01.10.2014

Saubere Sache

In 30.000 Schwingungen pro Sekunde versetzt, löst Wasser durch ultra-feine Kavitationsexplosionen selbst mikroskopisch kleine Schmutzpartikel von Oberflächen oder aus feinen Spalten. Sogar an Stellen, die von außen mit einem Wasserstrahl gar nicht erreichbar sind. Eben so sauber wie die gereinigten Gegenstände sollte auch die steuerungsseitige Auslegung solcher Reinigungsanlagen sein. Statt aufwendiger Kabelbäume bietet sich an dieser Stelle das Bussystem AS-Interface an.

Autor: Dipl.-Ing. Andreas Biniasch, ifm electronic gmbh.


Bild 1: Mehrstufige Ultraschall-Reinigungsanlage der Firma KLN
Bild: ifm electronic gmbh

In unzähligen Produktionsbereichen wird Ultraschallreinigung eingesetzt. Häufig im Anschluss an mechanische Bearbeitungsprozesse, nach denen das Werkstück zur weiteren Verarbeitung oder Veredelung absolut frei von Schmutz, Schleifpartikeln oder anderen Anhaftungen sein muss. Ein Beispiel ist die Entfernung des feinen Schleifstaubs in der Glasbearbeitung, etwa bei der Herstellung optischer Linsen. Auch in der Materialaufbereitung kommt die Ultraschallreinigung zum Einsatz. Dann dient eine solche Anlage zum Beispiel zur Reinigung mikroskopisch kleiner Düsen, die bei der Herstellung von Kunststofffasern eingesetzt werden. So weit wie das Einsatzgebiet, so breit ist auch das Spektrum der Anlagen: von kleinen, standardisierten Kompaktgeräten bis hin zu individuellen, garagengroßen Anlagen gibt es alles auf dem Markt. Oftmals sind die Reinigungsanlagen fester Bestandteil einer Produktionslinie. Ein Ausfall würde den gesamten Prozess stoppen. Deshalb ist eine möglichst hohe Zuverlässigkeit gefragt. Kommt es dennoch zu einer Störung, sollte sich der Fehler schnell lokalisieren lassen. Neben zuverlässiger Sensorik und Aktuatorik trägt auch deren Verkabelung maßgeblich zur Zuverlässigkeit und Diagnosefähigkeit bei. Der Maschinenbauer KLN Ultraschall setzt deshalb beim Bau seiner Reinigungsanlagen auf das Feldbussystem AS-Interface (kurz AS-i). Statt komplexer und nur schwer zu durchschauender Kabelstränge läuft die Kommunikation auf Sensorebene über ein schlankes, zweiadriges AS-i-Buskabel. Dazu Dieter Bickelhaupt, Bereichsleiter Reinigungstechnik bei KLN: "Baugröße, Flexibilität und der sehr schnelle Aufbau, dezentral an jeder Stelle der Anlage, sind für uns wichtige Vorteile von AS-Interface". Wie bei den Sensoren setzt der Maschinenbauer auch bei der Buskommunikation auf Lösungen von IFM Electronic. Der Automatisierungsanbieter hat vom Abgriff über I/O-Module bis hin zum Master-Gateway sämtliche Komponenten für eine umfassende Kommunikationslösung mit AS-Interface im Portfolio. "Wir waren einer der ersten Kunden von IFM, die AS-i eingesetzt haben, mit durchschlagendem Erfolg, der bis heute noch gut von IFM begleitet wird", ergänzt Bickelhaupt.

Herstellerübergreifender Standard

AS-i ist ein herstellerübergreifender Standard für den Anschluss von Sensoren und Aktuatoren auf der ersten Feldebene. Es ist weltweit das einzige international akzeptierte Verdrahtungssystem und genormt nach IEC62026-2. Mit über 15 Millionen installierten Slaves hat es sich als kostengünstiger und robuster Zubringerbus für industrielle Steuerungen bewährt. Aufgrund des standardisierten Systems, des geringen Verdrahtungsaufwands und der werkzeuglosen Schnellverbindungstechnik bietet AS-i einfaches Plug&Play bei der Installation und Inbetriebnahme. Ein weiterer nicht zu unterschätzender Vorteil: Die Reduktion der Klemmstellen führt zu einem deutlich geringeren Dokumentationsaufwand. Bickelhaupt: "Früher haben wir konventionell verdrahtet, das heißt mittels Klemmkastensystem und direkt über die Ein- und Ausgänge der SPS. Die Verdrahtung war umfangreich und nahm viel Platz in der Anlage und im Schaltschrank ein." Bei AS-i dagegen werden sowohl Daten als auch Energie für die angeschlossene Sensorik und Aktuatorik gemeinsam über ein zweiadriges Flachkabel übertragen. Die verpolungssichere Durchdringungstechnik hilft dabei, Fehler bei der Installation zu vermeiden. Der modulare Aufbau und die frei wählbare Netzstruktur folgen konsequent der Anlagenstruktur und bieten dem Anlagenentwickler eine hohe Flexibilität.

