Brennstoffzellen-Prüfeinrichtung mit IO-Link

Brennstoffzellen-Prüfeinrichtung mit IO-Link
Grossansicht Bild
Über die Maschine verteilt sammeln Sensorhubs die Signale einfach schaltender Sensoren ein.
22.05.2014 | Um Brennstoffzellen marktfähig, also reproduzierbar und kostengünstig sowie in gesicherter, hoher Qualität, herstellen zu können, sind automatisierte und hochpräzise Fertigungs- und Kontrollverfahren erforderlich. Stichprobenartige manuelle Kontrollen können diese Anforderungen erfahrungsgemäß nur unzureichend erfüllen.

Abhilfe soll ein automatisiertes Prüfverfahren schaffen, das jetzt in Form eines Demonstrators realisiert wurde. Der Solinger Sondermaschinenbauer P+K Maschinen und Anlagenbau hat die Anlage im Rahmen eines ZIM Kooperationsprojektes mit Fördermitteln des Bundes konstruiert und gebaut. "Dank IO-Link konnten wir die Anlage in rekordverdächtiger Zeit einfach und platzsparend installieren", schildert Peter Kronenberg, Geschäftsführer von P+K.  Projektpartner waren das Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT), die Intelligent Solutions  GmbH (divis) sowie die Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V (Gfal). 
 
Aufgabe der Prüfanlage ist es, in einem einzigen kompakten Aufbau durch spezielle Bildaufnahmetechnik und -verarbeitung relevante Fertigungsfehler wie Haarrisse, Grate und Löcher an den Bipolarplatten zu erkennen und die Verwendung defekter Ausschussprodukte auszuschließen. Darüber hinaus soll der Demonstrator durch eine systematische, kontinuierliche Datenauswertung und Informationsrückkopplung helfen, den Spritzgießprozess permanent zu überwachen und die Spritzgießparameter laufend zu optimieren, so dass im späteren industriellen Herstellungsprozess eine Null-Fehlerrate erreicht wird. Diese anspruchsvolle Prüfaufgabe ist in einer Zeitspanne zu bewältigen, die unterhalb des Prozesstaktes der Fertigung liegt.
 
"Auf das Thema IO-Link sind wir über unseren Außendienstler Frank Rüger von Balluff gekommen", erzählt Peter Kronenberg weiter. "Wir haben ihm erzählt, was wir vorhaben. Er sagte zu uns, IO-Link sei eigentlich an dieser Stelle genau das Richtige, wenn man gleichzeitig Zustände erfassen, Daten auslesen sowie Motoren und Ventile ansteuern und dabei noch erheblich Zeit bei Installation und Inbetriebnahme sparen will."
 
IO-Link ist eine universell einsetzbare I/O-Schnittstelle unterhalb der Bussysteme, die zu sämtlichen Feldbussen kompatibel ist. Als digitale und bidirektionale Punkt-zu-Punkt Verbindung schafft IO-Link einen leistungsfähigen Kommunikationskanal bis auf Aktor- und Sensorebene.
 
Die Spreu vom Weizen trennen
 
Der von P+K entwickelte Demonstrator einer Prüfanlage für Bipolarplatten ist eine kompakte Maschine, die am Boden gerade einmal 3,7 mal 1,7 und in der Höhe etwa 2 Meter misst. Im operativen Einsatz ist sie über ein Förderband direkt mit der Spritzgießmaschine verbunden. über dieses gelangen die Bipolarplatten, die zu 70% aus Kunststoff und zu 30% aus Kohlenstoff bestehen, nach dem Spritzgießvorgang zur Prüfeinrichtung.
 
Nachdem Näherungsschalter ihre Ankunft gemeldet haben, saugt ein spezielles Dreiachshandling sie mittels Venturidüsen an, um sie dann auf mit RFID Tags gekennzeichnete Werkstückträger zu transferieren. Von dort werden sie mittels Elektrozylindern mit einer Taktrate von 4, 2 Sekunden auf die jeweils nächste Position geschoben. Dies geschieht im Demonstrator in vorgegebener Reihenfolge, um die Zuordnung ihrer Identität sicherzustellen. Im späteren praktischen Betrieb erhält jede Platte auf ihrer Oberkante eine individuelle Markierung mittels eines Lasers.
 
