Schon die Größe und technischen Rahmendaten beeindrucken: Die Heavyspeed 2 ist ein Tragbalken-Bohr- und Fräswerk für mittlere bis sehr große Werkstücke im Maschinen- und Anlagenbau. Der vertikale Bearbeitungsständer mit dem über eine Kugelrollspindel frei beweglichen Spindelkasten misst 4m in der Höhe. Das gesamte Segment inklusive mitfahrender Bedienbühne ist am Boden über eine Führungsbahn je nach Aufgabe um bis zu 15m bewegbar. Der dem Maschinenständer mit dem Spindelkasten gegenüber liegende Bearbeitungstisch ist, parallel zur Vorschubrichtung der Bohrspindel, ebenfalls horizontal verschieb- und zusätzlich um seine Vertikalachse drehbar. Mit einer Aufspannfläche von maximal 6,5x8m bietet er Schwergewichten mit bis zu 250t Platz. Die gesamte Maschine bringt es auf ein Gesamtgewicht von ca. 200t. \“Ist das Werkstück erst einmal auf dem Tisch gespannt, erledigt das Bearbeitungszentrum im vollautomatischen Ablauf des NC-Programmes für die jeweilige Bearbeitung mehrere Bohr-, Dreh- oder Fräsaufgaben innerhalb des Arbeitsraumes der Maschine, ohne dass die schweren und großvolumigen Bauteile neu aufgespannt werden müssen\“, erläutert Christian Nientimp, Funktionsleiter Elektro-Hardware bei Dörries Scharmann Technologie GmbH (DST). Maschinen von DST kommen u.a. im Schiffs-, Flugzeug- und Turbinenbau zum Einsatz. Hohe Steifigkeit der Heavyspeed Durch die hydrostatische Lagerung der Linearachsen erreicht die Heavyspeed auch bei wechselnder dynamischer Beanspruchung, hohen Auskragungen und Drehmomenten bis zu 20.000Nm Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Genauigkeit. Zentrales Element der Bearbeitungseinheit ist ein in Richtung Werkstück ausfahrbarer Spindelkasten mit Tragbalkenausschub. Zusätzliche Dreh- und Neigeachsen der Bearbeitungseinheit, realisiert durch einwechselbare Zusatzaggregate wie z.B. einen Zwei-Achs-NC-Kopf, ermöglichen in Kombination mit der Beweglichkeit des Arbeitstisches ein breites Bearbeitungsspektrum mit fast uneingeschränkter Zugänglichkeit. Mit unterschiedlichen Applikationen und Werkzeugen lassen sich große Maschinenteile ebenso bearbeiten wie Ventile für die Öl- und Gasindustrie. Die Bedienbühne mit Ausschub ermöglicht optimale Sicht auf den Bearbeitungsprozess und einen guten Zugang zum Werkzeug. Auf der linken Seite des Bearbeitungsständers führt der Ständer der Heavyspeed einen Kettenmagazin-Werkzeugwechsler mit bis zu 80 Plätzen mit. Neues Konzept mit IO-Link Im Zuge der Umstellung des Elektro- und Steuerungskonzepts stand bei der Heavyspeed-Reihe auch eine Optimierung des Installationskonzeptes an. Christian Nientimp suchte nach einer Lösung, die nachweislich mehr Nutzen über den gesamten Lebenszyklus der Anlage hinweg entfalten sollte – und stieß auf IO-Link. IO-Link steht im Maschinen- und Anlagenbau für schlankere, Zeit und Kosten sparende Konzepte – mit Vereinfachungen der Installation, Parametrierung und Diagnose. Vielfach müssen auch heute noch Signale von Sensoren und Aktoren umständliche Wege durch mehradrige, geschirmte sowie ungeschirmte Kabel, Reihenklemmen, Steckverbinder, Anschaltbaugruppen, Gateways und IO-Baugruppen zur Steuerung zurücklegen. IO-Link beseitigt diesen Kommunikationsengpass. Die digitale Kommunikationsschnittstelle macht die Verbindung durchlässig, sie gestaltet den Daten- und Signalaustausch einfach und transparent. Im Kern genügt ein gewöhnliches ungeschirmtes dreiadriges Standardkabel, das den IO-Link-fähigen Aktor oder Sensor per Stecker mit einem IO-Link-Master verbindet. Selbst gewöhnliche schaltende Sensoren lassen sich über spezielle Sensorhubs in IO-Link-Konzepte integrieren und profitieren dann ebenfalls von den Vorteilen des IO-Link-Kommunikationsstandards. Geschirmte oder ungeschirmte Sonderkabel entfallen, neben dem IO-Link-Master bedarf es keiner weiteren Anschaltbox mehr. Skepsis zu Beginn \“Zu Beginn war die Skepsis im Unternehmen groß, IO-Link wurde dabei auch als eine Art neues Bussystem missverstanden\“, erinnert sich Christian Nientimp. Erfahrungen oder gar Referenzprojekte gab es zum damaligen Zeitpunkt kaum, zahlreiche Argumente sprachen dennoch für einen Einsatz der neuen Kommunikationsschnittstelle: Wenn Signale ihren Weg anstatt über lange, teure und insbesondere bei der Übertragung analoger Signale gegen