Alles über ein gelbes Kabel

Für die Prozesssteuerung sind unterschiedlichste Sensoren und Aktuatoren in der Reinigungsanlage verbaut: Zum Beispiel dienen induktive und optische Sensoren zur Positionsüberwachung der Behälterwagen, in denen die zu reinigenden Teile manuell zu- und abgeführt werden. Prozesssensoren überwachen Temperatur und Füllstand der Flüssigkeiten in den Reinigungsbehältern. Sowohl binäre Schaltsignale als auch analoge Prozesswerte, zum Beispiel Temperaturwerte, werden über den AS-i-Bus an die Steuerung übertragen. Ein Beispiel für Sensoren mit kombinierter Aktuatorik sind die sicheren AS-i-Türschalter mit Zuhaltung. Wenn sie von der Steuerung über AS-i ein Freigabesignal erhalten, geben sie die Verriegelung frei und der Auszug kann geöffnet werden. Somit wird verhindert, dass der Anwender versehentlich während des Reinigungsvorgangs oder während des Bestückens den Auszug aus der Anlage ziehen kann.

Sicherheit mit AS-i

Die Anlage enthält auch sicherheitsgerichtete Einrichtungen. Neben den Türschaltern mit Verriegelungsaktuatorik sind das vor allem Not-Aus-Taster und induktive Sicherheitssensoren zur Positionserfassung. Hier spielt AS-i einen weiteren Trumpf aus: Auch sicherheitsgerichtete Signale können dank des erweiterten AS-i-Standards 'Safety at work' über das gelbe Flachkabel übertragen werden. Eine separate Leitung für sicherheitsgerichtete Signale ist nicht erforderlich. Spezielle Sicherheitsmodule überwachen die Kommunikation auf dem Bus. Sicherheitskomponenten bis zur höchsten Steuerungskategorie 4 nach EN954-1, SIL3 nach IEC61508 und PLe ISO13849-1 lassen sich über AS-i anschließen.

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Vom Sensor bis in die Steuerung

Der konkrete Anschluss von Sensoren und Aktuatoren erfolgt über I/O-Module, im AS-i-Netzwerk auch als Slave bezeichnet. In der Regel werden diese Module sensornah an dezentraler Stelle montiert. Sie stellen über standardisierte M12-Anschlüsse die Verbindung zwischen Sensorik/Aktuatorik und dem AS-i-Bus her. Letzterer wird in Form eines gelben, zweiadrigen Flachkabels in das Modulunterteil eingelegt. Die Durchdringungstechnik stellt eine zuverlässige Verbindung her. Der Vorteil dieser Montage: Die Module lassen sich einfach, auch nachträglich, an beliebiger Stelle an das Buskabel anschließen. Auch eine Erweiterung einer Anlage um zusätzliche Sensoren und Aktuatoren ist mit AS-i sehr einfach, schnell und kostengünstig realisierbar. IFM Electronic bietet verschiedene Module für den Schaltschrank, die Feldmontage oder als Platinenlösung an. Erhältlich sind diese mit unterschiedlichen Konfigurationen an digitalen Ein- und Ausgängen, analogen I/Os oder speziellen Anschlüssen, etwa für Pt100-Temperatursensoren. Darüberhinaus bietet IFM Electronic auch sogenannte intelligente Sensoren und Aktuatoren mit integrierter AS-i-Busanschaltung an, zum Beispiel Pneumatikventile, induktive AS-i-Sensoren oder die hier verwendeten Not-Aus-Taster. Diese benötigen kein spezielles AS-i-Modul und können als Slave direkt per Flachkabelabgriff an die AS-i-Leitung angeschlossen werden.

Master/Gateway

Herzstück eines jeden AS-i-Netzes sind die sogenannten Master. Dabei handelt es sich um eigenständige Controller, die den Busverkehr managen. Zugleich bieten sie eine leistungsstarke SPS-Funktionalität und sind vom Anwender programmierbar, um Sensor- und Aktuatorsignale zu verarbeiten und somit als eigenständige, dezentrale Steuerung zu arbeiten. Weiterhin besitzen sie oftmals eine Gateway-Funktionalität, um etwa per Profinet oder Profibus mit der übergeordneten Steuerung oder Leitebene zu kommunizieren. Je nach Ausführung lassen sich an diesen Mastern ein oder zwei AS-i-Kabel mit jeweils bis zu 248 binären Sensoren und 186 Aktuatoren anschließen.

Fazit

Unter dem Strich zählt das Ergebnis: Verdrahtungsaufwand, Dokumentationsaufwand und Inbetriebnahmezeiten werden durch AS-i deutlich reduziert. Die Dezentralisierung der AS-i-Teilnehmer führt zu kleineren und preiswerten Schaltschränken. Unübersichtliche Kabeltrassen werden vermieden. Einfache Diagnose und ein übersichtlicher Anlagenaufbau führen zu hoher Anlagenverfügbarkeit und reduzieren zugleich die Kosten für Montage und Diagnose. Dazu abschließend Bickelhaupt: "Da die Verbindungsleitungen zu den Schaltern und Ventilen alle mit vorkonfektionierten Kabeln erfolgen, bietet dies eine hohe Zeitersparnis, zudem verhindert es Fehlerquellen. Die Kosteneinsparung durch den Einsatz von AS-i lässt sich nicht genau ermitteln. Ich denke jedoch wenn man alles betrachtet, also auch die Größe des Schaltschranks, Platzbedarf in der Anlage, dezentrale Anwendung und Flexibilität auch durch die Ergänzung des Safety-Systems von ifm, dazu die gute Dokumentenerstellung, liegt das Einsparpotenzial sicherlich bei 10 bis 15 Prozent, plus Arbeitszeiteinsparung bei der Montage, Dokumentation und Fehlersuche."

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