Der Anspruch, die Qualität in der Fertigung zu erhöhen, geht meist eng einher mit einem kostenbewussten Einsatz von Technologien und Ressourcen. Gleichzeitig müssen Prozess- und Produktionsabläufe reibungslos ineinandergreifen und zu jedem Zeitpunkt die Sicherheit für Mensch, Maschine und Material gewährleisten. Viele Automobilhersteller erkannten schon früh, dass die Einführung gleicher Standards für Qualität, Sicherheit, Prozess- und Produktionsabläufe sowie ein hoher Automatisierungsgrad eine flexible und effiziente Produktion sicherstellen. Entsprechende einheitliche Standards auch in der Vernetzungstechnik einzuführen, ist ein lang ersehnter Wunsch der meisten Hersteller, der durch die Standardisierung und Weiterentwicklung von Profinet für BMW Realität wurde. Seit Juni 2008 wird im Karosseriebau des BMW-Werkes in Dingolfing mit Profinet IO (PN IO) in der kompletten Schweißzelle die BMW-7er-Reihe gefertigt (Bild 1). Ein Bussystem für alle Anwendungen Die Herstellung eines Fahrzeugs ist in fünf Kernprozessschritte aufgeteilt: Presswerk, Karosseriebau, Lackiererei, Motoren- und Getriebefertigung sowie Endmontage. Im Karosseriebau werden die aus dem Presswerk kommenden geformten Blechteile zu einem fertigen \’Fahrzeugaufbau\‘ komplettiert, der aus etwa 3.000 Einzelteilen besteht. Die Produktion der Karosserie erfolgt im BMW-Werk Dingolfing nicht über eine einzige Fertigungsstraße, sondern über einzelne Fertigungsplätze, die Schweißroboterzellen. Im Fertigungsverlauf werden die Einzelteile von mehreren Industrierobotern bearbeitet und immer wieder zu größeren Einheiten zusammengefasst und weiterverarbeitet. Bis ein nahezu komplettes Fahrzeug entsteht, müssen fast alle Teile mehrere Schweißzellen durchlaufen. Die verschiedenen Bearbeitungsstationen sind über die \’verbindende Fördertechnik\‘ miteinander vernetzt (Bild 2). Die Grundanforderung bestand darin, für alle Anwendungen durchgängig ein Bussystem einzusetzen. Hierüber sollte die gesamte Kommunikation erfolgen, z.B. die Übermittlung der individuellen Auftragsdaten, der Sicherheits- und Steuerungssignale. Damit verbunden waren die Zielsetzungen, Schnittstellen möglichst zu vermeiden sowie Spezialwissen und -werkzeuge, z.B. Inbetriebnahme- und Engineering-Tools zu reduzieren. Eine weitere Anforderung an Profinet bestand darin, durch Echtzeitkommunikation einen Werkzeugwechsel innerhalb von 500ms zu erreichen. Dabei galt es, höchste Sicherheitsanforderungen einzuhalten. Die Analyse der Produktion über eine einzige Gesamtdarstellung sollte die Fertigung und Diagnose des gesamten Netzwerkes transparenter als bisher gestalten. Taktgenaue Zuführung der Teile im Fertigungsprozess Jedes Automobil, das im BMW-Werk Dingolfing vom Band rollt, ist ein nach Kundenwunsch gefertigtes Produkt. Mittels ISO-on-TCP-Kommunikation werden die einzelnen Kundenaufträge von dem übergeordneten Leitsystem auftragsbezogen an ein Auftragsverwaltungssystem gesendet, das die komplette Fertigung aussteuert. Mittels Ethernet-Kopplung der Steuerung einer jeden Bearbeitungsmaschine wird der Produktionsstatus für den jeweiligen Auftrag an das Leitsystem zurückgemeldet. Über das Bedienpult erhält der Werker die notwendige Übersicht für den weiteren Produktionsablauf und weiß somit jederzeit, wann welche Einheit zu fertigen ist. Die Zuführung der zu bearbeitenden Einzelteile an die Arbeitsplätze der Schweißzellen erfolgt zum Teil über den Werker, der die Teile manuell in die Maschine eingelegt. Da er mehrere Stationen versorgen muss, sind die Abstands- und Zeitdiagramme so ermittelt und optimiert, dass die erforderlichen Tätigkeiten in dem vorgegebenen Zeitraum erfüllt werden können. Um die Sicherheit für Mensch und Maschine zu gewährleisten, kann der Werkerplatz nur betreten werden, wenn die Maschine steht. Hierzu muss die Tür bzw. das Tor \’offen\‘, also entriegelt, sein. In diesem Fall wird der Roboter automatisch angehalten und gegen Wiederanlauf verriegelt (Bild 3). Der Fertigungsprozess muss nach dem Einlegen des erforderlichen Blechs nur noch mit \’Start\‘ erneut gestartet bzw. fortgesetzt werden. Unhandlichere Bleche führen Roboter direkt zu. Zudem stellen sie Kleinteile automatisch bereit. Das geschieht über kleine Puffer, aus denen der Roboter die vom Werker kommissionierten Bleche entnimmt. Identische Teile, die häufig benötigt werden, stehen bei dieser Art der Teile-Bevorratung somit aufwandreduziert zur Verfügung. Durch die automatisierte Bestückung über Roboter ist die Anlage zwar einerseits bis zu einem gewissen Grad vom Werkertakt entkoppelt, erfordert aufgrund der unterschiedlichen Geometrien der Schweißzellen jedoch viele mechanische Sonderlösungen und damit aufwändige Inbetriebsetzungen. Zu Beginn einer jeden automatischen Fertigungsabfolge prüft die Maschine die richtige Lage des jeweiligen Blechs. Die Fördertechnik zwischen den Bearbeitungseinheiten besteht aus Elektrohängebahnen (EHB), Rollenförderbändern und Aufzügen. Zwischen den Bearbeitungsschritten befinden sich Entkopplungs-Pufferbänder sowie Staurollenförderer. Aus wirtschaftlichen Gründen gibt es in der gesamten Fertigungsstraße kaum Zwischenpuffer. Die Lösung am Standort Dingolfing: Zahlen und Fakten Die Produktion läuft fünf Tage pro Woche im Drei-Schicht-Betrieb. Die Fertigungsstraßen werden nur zur Mittagspause angehalten. Rund 1.200 Roboter sind im Karosseriebau bei der Entstehung des BMW 7er sowie des BMW 5er beteiligt. Die Roboter werden überwiegend für das Punktschweißen, aber auch für andere Prozesse wie Kleben, Nieten usw. eingesetzt. Insgesamt müssen circa 14.500 Ethernet-Teilnehmer miteinander kommunizieren und ihre Daten austauschen. Früher wurden entsprechende Mengengerüste durch den Einsatz mehrerer Bussysteme bewerkstelligt. Erst durch Profinet IO ist dies mit einem einzigen Bussystem möglich. Das Herzstück einer jeden Fertigungszelle ist bei BMW in Dingolfing die sicherheitsgerichtete Steuerung Simatic S7-416F. Pro Anlagenbereich kommen zwischen zehn bis fünfzehn Steuerungen zum Einsatz. Das Bodenblech beispielsweise besteht aus einem eigenen Anlagenbereich, der von vier Steuerungen Simatic S7-416F-3PN/DP gesteuert wird. Jede davon kontrolliert ca. zehn Roboter, die kleine Bleche anschweißen und Bolzen für Kabelbäume oder Anbauteile setzen. In der Summe werden für die Fertigung der gesamten Karosserie jeder Modellreihe circa 60 bis 100 Steuerungen benötigt. Allein die Fertigung des äußeren Seitenrahmens für den BMW 7er, der aus 94 Bauteilen besteht, benötigt einen Platz von 1,267m². 46 Roboter mit 60 Schweißzangen und 52 \’Handlings\‘ setzen in einer Taktzeit von nur 2,1min 631 Schweißpunkte und kleben 2,3m² Material zusammen. Die sogenannten Handlings werden für alle \’Greifvorgänge\‘ benötigt, z.B. wenn es darum geht, ein Bauteil von einem Werkzeug in ein anderes zu legen. Bisher wurde für jede Baureihe eine eigene Fertigungsstraße aufgebaut, die für Nachfolgemodelle nicht weiterverwendet wurde. Effizienter ist die geplante Mehrfachnutzung von Anlagen, d.h. die Herstellung verschiedener Modellreihen in einer Fertigungszelle. Eine entsprechende Mischfertigung ist allerdings nur möglich, wenn die zu verarbeitenden Einzelteile sehr ähnlich sind. Das bedeutet im Vorfeld, eine detaillierte Betrachtung jedes Bauteils hinsichtlich der potenziellen Mischfertigung. Durchgehend einheitliche Anbindung der Schweißroboter Früher musste ein Roboter-Steuerschrank mit drei verschiedenen Installationstechniken und mit unterschiedlichen Inbetriebnahme-Werkzeugen projektiert bzw. programmiert werden. Es gab Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (Interbus), einen Bus für die sicherheitsgerichtete Peripherie (Safetybus) und bereits Ethernet für den Steuer-PC des Roboters. Eine Fehleranalyse wurde durch die unterschiedliche Darstellung der Fehlerbilder pro Bussystem erschwert. Mit dem echtzeitfähigen Profinet IO können alle Kommunikationsdienste, PCs, Steuerungen, IO-Module, Roboter usw. über ein standardisiertes Bussystem betrieben werden. Dadurch gibt es nur noch eine Ethernet-basierte Installationstechnik und entsprechend weniger Projektierungswerkzeuge, wie z.B. die Programmierumgebung Step7. Die Steuerzentrale des Roboters ist eine PC-basierte Lösung, wobei die eingesetzte Ethernet-Karte CP1616 mit integriertem Switch gleichzeitig als Profinet-IO-Controller und -IO-Device fungiert. Das bedeutet, der Roboter wird von dem übergeordnetem Profinet-IO-Controller als Profinet-IO-Device angesprochen, ist aber selbst Profinet-IO-Controller für seine eigene Peripherie. Mit