EMV-Störungen anfällige 24-polige Kabel alternativ über eine dreiadrige Standardleitung nehmen können, wenn an die Stelle aufwendiger Verdrahtung einfaches Stecken tritt, wenn Klemmleisten und die allgegenwärtigen Probleme mit dem Schirm der Vergangenheit angehören, lassen sich Zeit- und Kostenvorteile im Rahmen der Installation überzeugend darstellen, sagte sich Nientimp. Einsatz in der Heavyspeed-Maschine In der Heavyspeed-Maschine von DST versehen IO-Link-Master von Balluff ihren Dienst. Mit diesen stehen per Dreidrahtleitung IO-Link-Drucksensoren in Verbindung, die für die Überwachung der Zentralschmierung und des Hydrostatikdruckes der Achsen verantwortlich zeichnen. Über ebenfalls direkt an den IO-Link-Master angeschlossene Sensorhubs sind die zahlreichen einfach schaltenden Sensoren und Aktoren der Anlage in die IO-Link-Topologie integriert. Derartige Sensor-/Aktorhubs kommen beispielsweise am Werkzeugmagazin der Heavyspeed zum Einsatz: Pro Hub, die über ihre eigene Spannungsversorgung verfügen, sind sieben Sensoren und sieben Ventile angeschlossen. Sämtliche Signale werden über die dreiadrige Standardleitung zum rund 20m entfernten Steckplatz des IO-Link-Masters an einem Hydrostatikaggregat übertragen und stehen damit der Steuerungsebene über Profibus DP zur Verfügung. \“An den nur per simpler Drei- bzw. Fünfdrahtleitung angebundenen Ventilinseln mit ihren bis zu 16 Ein- und/oder Ausgängen lassen sich die Vorzüge von IO-Link bezüglich der Installation am eindrucksvollsten darstellen\“, berichtet Christian Nientimp. Potenziale noch nicht ausreizt Darüber hinaus ist IO-Link verantwortlich dafür, dass im ohnehin beengten und auf der Bühne mitfahrenden Schaltschrank zusätzlicher Platz frei geworden ist: Wurde ein großer Teil der peripheren Sensorik und Aktorik zuvor über Busmodule der Schutzart IP20 eingesammelt, sind diese nun über die einfachere Installation via IO-Link Master in der Schutzart IP67 in Verbindung mit Sensor-Aktorhubs direkt und ohne zusätzliche Trennstelle angebunden. IO-Link reduziert die Anzahl Profibus-/Profinet-Knoten und macht Profibus-Slaves überflüssig. Darüber hinaus sind Sensor- und Aktorhubs preisgünstiger als die zuvor verwendeten Geräte mit integrierter Profibus-Anschaltung. Die Installationskosten sinken, die Kosten für den teureren IO-Link Master amortisieren sich mit Blick auf die Gesamtanlage und die zu installierende Topologie rasch. Und die Potenziale sind noch nicht ausgereizt: \“Die Installation analoger Sensoren ohne IO-Link-Schnittstelle via Sensor-Aktorhubs sehen wir als Übergangslösung. In Zukunft steht hoffentlich ein deutlich breiteres Spektrum kostengünstiger IO-Link fähiger Aktoren und Sensoren zur Verfügung, die dann direkt auf den IO-Link-Master gesteckt werden\“, sagt Christian Nientimp. Wenngleich die Installationsvorteile überzeugen, sprechen für Nientimp noch weitere Gründe für IO-Link. Bisher wurde an der Maschine installierte analoge Sensorik und Aktorik über lange geschirmte Leitungen auf Busbaugruppen im Schaltschrank verdrahtet. Durch die notwendige Verlegung der Leitungen durch Kabelschlepps und der damit verbundenen mechanischen Beanspruchung der Leitungen durch die hohe Dynamik der Maschinen konnte nicht immer eine dauerhafte fehlerfreie Funktion des Schirmes gewährleistet werden. So kam es in der Vergangenheit bei Maschinen von DST gelegentlich zu Bitverfälschungen aufgrund von elektromagnetischen Störungen. Das gehört nun der Vergangenheit an: Mit IO-Link profitieren die Anwender von einer deutlich höheren Störfestigkeit des Signals. Parametrierung und Diagnose Die Themen Parametrierung und Diagnose genießen bei DST einen hohen Stellenwert. Zwar sind in den Maschinen und Anlagen des Unternehmens schon seit Längerem parametrierbare Sensoren im Einsatz, zentral ließen sich diese aber nicht einstellen. Insbesondere die für die Überwachung der Zentralschmierung und des Hydrostatikdruckes der Achsen zuständigen Drucksensoren befinden sich konstruktionsbedingt an schwer zugänglichen Stellen unterhalb einer Teleskopabdeckung. Dementsprechend aufwendig war es stets, dort hinzuklettern und vor Ort entsprechende Einstellungen vorzunehmen. So konnte der Inbetriebnehmer bisher nur über eine direkte Verbindung zum jeweiligen Programmiergerät auf einen