Zum Einsatz kommt er an einer Staplereinheit der neuen Verpackungsmaschine LRM-DUO. „Das Ergebnis ist bestechend. Teure Buskabel werden überflüssig, die aufwändige Parallelverkabelung entfällt und die Anlage wird wesentlich kompakter“, weiß der stellvertretende Leiter Elektro-Konstruktion des Unternehmens, Ulrich Hausner, zu berichten.
Mit der modular aufgebauten, zweistufigen Hochleistungs-Falteinschlagmaschine für Kaugummi und Schokolade Karton-Multiverpackungen werden mit einer Taktrate von 200 Stück / Minute vorgruppierte, kleine rechteckige Süßwaren, wie z.B. Schokolade-Riegel und Kaugummistreifen, in der Anlage zuerst kartoniert und anschließend in dicht versiegeltes Zellophan zu Multiverpackungen konfektioniert. Eine mit IO-Link ausgestattete, modulare, automatisch arbeitende Staplereinheit sorgt für eine zuverlässige und effiziente Zuführung der Kartonage.
Eine besondere Herausforderung sind die vielfältigen Bewegungen innerhalb der Anlage, die mit hoher Geschwindigkeit ineinandergreifen und deshalb streng koordiniert und absolut zuverlässig ablaufen müssen. LoeschPack setzt auf die Kombination von einerseits mechanisch kurvengesteuerten Antrieben mittels zentraler Antriebswelle und andererseits servogetriebenen Bewegungen. Die „Königswelle“ verfügt über gehärtete, maschinenspezifisch ausgelegte Kurvenscheiben mit speziell berechneten Kurvenprofilen, die dafür sorgen, dass alle Bewegungen und Aggregate fest gekoppelt, damit zwangsgeführt und streng koordiniert auch bei hohen Geschwindigkeiten mit dem Hauptantrieb laufen. Die Entscheidung, ob Servomotor oder mechanischer Antrieb wird immer in Abhängigkeit der Applikation und deren Erfordernisse gefällt. „Mit zahlreichen Einzelmotoren als Antrieb hätte man die gewünschte extrem hohe Zuverlässigkeit im Langzeitbetrieb kaum erreichen können“, so Ulrich Hausner. Es ist immer das Ziel die sinnvollste Kombination von mechatronischen Systemen zu implementieren. Dabei stehen Beurteilungskriterien wie z.B. Sicherheit, Bedienbarkeit und technische Zuverlässigkeit im Vordergrund.
Kommunikationsstandard IO-Link
Mit IO-Link setzt LoeschPack an der neuen Anlage kein neuartiges Bussystem ein, sondern einen besonders vielseitigen Kommunikations-Standard, der mit der USB-Schnittstelle im Rechnerumfeld vergleichbar ist. Beides sind kostengünstige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für die Signal- und Energieübertragung, die sich nach Plug-and-Play-Manier betreiben lassen. Während USB sich längst als Standard für den schnellen und kostengünstigen Anschluss der Computer-Peripherie durchgesetzt hat, ist IO-Link gerade dabei, eine vergleichbare Rolle als Installationssystem zum Anschluss von Sensoren, Aktoren, Bedien- und Anzeigeelementen im Maschinenbau zu spielen.
Der besondere Clou: Der neue Kommunikationsstandard ist abwärtskompatibel zu sämtlichen Standardsensoren und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen. D. h. für den Anwender, er kann, aber er muss nicht Sensoren und Aktoren mit IO-Link-Schnittstelle einsetzen, um Vorteile für sich zu generieren.
In technischer Hinsicht vollzieht sich die Datenübertragung mittels IO-Link immer zwischen einem IO-Link-Master und einem angeschlossenen IO-Link-Gerät (Device) als Slave. Als IO-Link-Master stehen sowohl Feldbusanschaltgruppen, typischerweise in IP 67-Ausführung, als auch SPS- Schnittstellenbaugruppen zur Verfügung. Binäre Sensoren werden über spezielle Sensorhubs eingesammelt.
