Komplexe Automatisierungskonzepte sind meist modular konstruiert. Das heißt: Verteilte Maschinen oder Maschinenteile sind miteinander zu kombinieren beziehungsweise zu vernetzen. Die Herausforderung besteht dabei darin, zu gewährleisten, dass zum Beispiel bei einem Not-Halt eines Maschinenteils die anderen Maschinenteile gleichzeitig abgeschaltet werden. Daneben gilt es, weitere sicherheitsgerichtete Signale innerhalb des Maschinenverbunds weiterzuleiten, zu verarbeiten und auszuwerten. Normalerweise wird zur Lösung solcher komplexen Anlagenkonzepte eine Lösung mit mehreren Sicherheitssteuerungen und dementsprechend vielen Schaltschränken konzipiert.

Diese voneinander unabhängigen Maschinenteile sind einzeln in Betrieb zu nehmen und über eine meist aufwendige Verdrahtung zu verbinden, was den flexiblen Aufbau einer Produktionsanlage erschwert. Mit anderen Worten: Sowohl die Not-Halt- Information, als auch alle weiteren sicherheitsrelevanten Informationen und Signale müssen einzeln zu allen Maschinen beziehungsweise Maschinenteilen kommuniziert werden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um derartige Applikationen zu lösen und einen Austausch der sicherheitsgerichteten Signale zwischen modularen Maschinenteilen zu gewährleisten. Kommt eine Vernetzung auf der Grundlage der Feldbus-Technik - aufgrund der im Produktionsprozess sich verändernden Maschinenzusammensetzung oder weil die Sicherheitsvernetzung unabhängig vom übergelagerten Feldbus-System sein soll - nicht in Frage, so ist heute vielfach der Einsatz spezieller Sicherheits-Gateways an jeder Station üblich, die die Informationsübertragung übernehmen.

Eine Lösung, die zwar wenig Verdrahtungsaufwand erfordert, jedoch sehr kostspielig und Platz raubend ist. Die Alternative hierzu ist bis dato die diskrete Verdrahtung zwischen den Maschinenteilen. Nachteil beider Ansätze ist: Die Auswertung der Signale gestaltet sich schwierig, da Signale wie etwa die Not-Halt-Information auf mehreren Stationen aufliegen und zur Inbetriebnahme der einzelnen Maschinenteile überbrückt werden müssen.

Das Konzept der diskreten Verdrahtung eignet sich zudem nur für den Austausch weniger Informationen, wie zum Beispiel für den Not-Halt. Nicht zuletzt sind für beide Lösungen separate Projekte pro Station zu planen und ein eigenes Programm dafür zu schreiben. Die Inbetriebnahme und auch die Fehleranalyse gestalten sich damit schwierig und anwenderunfreundlich.

"Flexi-Link" eliminiert Nachteile

Ein möglicher Flexi-Link- Verbund am Beispiel eines Doppelzellen- Schweißroboters zur Bearbeitung von Metall-Werkstücken an vier Drehtischen.

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Mit „Flexi Link" hat Sick nun einfache und intuitive Möglichkeit geschaffen, welche die genannten Nachteile eliminiert. Dabei handelt es sich um eine Erweiterungsfunktion der modularen Sicherheitssteuerung „Flexi Soft", welche die Vernetzung von bis zu vier Stationen ermöglicht. Eine spezielle Hardware ist hierzu nicht erforderlich. Stattdessen sind die bisherigen Module der modularen Sicherheitssteuerung weiterhin verwendbar, welche auf einer Länge von bis zu 100 Metern miteinander vernetzt werden können.

Darüber hinaus bietet die Lösung zusätzliche Funktionalitäten, die es dem Maschinenbauer erlauben, mittels eines modularen Konzepts einen Vollausbau der Anlage zu planen, nur einzelne Teile in Betrieb zu nehmen oder auch Teile nachträglich in einem Maschinenverbund zu ergänzen. Ebenfalls lassen sich auf diese Weise Anlagenteile zum Beispiel für Wartungszwecke aus dem Maschinenverbund herauslösen, während die nicht betroffenen Maschinenteile weiter produzieren können.