parametrierbaren Sensor zugreifen und eventuelle Änderungen an der Parametrierung vornehmen. Reserven für IO-Kanäle vorhanden Hilfreich ist die erhöhte Flexibilität von IO-Link auch bei der Multifunktionalität der IO-Link-Ports bezüglich vorzuhaltender Reserve-E/A-Kanäle. Die Schwierigkeit besteht darin, dass man nie im Voraus weiß, wie viele und von welchem Typ an weiteren E/A-Kanälen später benötigt werden. Oft läuft es darauf hinaus, dass man von dem benötigten Typ zu wenige, von einem anderen Typ dafür ungenutzte hat. Oder man muss wegen eines einzigen zusätzlich benötigten Kanals wegen der minimal verfügbaren Granularität gleich 4, 8 oder 16 Kanäle nachrüsten. Ein an einem Vier-Kanal-Master noch nicht genutzter IO-Link-Port eröffnet dem Anwender Flexibilität hinsichtlich zukünftiger Erweiterungen. Erst zum Zeitpunkt des Bedarfs muss entschieden werden, was angeschlossen werden soll, ein messender Sensor, ein RFID-Lesekopf, eine zusätzliche Ventilinsel oder ein Sensor/Aktorhub für zusätzliche digitale E/As. Ziel: Zentrale Sensorik und Aktorik DST hat ein klares Ziel vor Augen: Ist die Installationsphase abgeschlossen, soll die gesamte Aktorik und Sensorik der Maschine zentral und softwarebasiert mithilfe von Daten- und Funktionsbausteinen parametrierbar sein. Ganz gleichgültig, wo sich die einzelnen Devices befinden. Aber auch die schnelle zentrale Parametrierung der gesamten Maschine nach Abschluss der Installation über das IO-Link Device Tool wird bereits genutzt. Damit verkürzen Hersteller nicht nur das eigentliche Ramp-Up, sondern die gesamte Time-to-Market-Phase. Und schneller am Markt zu sein, ist heute schließlich ein wesentliches Verkaufskriterium. Der Benutzer profitiert, weil er jetzt die erforderlichen Parameterdaten zentral setzen und vergleichsweise schnell und einfach an neue Produktionslinien anpassen kann. Weitere Möglichkeiten eröffnet IO-Link bei der Diagnose. Weil die Maschinen von DST weltweit im Einsatz sind, genießen zuverlässige Fernwartungskonzepte hohe Priorität. Der Vorteil: IO-Link und die entsprechenden IO-Link-Sensoren und -Aktoren machen den Blick auf die Prozessebene frei. Der Service-Mitarbeiter erkennt im Falle einer Störung im Detail, was dem Sensor oder Aktor fehlt respektive welches Bit gesetzt ist. \“Vielleicht ist ja nur der Sensor verschmutzt und das entsprechende Meldebit gesetzt, in jedem Fall erhält der Maschinenbediener eine klare Diagnose und konkrete Tipps, wie er rasch Abhilfe schaffen kann\“, erläutert Christian Nientimp. Das spart letztlich Zeit und Geld. Künftig mehr IO-Link einsetzen Die Dörries Scharmann Technologie GmbH sieht die Integration von IO-Link als Schritt in die richtige Richtung. Beginnend mit der Anlagenkonzeption und Konstruktion über die Installation bis zur langjährigen Produktionsphase lassen sich entlang des gesamten Lebenszyklus der Maschine Mehrwert-Effekte für alle Beteiligten nachweisen. Kein Wunder also, dass man im Unternehmen diesen Weg weiter beschreiten und künftig noch mehr auf IO-Link setzen will. Denn im Grunde ist man noch am Anfang: Nicht nur bei DST kann man sich ein weit breiteres Sortiment an IO-Link tauglichen Aktoren und Sensoren vorstellen, die sich, ohne Umweg über Sensorhubs, direkt auf den IO-Link-Master stecken lassen. Darüber hinaus gibt es durchaus noch ein paar Dinge, die sich verbessern ließen: Wenn es gelänge, dass sich die IO-Link-Hersteller bei IO-Link-Mastern auf einheitliche standardisierte Device Tools einigen könnten, wäre das ein weiterer Schritt in Richtung Handling-Vereinfachung und Akzeptanz. Wenn man sich dann innerhalb des IO-Link-Konsortiums noch darauf verständigen könnte, auf welchen – einheitlichen – Positionen die einzelnen Prozessdaten eines Devices stehen sollen, wäre das mit Sicherheit ein weiterer Schritt in Richtung Transparenz und Durchbruch eines Kommunikationsstandards. Hier ist das IO-Link-Konsortium bereits tätig und hat einen Arbeitskreis gegründet, der sich mit der geforderten Vereinheitlichung in dem sogenannten \’Smart Sensor Profil\‘ beschäftigt. \“Letztlich ist für uns entscheidend, dass wir den mit IO-Link inside erzielbaren Nutzen und Mehrwert unseren Kunden auch begreiflich machen können. Aber da sind wir auf einem guten Weg\“, fasst Christian Nientimp zusammen.
Balluff GmbH
