27.05.2014

Durchgängige Sicherheitstechnik

Der Hersteller von Montage- und Nietmaschinen Friedrich im schwäbischen Remshalden bei Schorndorf rüstet seit zwölf Jahren sämtliche Maschinen mit Sicherheitskomponenten von ABB Stotz-Kontakt aus und erreicht dabei durchgängig den höchsten Performance Level PLe gemäß EN ISO13849-1 sowie SIL3 gemäß EN IEC61508 und EN IEC62061. Eine Sicherheits-SPS Pluto S46 v2 steuert und überwacht in Verbindung mit Zweihandsteuerungen Safeball, einer elektromagnetischen Zuhaltung Magne 2B mit berührungslosem Sicherheitssensor Eden und einem Not-Halt-Taster Inca 1 Tina alle Sicherheitsfunktionen des Bearbeitungszentrums. Diese besonders übersichtliche Lösung bietet beachtliche Kosteneinsparungen bei Material, Verdrahtung, Wartung und Lagerhaltung.

Autor: Andreas Strangfeld, ABB Stotz-Kontakt GmbH.


Bild 1: Serviceleiter Johann Lehmann überprüft das Bearbeitungszentrum C1311 mit Drehteller, NC-Nietmaschine, Sortiertopf, Überwachungskamera und Bestückungsroboter.
Bild: ABB Stotz-Kontakt GmbH

Die 1948 gegründete Maschinen- und Werkzeugbau D. Friedrich GmbH & Co. KG fertigt Radialpunkt-Nietmaschinen und elektrische Tischpressen und ist Marktführer für CNC-Nietmaschinen. Das Unternehmen beschäftigt über 56 Mitarbeiter und erzielte 2013 einen Umsatz von über 7Mio.E, 15% davon im Export. Hauptkunden sind Zulieferer der Automobilindustrie. Das in die Nietmaschinen integrierte patentierte Längenmesssystem gewährleistet eine hervorragende Bearbeitungsqualität. Der nach ISO9001: 2008 zertifizierte Maschinenbauer baut zunehmend Montage- und Bearbeitungszentren für Automobildachsysteme und hat Niederlassungen in Frankreich, Italien, Polen, Tschechien, Russland und China.

PC-Steuerung des Bearbeitungszentrums

Die Hauptfunktionen des Bearbeitungszentrums C1311 (Bild 1), das aus Drehteller und NC-Nietmaschine (Bild 2) sowie Sortiertopf, Überwachungskamera und Bestückungsroboter besteht, werden über die FMW-Friedrich PC-Steuerung von einem zentralen, schwenkbar angeordneten Bedienpult aus gesteuert. Die PC-Steuerung basiert auf einem IPC-Rechner mit großer Festplatte. Als Betriebssystem ist eine Codesys 'Soft-SPS HMI' installiert. Der Touch-Bildschirm mit Windows-Oberfläche ist grafikfähig und bietet eine optimale Bedienerführung. Die große Rezepturverwaltung sowie die CANopen-Vernetzung und die zentrale Datenerfassung wie auch die Ethernet-Anbindung und Archivierung der Daten über UL-Datenbank sind besonders hervorzuhebende Leistungsmerkmale. Die Speicherkapazität erlaubt eine nahezu unbegrenzte Zahl von Programmen. Zudem besteht die Möglichkeit, Programme zur Archivierung über eine USB-Schnittstelle herunterzuladen oder direkt zu vernetzen.

Startfenster

Im Startfenster lassen sich alle Betriebsarten anwählen. Gespeicherte Fertigungs-Programme sind abrufbar, und Störungen können im Klartext angezeigt werden. Über den Statistikbutton wird die Qualitätssicherung aktiviert. Während der laufenden Produktion kann man die Prozessfähigkeit der Maschine zu jedem Zeitpunkt ablesen oder über eine Schnittstelle protokollieren. Aufgezeichnet werden die tatsächlichen Prozessdaten: Länge des unbearbeiteten Nietes sowie die genietete Höhe des Nietkopfes.

Auswahl Einrichten und Automatik

Im Einrichtmodus der Maschine werden die Daten als Festwert direkt, oder im 'Teach-in'-Modus eingegeben. Die Dateneingabe erfolgt über den Touch-Bildschirm. Beim Einrichten lassen sich über ein tragbares Joystick-Manual sämtliche Achsen genau anfahren und positionieren. Alle für den Niet-Prozess relevanten Daten und Parameter werden unter einer Programmnummer in eine übersichtliche Tabelle eingetragen und gespeichert. Gleiche Vorgänge können zu Bearbeitungsgruppen zusammengefasst werden. Im Tisch und im Werkstückträger sind Lesegeräte installiert, die beim Weitertakten oder Werkstückträgerwechsel automatisch erkennen, welches der Bearbeitungsprogramme erforderlich ist.

