IO-Link: einfacher, schneller, kostengünstiger

IO-Link: einfacher, schneller, kostengünstiger
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Rundtisch Montagestation mit RFID
01.02.2013 | Industrielle Fertigungsanlagen werden immer anspruchsvoller. Der Automatisierungsgrad sowie die Anforderungen an die Produktivität nehmen zu. Zeit, Material und platzsparende Installationskonzepte, die Kosten senken, sind daher stets willkommen.

IO-Link steht für einfache und klare Verkabelungslösungen unterhalb der Bussysteme: Verbinden statt Verdrahten, lautet die Devise. Mit IO-Link stehen Maschinen schneller produktionsbereit beim Kunden. Darüber hinaus erlaubt die neue Schnittstelle kundenspezifische Parametrierungs- und Diagnoselösungen sowie flexible Anlagenkonzepte, wie es sie bislang nicht gab.


„Irgendwann kommt der Punkt, da platzt der Schaltschrank aus allen Nähten“, beschreibt Wilhelm Hügging jenen Zustand, der früher oder später eintritt, wenn verkettete Anlagen über konventionelle Installationskonzepte verdrahtet werden. Der Leiter der Elektrokonstruktion beim fränkischen Sondermaschinenhersteller M.A.i. innovative Automation weiß, welch enormer Aufwand ansteht, wenn immer mehr Zustandsdaten und Informationen von der Prozessebene über mehradrige, teils geschirmte Kabel, Reihenklemmen, Gateways, Anschalt- und IO-Baugruppen zur Steuerungsebene geführt werden müssen. Gerade bei komplexen Produktionsanlagen stößt konventionelle Schaltschrank- und Installationstechnik zunehmend an Grenzen. Der Installationsaufwand nimmt überproportional zu und verursacht mitunter deutlich höhere Kosten als die Ausgaben für Sensoren und Aktoren.


Bei M.A.i. innovative Automation sann man schon vor einigen Jahren nach alternativen Lösungen. Das mittelständische Unternehmen mit Sitz in Kronach stellt mit rund 150 Mitarbeitern kundenspezifische Sondermaschinen sowie Automationslösungen mit den Schwerpunkten Montageautomaten, Maschinenbe- und -entladung sowie Sonderanwendungen für die unterschiedlichsten Bereiche her. „Je größer und automatisierter die Maschine, umso mehr stellte uns der Installations- und Verkablungsaufwand vor neue Herausforderungen. Weil Zeit, Kosten und Effizienz eine immer größere Rolle spielen, musste hier eine grundlegend neue Lösung her“, erinnert sich Wilhelm Hügging. Bereits seit Jahren setzt man im Unternehmen bei Sensoren, Wegmess- und integrierter Installationstechnik auf Produkte und Lösungen des schwäbischen Sensor- und Industrial Networking-Spezialisten Balluff. Im Rahmen regelmäßiger Kontakte brachte Balluff IO-Link ins Gespräch. „Die digitale, leistungsfähige Punkt zu Punkt-Verbindung sorgt unterhalb der Busebene für einfache und klare Verhältnisse“, sagt Stefan Horcher, Vertriebsingenieur und bei Balluff zuständiger Berater für die Region Nordbayern.


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Einfach und übersichtlich: Balluff-Sensorhub

In Verbindung mit einem IO-Link Master genügen der seriellen Schnittstelle für alle übertragungsaufgaben gewöhnliche, ungeschirmte dreiadrige Standardkabel. IO-Link ist abwärtskompatibel zu sämtlichen Standardsensoren und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen. Geschirmte wie ungeschirmte Sonderkabel entfallen komplett, ebenso zusätzliche Anschaltboxen. „Anstatt zu klemmen setzt man nur noch M8-Stecker, verkabelungsseitig entsteht eine bis dahin nie da gewesene Transparenz bei der Leitungsführung“, so Stefan Horcher. Weil der Verkabelungsprozess nur noch einen Bruchteil der zuvor üblichen Zeit in Anspruch nimmt, steht die Anlage schneller startbereit beim Kunden.