Das Besondere: Der seriellen IO-Link-Schnittstelle genügt für alle Übertragungsaufgaben ein gewöhnliches, dreiadriges Standardkabel. Teure Buskabel, geschirmte oder ungeschirmte Sonderkabel entfallen ebenso wie zusätzliche Anschaltboxen. Das vereinfacht den gesamten Installationsprozess radikal, weil die Verkabelung nun nur noch einen Bruchteil der zuvor üblichen Zeit in Anspruch nimmt. Von den Kosten ganz zu schweigen.
Details zur Installation
Konkret sieht die IO-Link-Installation bei
LoeschPack folgendermaßen aus: Die elektronische Ansteuerung der Anlage
erfolgt mit einer Simatic S7-Steuerung in Verbindung mit dezentraler
SIMATIC ET 200S Peripherie mit Profibus Interface, beides von Siemens.
Als Master kommen im Schaltschrank des
Staplermoduls zwei Schnittstellenkarten ET200S 4SI in Schutzart IP 20
mit jeweils vier IO-Link-Ports zum Einsatz. An diese sind 7 Balluff
IO-Link-Sensorhubs 8xM8 IP67 angeschlossen. Sie sammeln an der
Staplereinheit die Signale der schaltenden Optosensoren ein, die
die Mindesthöhe der Kartonstapel überwachen. Dabei werden jeweils 8
Eingänge über jeweils einen Sensorhub auf einen IO-Link Port gebündelt,
um sie dann per einfacher, ungeschirmter Standard-Dreidrahtleitung via IO-Link zum Master und von dort per Profibus der Maschinensteuerung zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich
werden dann noch über baugleiche passive Balluff Verteiler
sicherheitsrelevante Signale weiterer Optosensoren „Kein Karton mehr
vorhanden - dann Not-Aus“ direkt an ein Pilz-Sicherheitsmodul
weitergeleitet.
Die besonderen Vorteile der IO-Link-Installation:
LoeschPack erspart sich die aufwändige Parallelverkabelung für die 42
Optosensoren, da die Sensorhubs je nach Ausführung 8- bzw. 16 Eingänge
auf einen IO-Link Port konzentrieren. „Damit sinkt für uns nicht nur der zeitliche Installationsaufwand gegenüber bisherigen Lösungen deutlich, sondern es werden auch teure Buskabel überflüssig, dicke Kabelbäume entfallen somit lässt sich die Staplereinheit wesentlich kompakter bauen.
Für Bestandsanlagen ergibt sich durch dieses neue
Installationskonzept bei Loeschpack die Möglichkeit, Anlagen durch
Stecken von IO-Link Schnittstellenkarten einfach und platzsparend zu
erweitern oder auch komplette Retrofitmaßnahmen durchzuführen. Die
bestehenden IO’s lasen sich dabei weiterhin nutzten und gleichzeitig
kann dezentral in IP67 Technik installiert werden. Zudem erreicht man
mit nur einer IO-Link Master und 4 Sensorhubs mit je 16DI auf 15mm Baubreite im Schaltschrank eine extrem hohe Kanaldichte auf kleinstem Raum.
Die für die IO-Link-Installation erforderlichen
Dreidrahtleitungen kürzen die Maschinenbauer selber von zwei
Standard-Ausgangsgrößen auf die gewünschte Länge, um sie dann mit
Balluff Steckverbindern zu konfektionieren. So gibt es keine Schlaufen
und „Schweineschwänze“ durch Kabelüberlängen, die zusätzlichen Platz an
der Anlage oder in Kabelkanälen benötigen“, erläutert Ulrich Hausner.
