und vergleichsweise schnell und einfach an neue
Produktionslinien anpassen kann. Eine Fülle von Möglichkeiten eröffnet
IO-Link auch bei der Diagnose. Weil die Maschinen von DST weltweit im
Einsatz sind, genießen zuverlässige Fernwartungskonzepte hohe Priorität.
Der Vorteil: IO-Link und die entsprechenden IO-Link Sensoren und
Aktoren machen den Blick auf die Prozessebene frei. Der
Service-Mitarbeiter erkennt im Falle einer Störung im Detail, was dem
Sensor oder Aktor fehlt resp. welches Bit gesetzt ist. „Vielleicht ist
ja nur der Sensor verschmutzt und das entsprechende Meldebit gesetzt, in
jedem Fall erhält der Maschinenbediener eine klare Diagnose und
konkrete Tipps, wie er rasch Abhilfe schaffen kann“, erläutert Christian
Nientimp. Und das spart letztlich Zeit und Geld.
Dörries Scharmann
Technologie GmbH sieht die Integration von IO-Link als Schritt in die
richtige Richtung. Beginnend mit der Anlagenkonzeption und Konstruktion
über die Installation bis zur langjährigen Produktionsphase lassen sich
entlang des gesamten Lebenszyklus der Maschine Mehrwert-Effekte für alle
Beteiligte nachweisen. Kein Wunder also, dass man im Unternehmen diesen
Weg weiter beschreiten und künftig noch mehr auf IO-Link setzen will.
Denn im Grunde ist man noch am Anfang: Nicht nur bei DST kann man sich
ein weit breiteres Sortiment an IO-Link tauglichen Aktoren und Sensoren
vorstellen, die sich, ohne Umweg über Sensorhubs, direkt auf den IO-Link
Master stecken lassen. Darüber hinaus gibt es durchaus noch ein paar
Dinge, die sich verbessern ließen: Wenn es gelänge, dass sich die
IO-Link Hersteller bei IO-Link
Mastern auf einheitliche standardisierte Device-Tools einigen könnten,
wäre das ein weiterer Schritt in Richtung Handling-Vereinfachung und
Akzeptanz.
Wenn man sich dann innerhalb des IO-Link Konsortiums noch darauf verständigen könnte, auf welchen - einheitlichen -
Positionen die einzelnen Prozessdaten eines Devices stehen sollen, wäre
das mit Sicherheit ein weiterer Schritt in Richtung Transparenz und
Durchbruch eines im Grunde lange überfälligen Kommunikationsstandards.
Hier ist das IO-Link Konsortium aber bereits tätig und hat einen
Arbeitskreis gegründet, der sich mit der geforderten Vereinheitlichung
in dem so genannten „Smart Sensor Profil“ beschäftigt. „Letztlich ist
für uns entscheidend, dass wir den mit IO-Link inside erzielbaren Nutzen
und Mehrwert unseren Kunden auch begreiflich machen können. Aber da
sind wir auf einem guten Weg“, fasst Christian Nientimp zusammen.
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