Bei M.A.i. innovative Automation kam die zukunftsweisende und herstellerübergreifende IO-Link-Technologie erstmals bei einer Montagelinie für einen Kunden im Automotive-Bereich zum Einsatz. Die über ein Transportsystem umlaufende Anlage besteht aus zwei Fertigungslinien mit 3 bzw. 5 Modulen und einer Länge von rund 30 bzw. 48 Metern. Entlang des Umlaufsystems sind an insgesamt 15 Handarbeitsplätzen eine Vielzahl unterschiedlicher Kunststoff- und Elektronikbauteile zu stecken oder einzulegen. Automatisierte Handling- und Montagestationen sowie zwei Montage-Rundschalttische mit jeweils vier Plätzen bzw. Nestern, die von 6-Achs-Robotern bedient werden, montieren Schritt für Schritt ein einbaufertiges Sicherungsmodul für die Automobilindustrie.


Die Anforderungen sind typisch für den Sondermaschinenbau: „Im Gegensatz zur Vorgänger-Anlage sollte das Nachfolgemodell produktiver, platzsparender, flexibel erweiterbar und möglichst schnell einsatzfähig sein“, fasst Wilhelm Hügging die Kernanforderungen des Lastenheftes zusammen. Der teil- oder vollautomatisierte Ablauf erfordert an jeder Station ein umfassendes Set an Lage-, Zustands- und Kontrollabfragen: So prüfen eine Vielzahl vorwiegend einfach schaltender Sensoren, ob der Werkstückträger am richtigen Platz, das korrekte Bauteil eingelegt, eine Lade ein- bzw. ausgeklappt, die Zentriereinheit oder ein Stopp-Zylinder in der richtigen Position stehen. Kamerabasierte und elektronische Prüfstationen sorgen dafür, dass fehlerhafte Teile rechtzeitig erkannt und aussortiert werden. Darüber hinaus sind sämtliche Werkstückträger mit RFID-Chips ausgestattet, die korrespondierenden Lesesysteme gewährleisten eine lückenlose Prozesskontrolle und -dokumentation.


Allein über 1.000 in der Anlage verbauten Sensoren sowie der weit verzweigte, modulare Aufbau der Anlage sprechen für den Einsatz von IO-Link. Sensorhubs von Balluff mit jeweils 8 Steckplätzen sammeln am Ort des Geschehens die Sensoren ein. Mit M8-Stecker ausgestattete 3-Draht-Leitungen in abgestimmter Länge stellen die Verbindungen her: Aufstecken, festdrehen, fertig. Die Sensorhubs binden ihrerseits, ebenfalls per dreiadrigem Standardkabel, an einen IO-Link Profinet-Master von Balluff an, der schließlich an die Bus- bzw. Steuerungsebene anknüpft. IO-Link Ventilinselstecker von Balluff integrieren die eingesetzten Ventilinseln auf einfachste Weise, ohne die früher übliche mühevolle Verdrahtungsprozedur - wiederum mit einem gewöhnlichen dreiadrigen Sensorkabel. Dank IO-Link Anbindung sind diese Ventilinseln nun auch von der Steuerungsebene aus parametrier- und diagnosefähig. An den Rundschalttischen der Montageanlage ist darüber hinaus noch ein weiteres IO-Link BIS-L RFID-System von Balluff für die exakte Identifizierung der "Nester" im Einsatz.


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Montageanlage mit Sensorhub

Die hier nur im überblick dargestellte Aktorik und Sensorik macht deutlich, dass der Installations- und Verkabelungsaufwand auf konventionellem Wege enorm gewesen wäre. Ganz zu schweigen von den sattsam bekannten Problemen bei der Zuverlässigkeit der Datenübertragung, den in Kauf zu nehmenden Einschränkungen, nicht gänzlich auszuschließender Fehlerquellen und schlussendlich von der Kostenseite. Der modulare Aufbau ist charakteristisch für den Sondermaschinenbau: Anlagenhersteller sind heute mehr denn je bestrebt, die einzelnen Komponenten in sich logisch, transparent und bevorzugt steckfertig aufzubauen. Notwendige Voraussetzung, um beim Kunden vor Ort ein schnelles Ramp-Up und einen zuverlässigen Start der Produktionsphase zu gewährleisten.

