Die Entwicklung und Markteinführung neuer Produkte erfordert immer ein gewisses Maß praktischer Erprobung, um neue Eigenschaften zu optimieren, zu verifizieren und den Fortschritt letztlich auch zu dokumentieren. Insbesondere dann, wenn es um anspruchsvolle Komponenten für Automobile geht, wie die Kupplungs- und Getriebesysteme der LuK GmbH & Co. oHG aus Bühl in Baden. Jedes vierte neue Auto weltweit rollt mit einer LuK-Kupplung vom Band. Bei der innovativen Doppelkupplung gelangt das Motormoment ohne Zugkraftunterbrechung auf den Antriebsstrang und sorgt damit für hohen Fahrkomfort. LuK, eines von drei Kernunternehmen der Schaeffler Gruppe im Bereich Automotive, betreibt schon im Entwicklungsstadium hohen technischen Aufwand, um seine Produkte kontinuierlich zu verbessern. Unabdingbar dabei sind unterschiedlichste Prüfanlagen zur Simulation von Berganfahr-, Dauerlauf- und Thermoschockprüfungen sowie weitere Tests nach Kundenspezifikation. Über dreihundert Prüfanlagen sind derzeit weltweit im Einsatz, darunter ein gutes Dutzend großer so genannter Verspannprüfanlagen allein in Bühl. Jüngster und mit einer installierten Motorenleistung von 2mal 800kW bislang größter Vertreter dieser Bauart ist eine Prüfanlage für experimentelle Untersuchungen an Einfach- und Doppelkupplungssystemen. Wobei nicht nur die Größe, sondern auch der automatisierungstechnische Ansatz bemerkenswert ist: Seit über drei Jahren setzen die Automobilzulieferer auf Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) basierende Sicherheitstechnik von Siemens ein. Durch den dezentralen Aufbau lässt sich die Sicherheitstechnik kosteneffizient in die modular aufgebauten Prüfanlagen integrieren. Modularität macht flexibel Weil das Produktspektrum im Konzern groß ist und nicht für jede Variante ein eigenes Prüfkonzept entwickelt werden kann, verfolgt man bei Schaeffler schon seit Längerem einen modularen Ansatz. Zum einen mit einfach in die Prüfanlage integrierbaren Prüfeinheiten mit der gesamten erforderlichen Sensorik, so dass ohne langwierige Umbauten verschiedene Produktvarianten geprüft werden können. Darüber hinaus sind die Prüfanlagen selbst aus verschiedenen Funktionsmodulen wie Hydraulik-, Pneumatik-, Temperier- oder Kühleinheiten aufgebaut, die sich nach Bedarf einfach hinzufügen oder entfernen lassen. Konsequent modular und dadurch ebenfalls hoch flexibel ist die Automatisierungstechnik der Prüfanlagen selbst. Die benötigten Funktionalitäten werden in einzelnen Schaltschränken den Funktionsmodulen zusammengefasst. So gibt es beispielsweise Module für die AC- und DC-Verteilung, die Bedienung und die Gebäudeinfrastruktur. Weitere Elemente des Baukastens sind ein in sich modulares Antriebssystem von Siemens (hier große Chassis-Geräte der Reihe Sinamics S120), Haupt- und Hilfsmotoren sowie ein meist außerhalb der Prüfkammer stationiertes Bedienpult mit Not-Aus-Funktionalität und Webcam. Die Signale all dieser verteilt installierten Module laufen zusammen auf einer zentralen SPS-Steuerung Simatic S7-300F von Siemens bzw. dem damit gekoppelten Messrechner, Letzterer mit ebenfalls nach Bedarf steckbaren digitalen und analogen Messbaugruppen. Auf dem Messrechner läuft das von der Schaeffler Gruppe selbstentwickelte, vollautomatisch arbeitende Automatisierungssystem SARA (Schaeffler Automatisierung für R&D-Anwendungen), das auch anspruchsvolle