Stromüberwachung Funktionsprüfung von Bosch-Elektrowerkzeug leicht gemacht

Autor / Redakteur: Gerhard Sturm* / Sariana Kunze

Für Elektrowerkzeuge von Bosch spielt die Funktionsprüfung eine wichtige Rolle. In modularen Prüfkammern wird mithilfe von Stromüberwachung die Leistungsfähigkeit der Geräte getestet. Siemens-Relais mit IO-Link vereinfachen dabei nicht nur das Engineering, sondern reduzieren auch den Verdrahtungsaufwand.

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Sirius Relais von Siemens sorgen mit IO-Link für vereinfachte Stromüberwachung in Prüfkammern für hochwertige Elektrowerkzeuge.
Sirius Relais von Siemens sorgen mit IO-Link für vereinfachte Stromüberwachung in Prüfkammern für hochwertige Elektrowerkzeuge.
(Bild: Siemens, IO-Link, © psdesign1/Fotolia.com, © 3dkombinat/Fotolia.com [M] – Haselmann)

Geradschleifer, Betonschleifer und Bohrmaschinen gehören unter anderem zu den hochwertigen Elektrowerkzeugen der Bosch Power Tools. Aber auch Werkzeuge der besonderen Art werden von Bosch im schwäbischen Werk Murrhardt hergestellt. Z.B. eine Schrauberlösung zum automatisierten Anschrauben von Traktorenhinterachsen – mit Lasermessgerät, Joystick, Drehmomenterfassung und -dokumentation – und das bei einem Schraubergewicht von knapp einer Tonne. „Nicht immer sind es solche Schwergewichte, die hier im Werk gebaut werden“, berichtet Klaus D. Hahn aus der Entwicklungsabteilung des Betriebsmittelbaus von Bosch Power Tools.

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Aber dennoch trifft man dort auf allerlei Besonderheiten. Denn das Werk im schwäbisch-fränkischen Wald unterstützt das Hauptwerk in Leinfelden einerseits durch Abbau von Produktionsspitzen und andererseits durch die Entwicklung sowie den Bau besonderer Power-Tool-Lösungen. Ein weiteres Beispiel sind neu entwickelte, modular aufgebaute Prüfzellen für qualitativ hochwertige Elektrowerkzeuge. