Ob Abfallindustrie oder Zerspanungstechnik, ob Automobilproduktion oder Zementherstellung: Neben der detaillierten Planung der einzelnen Produktionsschritte stehen Maschinen- und Anlagenbauer irgendwann vor der Wahl des geeigneten Automatisierungssystems. Die Antwort auf diese Frage bestimmt nicht zuletzt über eine schaltschrankgebundene oder eine schaltschranklose Lösung. In vielen Fällen fällt diese Entscheidung leicht: Kaum jemand würde beispielsweise mit einem IP20-System eine Abraumförderanlage ausstatten oder einen Handling-Automaten in IP67 automatisieren. Dazwischen erlauben jedoch viele Anwendungen großen Spielraum, der aus Gewohnheit oder Unkenntnis bislang viel zu wenig genutzt wird.

Weil die Parametriertiefe der Speedway-Module deutlich größer ist als bei IP20-Systemen, lassen sich mit wenigen Grundmodulen vielfältige Funktionen abdecken. Das reduziert die Modul- und Typenvielfalt sowie die Beschaffungs- und Lageraufwendungen.

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Und dennoch: In der Regel automatisieren Maschinen- und Anlagenbauer ihre Produkte in IP20. Die Entscheidung zugunsten eines schaltschrankbasierten Automatisierungssystems fällt dabei häufig aufgrund der geforderten Leistungskriterien – etwa schnelle Reaktionszeiten, generelle Feldbus-Unabhängigkeit, verfügbare Funktionalitäten wie I/O-Modulvarianz, User-Parametrierung inklusive Datensicherung, System-Update-Fähigkeit oder die anwenderbezogene Programmierbarkeit. Oft sind die Gründe jedoch viel banaler – aus Gewohnheit zum Beispiel: Man macht das eben so, weil es bisher immer so gemacht wurde. Oder aus Zeitmangel, sich mit Neuem zu beschäftigen. Wenn die Auftragsbücher voll oder in einem Projekt die Meilensteine eng gesteckt sind, setzen die Verantwortlichen eben auf Altbewährtes. Nicht zuletzt sind die vermeintlich höheren Anschaffungskosten, völlige Unwissenheit oder fehlendes Know-how mit schaltschranklosen Systemen ursächlich für den stiefmütterlichen Gebrauch der IP67-Technologie.

Der Blick über den „Schaltschrank-Rand“

Spätestens dann, wenn Arbeitsmaschinen im Außeneinsatz bei zweistelligen Minusgraden zum Einsatz kommen sollen, wenn Pressen- und Bohranlagen dauerhaften Vibrationen und harten Stößen widerstehen müssen, oder wenn – wie in Produktionshallen meist der Fall – Schmutz, Staub und Wasser dominieren und sich ein zentraler Schaltschrank nicht anbietet, muss man sich zwangsläufig näher mit IP67-Systemen beschäftigen.

Der Blick über den „Schaltschrank-Rand“ kann sich aber durchaus schon früher lohnen. Denn bei allem Prestige weist die IP20-Automatisierung einige Schwachstellen auf, die bei der Planung durchaus Anlass zum Nachdenken geben können. Hierzu zählen etwa die höhere Leistungs- und Wärme-Empfindlichkeit der im Schaltschrank oder Gehäuse eingesetzten Komponenten. Ebenso die Frage, ob der maximale Temperaturbereich dauerhaft erreicht und das System dadurch gestresst wird. Ist möglicherweise eine zusätzliche Kühlung zu berücksichtigen? Müssen defekte Sensoren, Aktoren oder Kabel schnell und problemlos ausgetauscht werden können? All das kann zu höheren Kosten von Anlagen und Maschinen sowohl auf der Hersteller- als auch auf der Betreiberseite führen.

Wer sein Automatisierungskonzept objektiv vergleicht, wird feststellen, dass moderne IP67-Systeme inzwischen einen nahezu identischen Leistungs- und Funktionsumfang haben wie IP20-Lösungen. Hinzu kommen Einsparpotenziale durch kleinere Schaltschränke, durch den Wegfall von Gehäusen sowie durch geringere Planungs- und Verdrahtungsaufwände. Darüber hinaus lässt sich der Kostenanteil für den Service deutlich verringern. Als Verkaufsargument für den Maschinen- und Anlagenbauer ist dies nicht zu unterschätzen. Zwar gehen Käufer und Lieferanten gemeinhin davon aus, dass Anlagen und Maschinen ewig halten – im Fehlerfall muss die Produktionsfähigkeit allerdings umgehend wieder hergestellt werden.