Massenträgheitssimulationen ermöglicht und sämtliche Messergebnisse (z. B. Temperaturen, Drehzahlen, Drehmomente etc.) archiviert. Die einzelnen Funktionsmodule sind untereinander mit Hybridfeldbuskabel (Ecofast) verbunden, die neben den Profibussignalen auch die Versorgungsspannung (24V) übertragen. Die Ecofast-Wanddurchführungen erlauben eine schnelle Verknüpfung der einzelnen Funktionsmodule untereinander in der Schutzart IP65. LuK verteilt die Kommunikation in der Regel auf zwei Busstränge und nutzt die höhere Übertragungsrate von 12Mbit/s bevorzugt für den Datenaustausch mit dem Antriebssystem Sinamics S120. Die Einbindung ins Intranet bzw. Internet ist einfach und kostengünstig über einen Simatic-Kommunikationsprozessor des Typs CP343-1 Lean im zentralen SPS-Verband realisiert. Auf diesem Weg erhält man neben dem Zugriff auf die Steuerungssoftware auch die Möglichkeit, Mess- und Anlagendaten über einen Internetbrowser zu visualisieren. Ein Steuerungssystem für alles An der neuen Verspannprüfanlage hat LuK erstmals ein verteiltes, SPS-basiertes Sicherheitskonzept realisiert. Zentrales Herzstück ist ein Simatic-F-Controller, der sowohl den Prüfablauf als auch alle sicherheitsgerichteten Aufgaben steuern kann. In diesem Fall hat sich die Elektrokonstruktion aber bewusst für eine Aufgabenteilung und die dezentrale Vorverarbeitung bestimmter sicherheitsgerichteter Signale entschieden. Basierend auf einem Interfacemodul mit integrierter fehlersicherer CPU aus dem Peripheriesystem Simatic ET200S von Siemens wurde ein weiteres, kostengünstiges Modul geschaffen, das einfachere Prüfanlagen auch eigenständig sicher steuern kann. Hier überwacht und verarbeitet die dezentral installierte F-CPU im Interfacemodul Standard- und sichere Signale der Gebäudeinfrastruktur. So werden beispielsweise Signale zur externen Brandmeldeanlage, zur Lüftungsanlage und zur Kühlwasseranlage ausgetauscht. Innerhalb der Prüfkammer kommuniziert sie sicher mit der zentralen, fehlersicheren Hauptsteuerung über das Profibusprotokoll mit integriertem Profisafeprofil. Je nach Priorität eines von intern oder extern ausgelösten Vor- oder Hauptalarmes leitet die Anlage entsprechende Maßnahmen ein, um einen sicheren Zustand zu erreichen. Ursache für einen Voralarm kann z.B. die (bei harter Beanspruchung einer Kupplung nicht ungewöhnliche) Rauchentwicklung in der Prüfkammer während eines Kupplungstests sein, worauf die Prüfanlage kontrolliert stillgesetzt wird. Dagegen löst ein echter Brandfall einen Hauptalarm aus und bewirkt den sofortigen Stopp aller drehenden Teile und das Spannungsfreischalten, wobei die Sicherheit für Mensch und Maschine Vorrang hat und auch eine Zerstörung von Prüfling und Prüfeinheit in Kauf genommen wird. Ständig überwacht werden außerdem der Zugang zur Prüfkammer, sämtliche Not-Aus-Einrichtungen sowie das Vorhandensein und die richtige Zuhaltung der Wellenschutzkäfige vor und während des Prüflaufes. \“Die Zeit war reif für SPS-basierte Sicherheitstechnik und der integrierte Ansatz von Siemens erschien leistungsfähig genug für unsere Zwecke\“, sagt Ralf Jörger von der Elektrokonstruktion Prüfanlagen bei LuK in Bühl. \“So konnten wir den erheblich aufwändigeren Weg der separaten Festverdrahtung sicherheitsrelevanter Anlagenteile verlassen.