Realisiert wird dies alles über die spezifische Enhanced-Function-Interface-Schnittstelle (EFI). Die EFI-Schnittstelle wurde entwickelt, um eine sichere Kommunikation zwischen optoelektronischen Schutzeinrichtungen zu realisieren. Daneben erlaubt sie eine einfache und flexible Konfiguration sowie Diagnose der Schutzeinrichtung über die Sicherheitssteuerung Flexi Soft. Ebenfalls erlaubt die Schnittstelle die Nutzung der erweiterten Sensorfunktionen, wie beispielsweise die simultane Schutzfeldumschaltung mit einem Sicherheits- Laserscanner oder die Auswertung von Meldesignalen, beispielsweise für eine verschmutzte Frontscheibe. Die Funktionalität der EFI-Schnittstelle wurde nun erweitert, um eine sichere Kommunikation zwischen Flexi-Soft-Stationen zu ermöglichen.

Dies hat unter anderem eine neue Version des Konfigurations-Tools „Flexi Soft Designer" erfordert, der diese Funktionalität und die Konfiguration eines Flexi-Link-Verbundes ermöglicht. Die EFI-Schnittstelle erlaubt jeder Station, allen anderen Stationen im Verbund bis zu 52 Bit an sicherheitsgerichteten Daten zur Verfügung zu stellen. Dabei lassen sich zur Signalübermittlung ein oder zwei EFI-Schnittstellen nutzen. Bei einem Strang erfolgt eine Übertragung von 26 Bit sicheren Prozessinformationen, bei zwei Strängen entsprechend 52 Bit. Die Daten werden vorwärts und rückwärts transferiert. Somit stehen in einem voll ausgebauten Verbund jeder Station 156 Eingangsdaten zur Verfügung und die Station kann zusätzlich 52 Ausgangsdaten liefern - in Summe eine Informationsbreite von 208 Bit.

Die Flexibilität, eine Station aus dem Verbund herauslösen zu können und diese ohne langwierigen Konfigurationsund Verdrahtungsaufwand durch eine andere Station zu ersetzen, vereinfacht unter anderem die Produktion von Varianten. Beim Hinzufügen braucht die Konfiguration des vorherigen Systemaufbaus nicht erneut übertragen zu werden. Für nicht vorhandene Stationen werden lediglich vordefinierte Informationen verwendet.

Absicherung am Beispiel Roboterzelle

Hardware-Konfiguration einer Station im Flexi-Link- Verbund: Eingangs- und E/A-Erweiterungsmodule dienen zum Anschluss der in der Applikation verwendeten Sensoren auf den Eingängen I1 bis I8 sowie der Aktoren auf den Ausgängen Q1 bis Q4. Die Testpulszeiten der induktiven und elektromechanischen Sicherheitsschalter sowie des Not-Halt- Tasters (X1 bis X8) sind frei konfigurierbar.

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Eine mögliche Applikation für Flexi Link ist die Absicherung eines Doppelzellen- Schweißroboters, der an vier unabhängigen Drehtischen Werkstücke bearbeitet. Der Zugang ist von rechts und links durch Zäune abgesichert. In beiden Zäunen befinden sich Servicetüren und der Betrieb ist nur bei geschlossenen Türen möglich. Zusätzlich sind die Drehtische voneinander und auch vom Roboter durch Zäune getrennt, wobei die Zugänge zu den Drehtischen offen zugänglich sind.

Somit können die fertig geschweißten Metallstücke herausgenommen und neue Teile eingelegt werden, wenn sich der Roboterarm in der jeweils anderen Zelle in sicherer Position befindet. Andernfalls kommt es beim Betreten dieses Bereichs zu einem Stopp des Roboters. Die Zelle, in der sich der Schweißarm befindet, darf nicht betreten werden.

Zu Wartungszwecken oder im Fall einer Reparatur an einem der Drehtische soll die zweite Zelle hingegen weiterarbeiten können. Auch bei der Inbetriebnahme der Maschine oder bei der Erweiterung der Maschine durch zusätzliche Drehtische und Roboter soll eine reibungslose Produktion erfolgen. Nicht zuletzt soll das manuelle Stoppen des Roboters im Gefahrenfall möglich sein.

Die Safety-Konfiguration

Konfiguration des Flexi-Link-Verbundes und Statusübersicht der einzelnen Stationen innerhalb der Konfigurationssoftware.