Die Vorteile bei der Inbetriebnahme

Das modulare Design von Speedway ermöglicht den Anschluss von 64 I/O-Modulen mit Abständen bis zu 50 m zwischen zwei Modulen und einer maximalen Gesamtausdehnung bis 500 m pro Station.

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Auch in klassischen IP20-Umgebungen können IP67-Systeme wie zum Beispiel Speedway 767 von Wago applikationsabhängig die bessere Alternative sein. Ein Grund dafür ist unter anderem das modulare Design von Speedway, das neben der damit verbundenen Skalier- und Erweiterbarkeit sowie der großen Ausdehnungsmöglichkeit dem Anwender einen wesentlichen Vorteil bietet: Kompakt und direkt am Prozess montiert, können Anlagen so zunächst mit wenig Aufwand im Werk aufgebaut, getestet und abgenommen, anschließend abgebaut, verschickt und daraufhin endgültig beim Kunden errichtet sowie in Betrieb genommen werden. Bei schaltschrankgebundener Automatisierung ist dies in der Regel weitaus anspruchsvoller; auch deshalb, weil in IP20 keine standardisierte M8-/M12-Anschlusstechnik zum Einsatz kommt.

Die gesteigerte Automatisierungstiefe von Maschinen und Anlagen sowie der Trend zu schnellen Feldbus-Protokollen tragen moderne IP67-I/O-Systeme mit kurzen Reaktionszeiten (<1ms), hoher Synchronität beziehungsweise geringem Jitter/Skew (<1µs) und vernachlässigbarer Latenz Rechnung. Die objektorientierte Programmierbarkeit gemäß IEC 61131-3 (Codesys 3) ermöglicht die integrierte Signalvorverarbeitung sowie die direkte Querkommunikation von Speedway-Steuerungen. Weil die Parametriertiefe deutlich größer ist, können mit wenigen Grundmodulen – zum Beispiel kanalweise parametrierbare Spannung/Strom-I/O-Module – vielfältige Funktionalitäten abgedeckt werden. Das reduziert den notwendigen Komponentenumfang. Nebenbei sorgt ein integriertes „Parameter Handling“ dafür, dass im Falle eines Modul-Tausches Einstellungen nicht verloren gehen.

IP67 in der Praxis

Der Einsatz von Speedway in klassischen IP20-Umgebungen ist nicht nur in der Theorie sinnvoll, sondern längst auch gelebte Praxis. Zum Beispiel in Metallbearbeitungszentren, wo üblicherweise in Gehäusen verbaute IP20-Systeme zum Einsatz kommen. Überall dort, wo der Platz dafür nicht ausreicht, weil Endprodukte kleiner ausfallen und die Bearbeitungszentren dadurch kompakt aufgebaut sind, muss direkt vor Ort montierbare Intelligenz das Drehen, Fräsen und Bohren übernehmen – und zwar ergänzend oder sogar unabhängig von einer übergeordneten zentralen Steuerung.

In solchen Fällen bieten sich dezentrale und autark arbeitende IP67-Systeme an. Sie werden in unmittelbarer Nähe zum Prozess montiert und erhöhen gleichzeitig die Anlagenverfügbarkeit, indem im Störungsfall Teilprozesse aufrechterhalten und Anlagenbereiche kontrolliert heruntergefahren werden können. Weil sich dadurch das Signalvolumen zum Leitsystem reduziert, werden der Feldbus und die übergeordnete Steuerung spürbar entlastet. Die freien Feldbus-Kapazitäten können dann durch höhere Buszyklen ersetzt und damit die Produktivität einer Anlage gesteigert werden.

Anderes Beispiel: Kuvertieranlagen, in denen stets unterschiedliche Kombinationen aus Anschreiben und Beilage-Materialien einem Umschlag zugeführt und versandfertig gemacht werden sollen. Hier spielt die Flexibilität eine entscheidende Rolle. Mit anderen Worten: die Fähigkeit der Anlage in puncto einer ebenso schnellen wie bedienerfreundliche Umrüstung auf anwenderspezifische Zusammenstellungen.

