Ausgereiftes Kommunikationskonzept mit Profinet und Profisafe 35 Tonnen Stahl fehlersicher transportieren

Autor / Redakteur: Frank Neuser, Christof Kreienmeier / Ines Stotz

Zur hoch verfügbaren, schnellen und sicheren Datenübermittlung setzt ein namhafter asiatischer Stahlproduzent auf innovative Automatisierungstechnik mit Profinet und Profisafe. Ausgestattet mit IWLAN sorgt ein fahrerloses Transportsystem für den reibungslosen Materialfluss zwischen Warmwalze, Kaltwalzen und Flachlager.

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Die Planung eines neuen Werkes für die Herstellung und Weiterverarbeitung qualitativ hochwertiger Flachstahlprodukte startete im Frühjahr 2008. Für den Transport der warmgewalzten und gerollten Metallbänder (Coils) innerhalb der Produktionsstätte wurde eine ringförmig verlaufende Gleisanlage (Loop) zusammen mit zwölf fahrerlosen Fahrzeugen und einer technologisch anspruchsvollen Automatisierungslösung geplant.

Die Herausforderung bestand darin, eine sichere Kommunikation mit hoher Verfügbarkeit zwischen den Fahrzeugen untereinander, sowie den stationären Steuerungen zu schaffen, bei der neben den Standardsignalen auch fehlersichere Signaltechnik Berücksichtigung finden sollte. Dabei wurde vom Sensor bis zum Aktor ein möglichst durchgängiges System angestrebt, welches sich auch nicht durch partielle Wärmeeinflüsse (Coils bis zu 500°C), sowie extreme Umgebungstemperatur-Schwankungen beeinflussen lassen würde und den erschwerten Bedingungen einer Ring-Installation gerecht werden sollte.

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Man entschied sich, ein drahtloses Funknetz mit RCoax-Antennentechnik aufzubauen, welches eine stabile und sichere Übermittlung der Daten von und zu den Transportfahrzeugen gewährleistet und Profisafe für die fehlersicheren Komponenten unterstützt.

Fahrerloser Transport der Stahlcoils

Die Transportfahrzeuge (Loop Cars) bewegen sich auf der fast 800 Meter umfassenden, kreisförmig angelegten Gleisanlage frei verteilt und kontinuierlich im Kreis und sorgen für die zeitgerechte An- und Abdienung der Warmwalze, der drei Kaltwalzen, sowie dem Flachlager. Während die Transportaufträge vom via Industrial-Ethernet angekoppelten übergeordneten Warehouse-Management-System empfangen werden, sorgt eine Simatic S7-400 mit CPU416-2DP für die ordnungsgemäße Verteilung der Aufträge auf die ebenfalls durch ihn verwalteten Leerfahrzeuge.

Die rund 35 Tonnen schweren Bandrollen werden somit aus dem Warmwalzwerk kommend an einer Übergabestation vom Loop-Car übernommen, um sie dann zu einem der 24 Flachlagerplätze zu transportieren. Dort werden sie anschließend mit einem Hallenkran abgenommen. Die Übergabestationen des Flachlagers arbeiten bidirektional. Somit werden dort ebenfalls abgekühlte Coils aus dem Flachlager aufgelegt, um sie anschließend zur Weiterverarbeitung an eine der drei Kaltwalzen zu versenden. Das gesamte Materialtracking, sowie die Standard- und fehlersichere Signalerfassung der Transportfahrzeuge, sowie der stationären Einrichtungen erfolgt dabei über Industrial Wireless LAN (IWLAN).

Sichere Kommunikation per Funk

Sämtliche Loop-Cars haben die gleiche Funktionalität, so dass jeder Wagen an jeder Position der Fahrstrecke einsetzbar ist und zu regulären Wartungszyklen reibungslos aus dem Loop aus- und wieder eingegliedert werden kann. Das Ermitteln der Fahrzeugpositionen sowie die eigentliche Transportlogik ist symmetrisch aufgeteilt in zwei weiteren Steuerungen Simatic S7-400F des Typs 416F-3 PN/DP, die ihrerseits miteinander mittels Master/I-Slave-Kommunikation vernetzt sind.

Durchgängiger Datenfluss via RCoax-Kabel

Die Kommunikation zwischen mobilen und stationären Steuerungskomponenten, die Standard- und fehlersichere Sensoren und Aktoren umfasst, erfolgt drahtlos. Um ein exakt definiertes Funkfeld entlang der Schienenstrecke aufzubauen, welches für „verlustfreie“ Übergänge zwischen den Segmenten sorgt, werden iPCF-fähige Access-Points in Kombination mit RCoax-Leckwellenleiter eingesetzt. Das iPCF-Verfahren sorgt für eine besonders schnelle und deterministische Übergabe der Informationen und somit einen nahtlosen und unterbrechungsfreien Kommunikationsübergang beim Wechsel der Fahrzeuge zwischen den verschiedenen Funkzugangspunkten. Mehrere RCoax-Segmente mit einer Gesamtlänge von fast 800 Metern gewährleisten somit auf der gesamten Fahrstrecke eine zuverlässige und sichere Funkverbindung im Transport- und Lagerbereich der Coils – und das trotz rauer industrieller Umgebung.

Ein Vorteil der RCoax-Technik ist, dass es beim Verlegen nicht auf eine millimetergenaue Ausrichtung der Kabel ankommt, der störungsfreie Funkverkehr aber trotzdem gewährleistet ist. Zudem lassen sich Kurvenbereiche ebenfalls sehr einfach mit RCoax abdecken.