Profinet konnte auch eine Reduzierung der Engineering-Werkzeuge erreicht werden. So ist es mit Step7 möglich, sicherheitsgerichtete Module zusammen mit Standard-Modulen zu projektieren, programmieren und diagnostizieren (Bild 4). Die Punkt-zu-Punkt-Verbindungen der Ethernet-\’Physik\‘ erleichtern auch die Fehlersuche, da sich die Fehlerquelle schneller eingrenzen lässt als bei Bus-basierten Systemen mit spezieller Diagnosehardware. Das vereinfacht auch die Netzwerkadministration. Profisafe erfüllt hohe Sicherheitsanforderungen Eine große Herausforderung stellte die umfangreiche Personen- und Maschinensicherheit dar, die heutige Normen fordern. In den Schweißzellen wird durchgängig Sicherheitskategorie 3 (SIL3) erreicht. Auf Basis der eingesetzten Elektrik wäre sogar die Kategorie 4 möglich, die aufgrund der im Einsatz befindlichen Pneumatik, Mechanik und Roboter aber nicht erreicht wird. Das eingesetzte Übertragungsprotokoll Profisafe ist nach IEC61508 zertifiziert und erfüllt mit SIL3 bzw. Kategorie 4 nach EN954-1 die höchsten Sicherheitsanforderungen der Fertigungsindustrie. Es ermöglicht ein flexibles Vorgehen durch den Einsatz der Stopp-Funktionen \’sicheres Abschalten\‘ (Not-Aus) und \’sicherer Halt\‘ (Not-Halt), bei dem die Anlage in einen gesicherten Zustand geht. Die Steuerungen Simatic S7-416F mit integrierten Sicherheitsfunktionen sind sowohl für die Steuerung der konventionellen Anlagenabläufe als auch für die Sicherheit in den Fertigungszellen verantwortlich. Bei der früheren Sicherheitstechnik mussten die Not-Aus-Schaltgeräte der Steuerungen noch über redundante Schütze oder eigene Sicherheits-SPS mit entsprechender Software gesteuert werden. Ein hoher Verdrahtungsaufwand und Platzbedarf war die Folge. Einheitliche Office-Anbindung und einfache Fehlerbehebung Jeder Bedienschrank hat eine Office-Netzwerkanbindung, die gleichzeitig die Grenze der Zuständigkeit zwischen übergeordneter IT und Automatisierung ist. Von der IT wird aus Sicherheitsgründen der Anlage ein eigenes Sub-Netz zugewiesen, mit dem die IP-Adressen selbsttätig verwaltet werden können. Dabei wird die Layer-3-Funktionalität mittels trennender Router realisiert. Durch diese strickte Netzwerk-Trennung werden weniger Office-Zugänge benötigt, was Kosten einspart. Auch im Fehlerfall sind die Zuständigkeiten klar definiert, sodass alle anlageninternen Fehler durch die Instandhaltung beseitigt werden können, ohne dass auf externe Spezialisten zugegriffen werden muss. Wegen der Anbindung aller Schweißzellen an das übergeordnete Leitsystem sowie wegen der Kommunikation zwischen diesen einzelnen Anlagen und dem übergeordneten \’Backbone\‘ ist eine Sicherung über Firewalls und Router unerlässlich. Sonst wären alle Ethernet-Teilnehmer des Automobilherstellers weltweit ungeschützt erreichbar. Innerhalb der Fertigungszellen kommen Switches Scalance X-200 zum Einsatz, da diese voll in Profinet integriert sind. So benötigt der Anwender keine weiteren Programme bzw. Programmierhilfen zur Parametrierung und Diagnose der Infrastruktur. Im Fehlerfall (z.B. bei Kabelbruch) kann automatisch eine Meldung an das Leitsystem oder auch über Standardwege an das überlagerte System im Office-Netzwerk gesendet werden. Das kann über SNMP-Traps realisiert werden, also ein Telegramm für ein Netzwerk-Management-System mittels Simple Network Management Protokoll. Bei einem Kabelbruch kann über die sogenannte \’topologische Sicht\‘ in Step7 oder im Web-Interface der CPU die Bruchstelle grob ermittelt und über eine im Switch integrierte Laufzeitmessung die Lage der Bruchstelle lokalisiert werden. Um auch in Echtzeit Daten zwischen den Automatisierungszellen auszutauschen, sind diese untereinander mittels PN/PN-Kopplern verbunden, sodass z.B. Not-Aus-Funktionen auch in Nachbarzellen greifen. Durch die einfachere und damit schnellere Inbetriebnahme der neuen Kommunikationstechnik im Vergleich zur bisher eingesetzten ergaben sich bereits in der Planung wirtschaftliche Vorteile. Eine höhere Verfügbarkeit der Anlage wird dadurch erreicht, dass im Störfall Fehler schneller lokalisiert und behoben werden. Eine Lösung mit Profinet in der Schweißzelle wurde, neben dem Standort Dingolfing, auch bereits in Regensburg und München realisiert.
PROFIBUS Nutzerorganisation