 

„Es ist eine der Besonderheiten von IO-Link, dass man signal- und installationstechnisch bereits vieles im Feld regeln kann. Hätten wir früher noch einen Schaltschrank pro Arbeitsplatz gebraucht, genügt heute einer für das gesamte Modul“, betont Wilhelm Hügging. Die für den Aufbau erforderlichen Schaltpläne sind einfach und übersichtlich, dargestellt auf einer einzigen Seite erkennen die Techniker und Programmierer vor Ort sofort, was zu tun ist. Dies bedeutet weniger Personal, geringe Fehleranfälligkeit, rasche Inbetriebnahme. IO-Link steht zudem für ein hohes Maß an Standardisierung: Die Module und Komponenten sind vorgefertigt, das Grundprinzip ist stets dasselbe, überall stellt das steckbare ungeschirmtem M8-Kabel die notwendige Verbindung her. Bei M.A.i. schätzt man nicht zuletzt Details wie die robuste IP 67-Ausführung der Master und Sensorhubs, wo auch die kleinen M8-Hubs mit bruchfesten Metallgewinden ausgestattet sind und somit im rauen industriellen Umfeld bestehen können. „IO-Link schafft eine neue Installations- und Kommunikationsordnung im Maschinenbau. IO-Link spart nicht nur Zeit und Geld, sondern ist flexibel, steuerungsseitig und produktionstechnisch anpassbar. Die Nutzenvorteile erstrecken sich auch auf die Betriebsphase und lassen sich gegenüber unseren Kunden überzeugend vermitteln“, fasst Wilhelm Hügging zusammen.

 

Dabei ist das Potenzial an Möglichkeiten von IO-Link noch keineswegs ausgereizt: Setzt man auf Prozessebene an jenen Stellen, wo es aus produktions- oder ablauftechnischen Gründen sinnvoll ist, IO-Link-fähige Sensoren und Aktoren ein, lassen sich die Möglichkeiten dank IO-Link beträchtlich erweitern: Die digitale Punkt-zu-Punkt Verbindung erlaubt, neben der übermittlung reiner Zustandsdaten, die unkomplizierte übertragung eines ganzen Sets an Informationen. Parametrierung und Diagnose sind aus der Ferne realisierbar, von großem Vorteil überall dort, wo Geräte schwer zugänglich sind oder, im konzeptionellen Sinne, künftig nicht mehr frei zugänglich verbaut werden müssen. Mit IO-Link ist der Austausch von Sensoren und Aktoren quasi „on the fly“ machbar, neu gesteckte Devices beziehen ihre Parameter direkt von der Steuerungsebene.

 

Aktuell geht man bei M.A.i. auch bei der Anbindung von Roboter-Applikationen neue Wege: Dank IO-Link lassen sich selbst aufwändige Applikationen unmittelbar am Prozessort über ein IO-Link Master-Modul kanalisieren. Im Gegensatz zum bis dahin üblichen armdicken Kabelstrang nutzt man die im Roboterarm bereits vorhandenen 6 Adern eines Standardkabels, um 4 IO-Link Kanäle plus Spannungsversorgung auf den Robotergreifer zu führen und dort entsprechende IO-Link Devices anzuschließen. Durch die sehr hohe Störsicherheit des IO-Link Signales ist dies problemlos möglich. Dieselbe Idee lässt sich auch auf Rundschalttische anwenden. Das störsichere IO-Link-Signal eignet sich hervorragend für die übertragung über die vorhandene Schleifringdurchführung an Rundtischen. Bussysteme stoßen bei solchen Aufgaben typischerweise an Ihre Grenzen. Bei M.A.i. entwickelt man die vielfältigen Möglichkeiten von IO-Link derzeit weiter. Auch in Zukunft darf man von dem Kronacher Unternehmen innovative und Lösungen mit Mehrwert erwarten.


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