Die nächste Station ist dann auch schon die erste Inspektionskammer, in der zwei Kameras von der Kühlseite jeweils zwei Bilder sowohl unter „Hellfeld-" als auch unter „Dunkelfeldbeleuchtung“ aufnehmen, um dann nach dem Wenden der Bipolarplatten durch einen Greifer in einer zweiten, identisch ausgelegten Inspektionskammer weitere Bilder zu machen. Alle Fotos bleiben für die weitere Auswertung gespeichert und können jederzeit auf einem Monitor begutachtet werden.
 
Die Zuordnung der Bilder zu den einzelnen Bipolarplatten erfolgt über die mit einem RFID Chip gekennzeichneten Werkstückträger. Dafür befinden sich an allen relevanten übergangspositionen M18-Leseköpfe mit abgesetzter Auswerteeinheit des Balluff RFID-Systems BIS L (read only System). Das berührungslos arbeitende Identifikationssystem liest die Informationen der Datenträger aus. Die Daten liegen über die IO-Link-Schnittstelle direkt in den Prozeßdaten vor und können in der SPS weiterverarbeitet und ausgewertet werden. An einer weiteren Station erfolgt dann die Dickenmessung der Platte mit 6 Laser-Sensoren mit Analogausgang, die im Demonstrator direkt mit der Auswerteeinheit verbunden ist.
 
Am Ende haben die künftigen Elektroden ein komplexes Prüfszenario durchlaufen, für jeden Prüfling stellt die Software die zugehörige Prüfhistorie zur Verfügung. Entsprechen sie in allen Punkten den geforderten Anforderungen, werden die I.O.-Bipolarplatten an einer weiteren Station maschinell abgefräst, die Graphit-Partikel an der Oberfläche freigelegt und so für den operativen Einsatz vorbereitet. Die N.I.O.- Platten dagegen werden ausgeschleust, in einem Magazin gesammelt.

IO-Link verschlankt die Installation

IO-Link verschlankt die Installation
Grossansicht Bild
Mit IO-Link schrumpft der Schaltschrank, denn die Anzahl der hier erfor-derlichen I/Os ist vergleichsweise gering.

Besonders auffällig ist: Obwohl in der Anlage über 90 schaltende Sensoren im Einsatz sind, macht die Maschine einen überraschend aufgeräumten und verkabelungstechnisch übersichtlichen Eindruck. Dies spiegelt sich dann auch in der besonders geringen Größe des Schaltschranks wieder, denn die Zahl der hier erforderlichen I/Os ist vergleichsweise niedrig.
 
Dies liegt maßgeblich am Einsatz von IO-Link, weiß Martin Prims vom Balluff TecSupport: "Automatisierungsexperten vergleichen den IO-Link Standard auch gerne mit der USB-Schnittstelle im EDV-Bereich: Alles lässt sich mit einem Standardkabel verbinden. Jegliche Art von Sonderkabel sowie zusätzliche Anschaltboxen entfallen. Kein Klemmen mehr, nur noch M12-Stecker setzen, und die Verbindung steht. Dabei ist IO-Link auch noch abwärtskompatibel zu sämtlichen Standardsensoren und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen."
 
über die Maschine verteilt sammeln elf Sensorhubs die Signale der einfach schaltenden Sensoren ein und bündeln je nach Variante acht bzw. 16 Eingänge auf einen IO-Link-Port. Am installierten Balluff Profinet IO-Link Masters stehen bis zu acht IO-Link Ports zur Verfügung.  Es sind fünf IO-Link Master in der Maschine installiert. Von den insgesamt 40 IO-Link-Ports bleiben fünf als Reserve für eventuelle Erweiterungen frei, 35 IO-link Ports sind belegt.
 
Sie machen die IO-Link fähigen Devices für die Steuerungsebene verfügbar. Im Einzelnen sind dies die IO-Link-fähigen Leseeinheiten des Balluff RFID-Systems BIS L, zwei Ventilinseln mit ihren jeweils bis zu 24 Spulen zur Ansteuerung der Pneumatik-Komponenten, eine IO-Link-Smart Light sowie die Sensorhubs mit ihren nicht IO-Link sprechenden Standard-Sensoren für die Steuerungsebene. über 13 Universelle Balluff IO-Link Module - dies sind einzelne IO-Link Anschaltungen mit einem offenen Kabelende für 10 bzw. 16 Ein- oder Ausgänge - werden 13 Achssteuerungen über Standardsensorkabel mit der Steuerungswelt verbunden. Diese Achsen können nun mit einfachen digitalen Signalen an zuvor einmalig eingelernte Positionen gesteuert werden. Eine komplexes Protokoll und eine Verbindung der Achssteuerungen mit der SPS via Ethernet entfallen.