\“ Das System hat sich in kürzester Zeit in jeder Hinsicht als flexibler und damit letztlich auch wirtschaftlicher als konventionelle Sicherheitstechnik erwiesen. Wobei sich für die Programmierer wenig geändert hat. Nicht fehlersichere Anlagenteile werden nach wie vor mit den bekannten Werkzeugen unter der Programmiersoftware Step7 programmiert. Die Funktionen und Bausteine zur Erstellung der sicherheitsgerichteten Programmteile sind im Optionspaket Simatic S7 Distributed Safety zur \’F-Bibliothek\‘ zusammengefasst. Eingebunden in Step7 können damit auch die Sicherheitsfunktionen in den Programmiersprachen F-FUP oder F-KOP wie gewohnt verschaltet werden. Die anlagenübergreifend einheitliche Darstellung erleichtert neben der Projektierung und Programmierung auch die Abnahme. \“Mit SPS-basierter Sicherheitstechnik lassen sich praktisch beliebige Teilnehmer sehr flexibel zu Sicherheitszonen gruppieren und ohne großen Aufwand jederzeit umgruppieren, auch ein Kaskadieren sicherheitsgerichteter Funktionen ist vergleichsweise einfach möglich\“, so LuK-Programmierer Stefan Habich. Zuvor sei dies undenkbar bzw. ein extrem aufwändiges Vorhaben gewesen, jetzt könne man all das per Software machen, schneller, transparenter und effizienter denn je. Die einmalige Abnahme des fehlersicheren Gesamtsystems durch die Zulassungsstellen deckt dabei alle späteren Variationsmöglichkeiten ab, so dass die letztlich realisierte Prüfanlage immer die Sicherheitsanforderungen (Kat. 4 nach EN954-1, zukünftig SIL 3 nach EN62061) erfüllt. Auch das ein Stück Flexibilität, das die mitunter täglichen Produktwechsel unterstützt und erleichtert. \“Außerdem müssen wir auch nicht jedes Mal von vorne mit der Elektrokonstruktion bzw. dem Engineering anfangen, weil sich einmal entwickelte Module bzw. Programmstrukturen schnell und einfach auf andere Anlagen übertragen lassen\“, betont Thomas Pfund, Leiter Entwicklungswerkzeuge für die gesamte Schaeffler Gruppe (LuK, INA, FAG). \“Wir können Einheiten vorproduzieren, vorab testen und somit neue Prüfanlagen einschließlich Sicherheitstechnik in kürzerer Zeit umsetzen.\“ Hinzu kommt die um ein Vielfaches effizientere Diagnose, die schon bei der Erstinbetriebnahme greift und die Fehlersuche in jeder Betriebsphase deutlich verkürzt. Früher musste im Fehlerfall immer erst die gesamte Sicherheitskette durchsucht, schlimmstenfalls alles durchgemessen werden, um den Auslöser bzw. Fehler zu ermitteln. Heute kann man von jedem autorisierten PC im Werksnetz auf jede Prüfanlage zugreifen und den Auslöser mit wenigen Mausklicks exakt lokalisieren und somit Ausfallzeiten minimieren. \“Bei Bedarf auch über das Internet, so dass wir die von uns gebauten, weltweit aufgestellten Prüfstände auch von hier aus einsehen, diagnostizieren und die Kollegen vor Ort unterstützen können\“, so Thomas Pfund. Modular bis in die Motorstarter Eine Kernkomponente des modularen Sicherheitskonzepts ist der \’High Feature\‘-Motorstarter Simatic ET200S Failsafe von Siemens. Die standardisierten AC-Verteilerschränke von LuK sind für maximal sechs dieser Motorstarter vorbereitet. Die Fehlersicherheit realisiert eine zusätzliche Auswerteelektronik im Starter, die beim Versagen des schaltenden Schützes den Leistungsschalter im Motorstarter über einen Spannungsauslöser sicherheitsgerichtet abschaltet. Die Kommunikation zur Hauptsteuerung erfolgt über ein ET200S-Interfacemodul via Profibus und das Profisafeprofil. Getestet und für gut befunden
Siemens AG