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Arbeitsablauf

Über den Sortiertopf werden die Nietbolzen auf einer Förderstrecke bereitgestellt. Der Bestückungsroboter entnimmt die Nietbolzen und legt sie in das Nest auf dem Werkstückträger. Der Bedienende taktet den bestückten Werkstückträger in seinen Arbeitsbereich, vervollständigt die Baugruppe und löst über die Zweihandsteuerung Safeball den Start aus. In der nächsten Station überprüft die Kamera das Vorhandensein und die richtige Lage der Teile und erteilt die Freigabe für den nächsten Takt. In der nachfolgenden Station wird das Nietprogramm automatisch Schritt für Schritt abgearbeitet. Der Bestückungsroboter entnimmt die genieteten Teile und bestückt den Werkstückträger neu. Alle Positionierachsen werden über High-Speed-Servomotoren mit hoher Positioniergenauigkeit und extremen Beschleunigungsraten angefahren. Diese ermöglichen kurze Taktzeiten und Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 600mm/s.

Sicherheits-SPS Pluto

Sämtliche Sicherheitsfunktionen des Bearbeitungszentrums C1311 von Friedrich werden von einer Sicherheits-SPS Pluto S46 v2 (Bild 3) überwacht. Die frei programmierbare Sicherheits-SPS Pluto S46 bietet dem Anwender standardmäßig 40 sichere Eingänge sowie sechs einzeln schaltbare sichere Ausgänge der Kategorie 4. Über die sicheren Eingänge können jegliche sicherheitsgerichteten Sensoren angeschlossen werden, unabhängig ob diese ein- oder zweikanalig mit potenzialfreien Kontakten arbeiten oder mit OSSD-Ausgängen, wie man sie häufig bei berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen findet. Zusätzlich können an Pluto auch ABB-Sensoren mit einem speziellen dynamischen Signal angeschlossen werden. Diese erfüllen die Anforderungen der EN ISO13849-1 für den Performance Level PLe. Im Gegensatz zu normalen, zweikanaligen Systemen dürfen diese auch bei einer geforderten Kategorie 4 in Reihe geschaltet werden. Bis zu zehn Sensoren, wie z.B. Türendschalter, können durch dieses System an nur einem Eingang ausgewertet werden, ohne Reduzierung des Performance Levels. So könnte eine Sicherheits-SPS Pluto mit einer Breite von 90mm bis zu 400 Sensoren nach PLe/Kat4 überwachen. Zur Ansteuerung von nicht sicherheitsgerichteten Systemen, wie Lichtsignalen oder Visualisierungen, gibt es die Möglichkeit, bis zu 16 der sicheren Eingänge einzeln zu nicht sicheren Ausgängen umzustellen. Darüber hinaus kann man auch diese Ausgänge durch eine Zusatzbeschaltung zu sicheren Ausgängen machen. So bietet die Sicherheits-SPS Pluto dem Anwender bis zu 16 einzeln schaltbare, sichere Ausgänge der Kategorie 4. Das System wird mit der kostenfreien Software Pluto Manager im Kontaktanschlussplan programmiert, einem auf Windows basierenden Programmierwerkzeug mit TÜV-zertifizierten Sicherheits-Funktionsblöcken. Die Maschinenanforderungen wurden durch entsprechende Programmierung vor Ort schnell und mühelos erfüllt. Durch den verringerten Verdrahtungs-, Projektierungs- und Materialaufwand erzielt der Maschinenhersteller erhebliche Kosteneinsparungen. Der Wegfall zahlreicher Sicherheitsrelais und die kleine Baugröße der Sicherheits-SPS Pluto sorgen für ausreichende Platzreserven im Schaltschrank. Pluto vereinfacht den Entwurf von Sicherheitssystemen und bietet ein Höchstmaß an Flexibilität.

Zweihandsteuerung Safeball

Am Arbeitsplatz für die Handbestückung des CNC-Bearbeitungszentrums sind zwei Safeball (Bild 4) angebracht. Diese dienen gemeinsam als Zweihandsteuerung und ermöglichen es dem Bedienenden, die Anlage um einen Arbeitstakt weiter zu bewegen. Der Einsatz der Safeball als Zweihandsteuerung verbessert die Bedienbarkeit der Anlage und reduziert zugleich den mechanischen Aufwand bei der Montage. Jeder Safeball enthält zwei Schaltelemente, die jeweils ein eigenes, mechanisches Antriebselement besitzen und so die Möglichkeit zur Manipulation reduzieren. Aus diesem Grund sind eine Abdeckung und eine mechanische Trennung der Bedienelemente nicht mehr nötig. Durch die daraus resultierende, einfachere Erreichbarkeit der Bedienstellen lässt sich die Produktivität steigern. Dank seiner ergonomischen Form sowie der Montage auf einem beweglichen Kugelgelenk schont der Safeball gleichzeitig die Gelenke des Bedienenden und verringert die Ermüdungserscheinungen. In Verbindung mit einem Auswertegerät, wie der Sicherheits-SPS Pluto oder dem Zwei-Hand-Sicherheitsrelais JSBR4, das die Betätigung aller vier Schaltelemente innerhalb 0,5s überwacht, erfüllt der Safeball alle Anforderungen der EN ISO13849-1 für den Performance Level PLe und die Sicherheitsstufe IIIc nach EN574.