Grossansicht Bild
Die Zuordnung der Bilder zu den einzelnen Bipolarplatten erfolgt über die mit einem RFID-Chip gekennzeichneten Werkstückträger.

"Trotz anfänglicher Skepsis, es war ja unser erstes Projekt mit IO-Link, konnten wir zu zweit die Anlage an einem Vormittag komplett auflegen", schildert P + K Geschäftsführer Peter Kronenberg und fährt fort: "Das ist ein neuer Rekord für eine Anlage dieser Größenordnung. Zum Vergleich: ohne IO-Link mit einem schnellen Elektriker hätte dies erfahrungsgemäß drei Tage gedauert." Einen deutlichen Unterschied sieht er auch bei den Kabelmengen: "Wir haben jetzt wenige schlanke Kabel bis zum Schaltschrank, statt dicker Kabelbäume bei konventioneller Verkabelung. Die serielle Schnittstelle vereinfacht den Installations- und Verkabelungsprozess also ganz erheblich."
 
"Ein weiteres wichtiges Feature im Rahmen von IO-Link ist für den Anwender die Möglichkeit zur automatisierten Parametrierung und Diagnose bei laufendem Betrieb. Peter Kronenberg führt weiter aus: "Wir haben bei der Inbetriebnahme einen der IO-Link-RFID-Leseköpfe beschädigt, den mussten wir umgehend austauschen, was dank der M12-Steckverbindungen kinderleicht ist. Der besondere Clou: Wir konnten ohne Einlernen des neuen Lesekopfes die Anlage sofort wieder in Betrieb nehmen, denn das neue Device bekommt die erforderlichen Parameter vom IO-Link Master automatisch eingespielt."
 
In der Anlage verbaut ist mit der IO-Link Smart Light auch noch ein ganz besonderes Signalisierungsgerät, das es derzeit nur bei Balluff gibt. Die Signalsäule mit IO-Link-Schnittstelle. Sie ist ein richtiges Multitalent, denn mit ihren 20 LED-Segmenten kann man unterschiedlichste Betriebszustände oder auch Tendenzen, Verläufe und Trends von physikalischen Größen in nahezu beliebigen Farben darstellen. Der besondere Clou: Dazu kann man sie ohne mechanischen Umbau, on the fly, alleine über die Steuerung an ihre neuen Aufgaben anpassen. Auch hier genügt zum Anschluss und zur Installation IO-Link-typisch ein einfaches ungeschirmtes dreiadriges Sensorkabel.

 

 

Der Solinger Sondermaschinen- und Vorrichtungsbauer P+K beliefert mit seinen Lösungen unter anderem die Automobil- und Zuliefererindustrie, die Elektro- und Verpackungsindustrie sowie den allgemeinen Maschinenbau. Eine besondere Spezialität des Unternehmens und seiner 15 Mitarbeiter sind automatische oder halbautomatische Prüfanlagen, die P+K seit mehr als 20 Jahren für die unterschiedlichsten Anwendungszecke konstruiert, entwickelt und produziert. Darunter sind Anlagen mit manueller Bedienung oder integrierten Lösungen für verkettete, automatisierte Produktionsabläufe.

Die Balluff GmbH ist ein führender, global tätiger Sensorspezialist und Connectivity-Anbieter mit mehr als 2.600 Mitarbeitern. Das Unternehmen führt ein komplettes Sortiment an hochwertigen Sensoren, Wegmess- und RFID-Systemen sowie Networking Lösungen für alle Bereiche der Fabrikautomation. Gefertigt wird nicht nur im Stammhaus in Neuhausen a. d. Fildern in der Nähe von Stuttgart, sondern auch in weiteren modernen Produktionsstätten in Ungarn, der Schweiz, den USA, Brasilien und China.


Bewertung Ø:
   
Meine Bewertung:
Rubriken: IO-Link

Fragen und Kommentare (0)