Von Ralf-Dieter Kaulisch

Kühlmittelanlagen sind zentrale Komponenten einer Werkzeugmaschine; sie stellen die erforderlichen Kühlschmiermittel in richtiger Menge und mit geeignetem Druck zur Werkzeugkühlung zur Verfügung. Das Kühlmittel befindet sich in einem geschlossenen Kreislauf und wird durch spezielle Papierfilter gereinigt. Die Überwachung der Filterfunktion erfolgt über Sensoren, die den Rollendurchmesser des Filterpapiers messen, auf Papierrisse achten und den Kühlmittelstand beobachten. Ist das Filterpapier zu stark verunreinigt, überschreitet der Kühlmittelstand einen Grenzwert und infolgedessen wird sauberes Filterpapier eingezogen.

Das MASI20-Schaltschrank- und Klemmenkasten-Modul mit vier E/As nach AS-i-Spezifikation 3.0 ermöglicht die sichere Abschaltung von Aktuatoren durch bewährte Relaistechnik in Kombination mit AS-Interface-Modulen.

Im Rahmen der Konzeption einer solchen Kühlmittelanlage für eine neue Generation von Bearbeitungszentren des Werkzeugmaschinenherstellers Deckel Maho stellte dieser die Hardware- und Installationskosten hinsichtlich des zu verwendenden Bussystems auf den Prüfstand. Ergebnis der Analyse war, dass die bisherige IP20-Profibus-Lösung bei den neuen Kühlmittelanlagen für Bearbeitungszentren durch AS-Interface-Technologie abgelöst werden sollte. Diese Entscheidung fiel vor dem Hintergrund, dass der Aufbau der Bearbeitungszentren über einheitliche Baugruppen erfolgen sollte beziehungsweise, dass sich standardisierte Kühlmittelanlagen problemlos in die verschiedenen Baureihen von Bearbeitungszentren integrieren lassen.

Als kostengünstiges Netzwerk kommt AS-Interface bereits in der E/A-Ebene der Bearbeitungszentren zum Einsatz. Unter anderem deshalb, weil bei dieser Bustechnologie eine Erweiterung des Systems an beliebiger Stelle des Netzes möglich ist. Durch die Adresszuordnung der AS-Interface-Module werden deren Ein- und Ausgänge in den entsprechenden E/A-Bereich der übergeordneten Steuerung als Prozess-Abbild zur Verarbeitung übertragen. Mittels Adressvergabe lässt sich ein AS-Interface-Modul somit einer bestimmten Funktionsgruppe wie etwa einem Werkzeugwechsler, einer Zuführeinrichtung oder eben einer Kühlmittelanlage zuordnen. Das Ein- und Ausblenden der einzelnen Funktionsgruppen ist damit je nach Ausbau eines Bearbeitungszentrums einfach möglich. Für den Projektierer der Software hat dies den Vorteil, dass er die Software für den Maximal-Ausbau der Anlage auslegen kann.

Mit der neuen Spezifikation 3.0 von AS-Interface, auf der die Vernetzung der Werkzeugmaschine basiert, hat sich der Spielraum in punkto Flexibilität dieses Sensor-Aktor-Busses weiter erhöht: Durch den Einsatz entsprechender Module für den erweiterten Adressierbereich (AB-Slaves) lassen sich jetzt 62 statt bisher 31 Modul-Adressen mit doppelt so vielen E/A-Punkten in einem AS-Interface-Netz realisieren. Zudem stellen AS-Interface-Module nach Spezifikation 3.0 dem Anwender nun vier statt – wie bislang – drei (Spez. 2.11) Ausgänge im erweiterten Adressierbereich (62 A/B-Slaves) zur Verfügung. Zusammen mit dem entsprechenden AS-Interface-Master/Gateway lassen sich auf diese Weise 248 Ein- und 248 Ausgänge verwalten.

Was nun die Kühlmittelanlage betrifft, so wählten die Elektrokonstrukteure von Deckel Maho eine kombinierte IP20/68-Schaltschrank-Feld-Lösung auf Basis von AS-Interface-Komponenten von Murrelektronik. Über das voll vergossene IP68-Eingangsmodul (MASI68), welches sich aufgrund seiner Robustheit auch für extreme Einsatzbedingungen im Feld eignet, werden die Sensorsignale direkt vor Ort eingesammelt. Dabei handelt es sich zum Beispiel um die Signale dreier Initiatoren für Maximum, Minimumvorwarnung und Minimum zur Überwachung des Füllstandes des Kühlmitteltanks. Aufgenommen werden auch die Informationen, die ein Lichttaster zur Überwachung am Filterband ermittelt. Der Anschluss des IP68-Moduls an das AS-i-Netzwerk ist über M12-Anschlusskabel realisiert und der Übergang vom Feld in den Schaltschrank über Verteiler mit steckbaren Anschlüssen, wobei auch hier der Anschluss über Piercing-Kontake erfolgt und somit ein aufwendiges Abisolieren des Profilkabels entfällt.