Reibungsloses Zusammenspiel
„Wir haben uns ganz bewusst für die Sensorhubs in
IP67 von Balluff entschieden“, so Hausner weiter. „Das ansprechende
Design, die hohe Funktionalität, die geringe Baugröße und die einfache
Handhabung haben uns auf Anhieb gefallen.“ Mit einer Zykluszeit von
lediglich 2,5 ms passen die Hubs (Variante ohne Diagnosefunktion) dann
auch optimal zum Siemens Master mit seiner Zykluszeit von 5 ms. Die
Anbindung der IP67 Welt in die ET200S-Peripherie in IP20 wurde so zum
Kinderspiel. „Hier zeigt sich auch“, meint Hausner, dass das
Zusammenspiel verschiedener IO-Link-Devices, auch wenn sie von
verschiedenen Herstellern stammen, problemlos klappt. Der
IO-Link-Standard in seiner aktuellen Ausprägung sorgt für eine hohe
Interoperabilität.“
Interessant für LoeschPack ist derzeit der
Einsatz von IO-Link vor allem bei zustellbaren Modulen wie Endstapler,
Förderbänder etc.. Diese müssen besonders kompakt und platzsparend
ausgeführt sein.
Für die durchgängige Nutzung von IO-Link in der
gesamten Verpackungsmaschine sieht Ulrich Hausner in diesem spezifischen
Fall derzeit keine Vorteile. So sitzt der Schaltschrank - eine Besonderheit von vielen Anlagen des Verpackungsmaschinenspezialisten - oberhalb
des Schmutzbereichs direkt auf der Anlage. Die Kabellängen fallen
deshalb extrem kurz aus. Die Verschraubungen / Dichtungen am
Schaltschrank sind ausreichend für die zum Einsatz kommenden
Reinigungsverfahren. Ein Wechsel von der IP20-Welt zu einer Installation
in der Schutzart IP67, wie sie IO-Link bietet, hätte keine Vorteile.
Ausblick in die Zukunft
Interessant könnte IO-Link eines Tages jedoch
auch aus anderen Gründen werden. Stefan Horcher, Vertriebsingenieur von
Balluff, der die IO-Link-Einführung bei LoeschPack begleitet hat, sieht
hier noch viel ungenutztes Potential: „ Der neue Kommunikationsstandard
steht nicht nur für eine zeitsparende, schlanke Verkabelung, sondern
auch für vereinfachte Parametrier- und Diagnosekonzepte“. Sinn mache
dies vor allem dann, wenn viele parametrierfähige IO-Link Sensoren und
Aktoren in der Anlage verbaut sind. Sie ließen sich über IO-Link
mithilfe von Daten- und Funktionsbausteinen zentral und softwarebasiert
parametrieren, ganz gleich wo sich die einzelnen Devices befinden.
Seiner Erfahrung nach nutzen manche Maschinenbauer diese Features, um
nach dem Aufbau einer Serienmaschine, quasi auf „einen Rutsch“, die
gesamte Anlage zu parametrieren. Sie verkürzen damit nicht nur die
Inbetriebnahme, sondern die gesamte Time-to-market-Phase, was wichtige
Verkaufsargumente sein können. Darüber hinaus profitiert der Nutzer von
dieser Möglichkeit, wenn er eine Anlage zeitsparend an eine neue
Rezeptur anpassen will.
Weitere Möglichkeiten eröffnet IO-Link bei der
Diagnose. Weil Maschinen von LoeschPack weltweit im Einsatz sind,
genießen zuverlässige Fernwartungskonzepte hohe Priorität. Hier können
IO-Link-Sensoren und Aktoren richtig punkten, denn sie machen den Blick
auf die Prozessebene frei. Der Service-Mitarbeiter erkennt im Fall einer
Störung im Detail, was dem Sensor oder Aktor fehlt. Vielleicht ist ja
nur ein Sensor verschmutzt und das entsprechende Meldebit gesetzt. In
jedem Fall erhält der Maschinenbediener eine klare Diagnose und konkrete
Tipps, wie er Abhilfe schaffen kann.