Millisekunden-schneller Datenaustausch

Lange Zeit war es Standard, sicherheitstechnische Maschinenfunktionen, wie z.B. Not-Halt, über Schleifleitungen umzusetzen. Da Profisafe die fehlersichere Kommunikation für Profinet auch drahtlos über IWLAN ermöglicht, hat sich der Kunde für diese Strategie entschieden.

Profisafe ist ein zertifiziertes Profil für die fehlersichere Kommunikation über die offenen Standardbusse Profibus und Profinet. Mit SIL 3 (Safety Integrity Level) bzw. Kategorie 4 nach EN 954-1 erfüllt Profisafe die höchsten Sicherheitsanforderungen für die Prozess- und Fertigungsindustrie. Die neue Maschinenrichtlinie 2006/42/EG macht Vorgaben für das Verfassen der technischen Dokumentationen und verlangt Sicherheitshinweise sowie Angaben zu Restrisiken. Je mehr System-Komponenten dem Profisafe-Profil entsprechen, umso einfacher gestaltet sich die Erstellung von Betriebs- oder Bedienungsanleitungen gemäß der neuen Maschinenrichtlinie.

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Tür auf, Loop steht

Die Schaltschränke auf den Fahrzeugen sind u.a. bestückt mit Umrichtern (Sinamics) der neusten Generation, welche über Profisafe die sicherheitsgerichteten Funktionen STO/SS1 und SLS [1] realisieren. Die dezentrale Kommunikation mit den fehlersicheren Ein- und Ausgängen onboard wird mit ET200-Komponenten realisiert. Den Übergang zwischen IWLAN und Profibus bilden hierbei IWLAN/PB Links. Da ein Ausfall immense Folgen bezüglich Produktivität und Sicherheit haben kann, war es dem Kunden wichtig, dass sich die eingesetzten Steuerungen und Komponenten durch höchste Verlässlichkeit auch unter schwierigen Bedingungen auszeichnen. Die Durchgängigkeit vom Sensor bis zum Aktor sowohl auf Standard- wie auch auf fehlersicherer Signalebene wird durch den Einsatz von Standard- und Failsafemodulen im stationären Feldbereich (Schutztüren etc.) weiter hervorgehoben.

Zur Positionierung der Fahrzeuge kommt ein Barcode-Positioniersystem entlang des Loops zum Einsatz. Während es zum Einen die exakte Anfahrt der Fahrzeuge zu ihren Zielen vornimmt, sorgt es während der Fahrt ebenfalls für die erforderliche Distanz zwischen den Fahrzeugen.

Um dem Kunden eine möglichst flexible Lösung zur manuellen und sicheren Bedienung der Loop-Cars für Wartungszwecke zu offerieren, setzte man im Unternehmen auf Mobile-Panels mit Not-Halt und dreistufigem Zustimmtaster. Durch die Bereitstellung mehrerer Panels besteht ebenfalls die Möglichkeit mehrere Fahrzeuge, egal an welchem Ort, gleichzeitig zu bedienen. Dabei ist ein besonderes Augenmerk auf eine sichere, komfortable Bedienbarkeit mit Übersicht auf die Verfahrbewegung aus jeder Position heraus gerichtet. Die Kabellänge des Panels ist so bemessen, dass die Bedienung der Bedienstation in einem weitreichenden Aktionsradius und aus unterschiedlichen Blickwinkeln erfolgen kann. Für die sichere Freigabe bzw. den Halt der Bewegungsabläufe sorgt ein Zustimmtaster auf Basis einer Paniktaste. Die „Vor-Ort-Betrachtung“ von Antriebsbewegungen ist somit ohne Einbuße der Sicherheit für das Wartungspersonal von enormer Hilfe.

Maximale Verfügbarkeit

Das Unternehmen setzt in diesem Projekt eine Vielzahl von Automatisierungs- und Antriebskomponenten ein, ohne dass bisher nennenswerte Ausfälle durch Staub oder hohe Temperaturen zu verzeichnen waren. Die Durchgängigkeit der Produkte und Systeme von den Steuerungen über die Safety-Komponenten, die HMI-Lösungen, die Feldbusanbindungen bis hin zur Netz- und Antriebstechnik vereinfachte die Inbetriebnahme erheblich.

Das Unternehmen zeigt sich über die stabile und störungsfreie Anlage, die im 24x7x365-Betrieb läuft, sehr zufrieden. Weitere Projekte sind vorstellbar. Ansätze gibt es beispielsweise in der Ausstattung bestehender Anlagen mit verschleißfreien Systemen für die berührungslose fehlersichere Datenübertragung. Mechanisch problembehaftete Übertragungswege wie Schleifleitungen oder Schleppketten lassen sich relativ problemlos durch wartungsfreie drahtlose Kommunikationslösungen ersetzen. Zudem reduzieren sie Wartungsarbeiten, Fehlerdiagnosen und Troubleshootings und bieten ein hohes Maß an Flexibilität für die Inbetriebnahme, sowie zukünftige Anlagenerweiterungen.

Frank Neuser, Senior Vertriebsbeauftragter, Siemens Industry Automation and Drive Technologies, Siegen

Christof Kreienmeier, Senior Promotor Industrielle Kommunikation; Siemens Industry Automation and Drive Technologies, Düsseldorf

[1] Sicherheitsfunktionen SS1 – Safe Stop 1 (Sicherer Halt 1), STO – Safe torque off (Sichere Drehmomentenabschaltung), SLS – Safely-Limited Speed (Sicher begrenzte Drehzahl)

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