IP67-I/O-Systeme finden hier bevorzugt Verwendung, weil sie vom Grundaufbau her einen dezentralen Aufbau haben, mit standardisierten Steckverbindern ausgestattet sind und damit das einfache Plug & play von Anlagenteilen durch den Bediener unterstützen. Solche Eingriffe können allerdings schnell zu sich ändernden IP67-I/O-Systemgrößen führen, was wiederum die Verschiebung des Prozessabbilds zur Folge haben kann. Um in solchen Fällen nicht immer aufwendig in das Engineering eingreifen zu müssen, beherrschen Systeme wie Speedway das sogenannte „Optionen Handling“. Es ermöglicht die Festlegung unterschiedlicher Ausbaustufen des IP67-I/O-Systems durch die übergeordnete Steuerung im Rahmen des Engineerings. Eine betriebliche Anlagenänderung wird so von der Steuerung erkannt und es kann ein anderes Programm für die Produktion gestartet werden. Ein Engineering-Eingriff ist dabei unnötig, sodass die Arbeiten vom Bedienpersonal einfach und schnell durchführbar sind.

In der Logistik werden die Automatisierungsschwerpunkte wiederum ganz anders gesetzt. Hier kommt es weniger auf flexible Anlagengrößen an, dafür steht umso mehr die Performance im Vordergrund. Auch dieses Kriterium kann dafür sprechen, trotz IP20-Umgebung auf IP67-Technik zu setzen. In vielen Logistikzentren werden Paletten kundenspezifisch bestückt, wobei die Verpackungsgrößen stark variieren können. Das vollautomatische, punktgenaue und platzsparende Packen der Paletten übernehmen bereits vorwiegend Roboter. Steuerungstechnik sorgt für den sicheren Weitertransport mit wachsendem Gewicht und eine ständige Optimierung der Transportwege. Aus diesem Grund sind Geschwindigkeit und Synchronität besonders relevant bei der Auswahl des richtigen Automatisierungssystems.

Schnelle – insbesondere ethernetbasierte – I/O-Systeme, die Feldbusse wie zum Beispiel Sercos unterstützen, sind für solche Szenarien prädestiniert. Sie besitzen eine hohe interne Datenübertragungsrate mit Zykluszeiten von nicht selten 250 µs. Ihr Einsatz stellt sicher, dass Daten von und zur Steuerung nicht nur schnell, sondern auch mit hoher Synchronität über den Feldbus und dem untergeordnetem I/O-System eingelesen und ausgegeben werden können. Zwar lässt sich dies auch in IP20 realisieren; die Frage ist nur: Warum? Gerade dezentrale Strukturen – wie in diesem Szenario beschrieben – bieten ein ideales Einsatzfeld für schnelle und leistungsstarke IP67-I/O-Systeme.

Nebeneinander statt gegeneinander

Die Erfahrung zeigt, dass IP67 in der Praxis keineswegs konkurrierend, sondern vielmehr ergänzend zu IP20 gesehen wird. Einen ernsthaften Wettbewerb zwischen den beiden Technologien gibt es faktisch deshalb schon nicht, weil sich der Anteil der schaltschranklosen gegenüber der schaltschrankbehafteten Automatisierung inzwischen bei rund 15 % eingependelt haben dürfte – Tendenz gleichbleibend bis leicht steigend. Planer, Ingenieure und End­anwender sind dennoch gut beraten, IP67-I/O-Systeme mit in die Beurteilung ihres Automatisierungskonzepts einzubeziehen.

Neben der Betrachtung der reinen Planungs-, Anschaffungs- und Betriebskosten kann dabei die vorherige Beantwortung folgender Fragen hilfreich sein: Können die Komponenten in einem vorhandenen Schaltschrank untergebracht werden – oder müsste dieser extra eingeplant werden? Sprechen Struktur und Größe der Anlage eher für einen zentralen oder einen dezentralen Automatisierungsansatz? Muss die Anlage nach der Erstinbetriebnahme wieder zerlegt, transportiert und erneut beim Endkunden aufgebaut werden? Welche Erwartungen werden an die Inbetriebnahme und den Service – Stichwort Plug & play – gestellt? Lassen sich alle funktionellen Anforderungen mit dem in Frage kommenden I/O-System abdecken?

Alles in allem lässt sich festhalten: In vielen Fällen, in denen die Anforderungen nicht nur auf Staub- und Wasserschutz beruhen, können schaltschranklose Systeme durchaus eine attraktive Alternative zu IP20-Lösungen darstellen.

Autor: Ludwig Adelmann ist Produkt-Manager bei Wago Kontakttechnik, Minden.