Elektromagnetische Zuhaltung Magne 2

Um sicherzustellen, dass der Maschinenbediener bei geöffneten Schutztüren nicht gefährdet wird, und um ein unbeabsichtigtes Unterbrechen des Prozesses zu verhindern, wird an den Servicetüren des CNC-Bearbeitungszentrums die elektromagnetische Zuhaltung Magne 2 (Bild 5) eingesetzt. Durch den integrierten Eden Sensor erfüllt Magne 2 alle Anforderungen der EN-ISO13849-1 an eine Verriegelungseinrichtung nach PLe/Kat4 und sorgt so für den Schutz des Bedienenden bei geöffneten Schutztüren. Friedrich Niettechnik hat sich für die Variante Magne 2B entschieden. Diese enthält neben der elektromagnetischen Zuhaltung, die bei einer Stromaufnahme von nur 300mA eine Haltekraft von 1.500N ermöglicht, auch noch einen Permanentmagnet, der bei der Freigabe der Zuhaltung verhindert, dass Türen sich unbeabsichtigt öffnen. Da Magne 2 auch als mechanischer Anschlag genutzt werden kann, und Friedrich Niettechnik zusätzlich die Griffschale der Zuhaltung einsetzt, in der sich die Ankerplatte und das Gegenstück des Sensors befinden, konnten Einzelteile, wie Kugelraster, Griff und mechanische Winkel, eingespart werden. So reduziert sich nicht nur der Installationsaufwand, sondern auch die Kosten für die Beschaffung und Lagerung von Einzelteilen. Ein wichtiges Entscheidungskriterium war auch die Zeitersparnis. Durch die Funktionsweise ohne direkte mechanische Verbindung entfällt die bei konventionellen, mechanisch betätigten Schaltern übliche aufwendige Justage. Zudem besitzt der Schalter gegenüber den konventionellen Schaltern eine zehnmal höhere mechanische Lebensdauer.

Not-Halt-Taster Inca

Inca ist ein Not-Halt-Taster für den Einbau in Bedienfelder, Schaltergehäuse und Schaltschränke. Sein Anschluss erfolgt über abnehmbare Anschlussklemmen, was die Verkabelung beim Anschluss oder Austausch vereinfacht. Im Taster ist bereits eine Beleuchtungseinheit aus LEDs integriert, die eigenständig den aktuellen Zustand des Tasters erkennt und wiedergibt. Ist der Sicherheitskreis geschlossen und der Taster unbetätigt, wird dies durch ein durchgehend grünes Leuchten angezeigt. Bei Betätigung des Tasters wechselt die Farbe auf Rot. Wird ein anderer Not-Halt-Taster, der sich weiter vorne im Kreis befindet, betätigt, melden alle nachfolgenden Taster dies durch ein Blinken zwischen Rot und Grün. Dies ermöglicht eine schnelle Erfassung des Geschehens und verkürzt gerade bei einer unbeabsichtigten Betätigung die Stillstandszeiten. Inca ist in zwei verschiedenen Varianten für dynamische und für statische Schaltkreise erhältlich.

Positive Erfahrungen

Johann Lehmann (Bild 1), Serviceleiter bei Friedrich, ist mit der kompetenten Beratung von ABB Stotz-Kontakt hochzufrieden. Die enge Zusammenarbeit führte nämlich zur Entwicklung eines besonders leistungsfähigen, auf Pluto basierenden Sicherheitskonzepts, das sämtliche Sicherheitskomponenten umfasst und durchgängig den höchsten Performance Level PLe erreicht. Herr Lehmann war von Anfang an von der Handlichkeit, den kaum eingeschränkten Anordnungsmöglichkeiten und der hohen Manipulationssicherheit vollauf begeistert. Bei der Sicherheits-SPS Pluto haben ihn das einfache Programmieren mit kostenloser Software, die hohe Flexibilität und der unerwartet günstige Preis eindeutig überzeugt. Er lobt auch das formschöne Design, die hohe Lebensdauer und den geringen Installationsaufwand der elektromagnetischen Zuhaltung Magne 2B sowie die intelligenten Zustandsmeldungen des Not-Halts Inca 1 Tina.

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