Die passive Sicherheit

Ein wesentlicher Punkt bei der Anlagen-Auslegung war der Sicherheitsaspekt. Um Verletzungen des Bedienpersonals durch Kühlmittel und die darin enthaltenen Bearbeitungsrückstände zu vermeiden, ist ein sicheres Abschalten der Anlage bei geöffneter Schutztür erforderlich. Sicherheitsrelais schalten hierzu die Versorgungsspannung für die Modulausgänge sicherheitsgerichtet ab, wenn der NOTAUS betätigt oder die Tür zum Bearbeitungsraum geöffnet wird. Resultat ist, dass die Kühlmittelpumpen abgeschaltet und der Kühlmitteldruck abgesenkt werden. Es handelt es sich hierbei um eine Anwendung mit Anforderungen der Sicherheitskategorie 3 nach EN 954-1. Das heißt, dass die Ein-Fehler-Sicherheit gewährleistet sein muss. Anders ausgedrückt: Ein Fehler – zum Beispiel ein Querschluss – darf die Sicherheitsfunktion nicht außer Kraft setzen. Das lässt sich durch die 2-kanaligen Abschaltung der Aktuator-Versorgungsspannung realisieren. Diese erfolgt im Schaltschrank durch Sicherheitsrelais.

Die Kombination aus der Einfachheit des AS-Interface mit bewährter passiver Sicherheitstechnik spart Zeit bei der Projektierung und Installation. Das Besondere am MASI67-Modul: Mit einem Modul sind zwei Abschaltkreise realisierbar.

Die Realisierung der sicheren Ausgänge ist Aufgabe zweier im Schaltschrank installierter Module der Baureihe MASI20. Diese Module verfügen über vier digitale Eingänge und vier sichere digitale Ausgänge zur passiv sicheren Abschaltung bis Kategorie 3 gemäß EN 954-1. Ein Abschaltkreis ist für NOT-AUS-Funktionen ausgelegt, ein weiterer für Schutztüren und Pumpen. Diese beiden Abschaltkreise sind miteinander verknüpft. Das MASI20 ist in Baugröße und Anschlusstechnik für den Einsatz im Schaltschrank oder Klemmenkasten optimiert und bietet hinsichtlich der Anschlusstechnik den Vorteil, dass die Versorgungsspannung vom Modul direkt und ohne Zusatzklemmen weitergeschleift wird und somit der Installationsaufwand sinkt. Die Sensorversorgung ist umschaltbar und kann wahlweise aus AS-Interface oder einer externen 24-V(DC)-Versorgungsspannung erfolgen.

Die Spannungsversorgung für die Aktuatoren wird potenzialgetrennt von der Sensorversorgung eingespeist; damit stehen auch bei abgeschalteten Ausgängen die Eingangssignale zur Verfügung. In den Bearbeitungszentren kommt das gleiche Prinzip der passiv sicheren Abschaltung der Aktuatoren zur Anwendung. Allerdings kommen hier für diese Zwecke MASI67-Module zum Einsatz, deren Besonderheit darin besteht, dass mit einem Modul zwei Abschaltkreise realisiert werden können. Dies ermöglicht weitere Kosteneinsparungen.

„Der große Vorteil dieser Lösung ist, dass wir unsere bislang verwendeten Sicherheitskonzepte basierend auf Sicherheitsrelais weiter nutzen können“ – so Michael Unterhalt von der Bürener Maschinenfabrik. Gegenüber Safety at Work – der Bus-orientierten sicheren Abschaltung – bietet diese passive sichere Abschaltung mit Sicherheitsrelais und entsprechenden AS-i-Modulen für viele Anwendungen die wirtschaftlichere Lösung. Dies deckt sich auch mit den Erfahrungswerten des VDW, wonach nur rund 10% der Sicherheitsanforderungen in Werkzeugmaschinen der Kategorie 4 entsprechen – 90% hingegen sind Kategorie 3 und lassen sich ergo mit passiver Sicherheitstechnik abdecken.

Im Fall der beschriebenen Kühlmittelanlage liefert eine Kostenrechnung in etwa folgendes Ergebnis: Für die beschriebene Applikation mit zwei Abschaltkreisen wären bei der Safety-at-Work-Variante ein Safety-Monitor mit zwei Freigabekreisen erforderlich – Listenpreis in etwa 470 Euro – sowie zwei Safety-Relais-Ausgangsmodule mit je einem Ausgang, die zusammen mit rund 500 Euro zu Buche schlagen. In Summe beträgt der Aufwand also knapp 1000 Euro allein für die Hardware. Die Kosten für Software und Personalschulung sind hierbei noch nicht berücksichtigt.

Im Vergleich dazu ist die Lösung auf Basis passiver Sicherheit deutlich kostengünstiger. Nötig sind hier lediglich zwei Safety-Relais mit je einem Freigabekreis für zusammen etwa 200 Euro sowie zwei MASI20-Safety-Module mit je vier Ausgängen für insgesamt rund 230 Euro. Hinzu kommt: Die einfache Integration in bestehende, konventionell verdrahtete Sicherheitskonzepte ist problemlos möglich und erfordert weder zusätzliche Software noch eine Ausbildung von Mitarbeitern.

Autor

Ralf-Dieter Kaulisch ist Produktmanager Feldbus bei Murrelektronik, Oppenweiler.