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Wünscht der Kunde eine abschließende Zusammenstellung der Fertigungslinie vor Ort, werden meist einzelne Teile der Maschine zu unterschiedlichen Zeitpunkten angeliefert. Um diese in Betrieb zu nehmen, soll der Aufwand möglichst gering gehalten werden. Im Beispiel des Doppelzellen-Schweißroboters könnten diese Anforderungen in folgender Anlagenkonfiguration resultieren: Die Anlage wird in zwei Bereiche mit je zwei Drehtischen und jeweils einer Sicherheitssteuerung aufgeteilt.

Der Zugang durch die Servicetüren wird durch je einen Sicherheitsschalter abgesichert. Sobald eine der Türen öffnet, stoppen der Roboter und die Drehtische in beiden Zellen, um eine Gefahr bringende Bewegung für den Arbeiter zu vermeiden. Flexi Link überträgt dabei die Information des Not-Haltes von der einen zur anderen Sicherheitssteuerung über die EFI-Schnittstelle. Die offenen Zugänge zum Materialtausch werden durch Mehrstrahl- Sicherheits-Lichtschranken abgesichert.

Zwei berührungslose induktive Sicherheitsschalter bestimmen sicher die Position der Roboter-Achse, so dass eine Unterbrechung einer Mehrstrahl-Sicherheitslichtschranke - zum Beispiel durch das Eintreten eines Arbeiters in diese Zelle - nur dann zur Abschaltung des Roboters führt, wenn sich der Schweißarm in der entsprechenden Zelle befindet. In diesem Fall schaltet Flexi Link den Roboter sicher aus. Die Position der Drehtische wird ebenfalls von einem berührungslosen induktiven Sicherheitsschalter überwacht.

Integrierte Teach-Funktion

Befinden sich sowohl der Roboter als auch der Drehtisch in sicherer Position, kann der Arbeiter in diesen Bereich eintreten, um das Werkstück auszutauschen. Damit bedient die Applikation nicht nur die Zugangsabsicherung, sondern auch die sichere Positionsüberwachung - begünstigt durch die Sicherheitssteuerung in Kombination mit den Sicherheitsschaltern. Für Wartungszwecke lässt sich ein Maschinenteil herauslösen oder um eine zusätzliche Zelle mit zwei Drehtischen erweitern.

Dies erfolgt durch die integrierte Teach-Funktion, welche durch einen lokalen Eingang an einer der Flexi-Soft-Stationen gesteuert wird. Sollte es zu einer Stillsetzung des Roboters kommen, wird die gefahrbringende Bewegung der Drehtische ausgeschaltet. Werden nur die Drehtische ausgeschaltet, kann der Roboter in der anderen Zelle weiterarbeiten. Somit erhöht sich die Produktivität, da zu jedem Zeitpunkt drei Zellen zur Verfügung stehen, in die ein Arbeiter eintreten kann, um Teile zu platzieren beziehungsweise zu entfernen. Das Ausschaltsignal kommt direkt von einer der Sicherheitssteuerungen.

Nach einem Stillstand ist ein Reset-Taster zu betätigen, damit die Anlage wieder anläuft. Zusätzlich ist an den beiden Zugängen sowie an der Servicetüre je ein Not-Halt-Taster angebracht, der im Gefahrenfall die Anlage sicher manuell ausschaltet. Die Konfigurierung und Verwaltung der Komponenten eines Flexi-Link-Systems geschieht über ein einziges Projektfile in der Software Flexi-Soft-Designer. Die Erstellung der Hardwarekonfiguration erfolgt hierbei für jede Station gemeinsam mit der Logik. Anschließend werden die Stationen benannt und in den Verbund eingegliedert.

Zusätzlich liefert die Software ein komplettes Verdrahtungsdiagramm mit einer grafischen Anzeige aller Module. Ebenfalls erhält der Anwender für die Validation eine I/O-Matrix, die die Beziehung zwischen den Ein- und Ausgängen anzeigt. Kurzum: Die intuitive Bedienung der Software und die Möglichkeit der Projektierung jedes einzelnen Maschinenteils im Verbund machen es dem Konstrukteur sehr einfach, ein modulares System zu erstellen.

Autoren:

Nicole Bellert ist tätig im Bereich Produktmanagement- Support bei Sick, Waldkirch.

Andreas Heim ist Produktmanager bei Sick, Waldkirch.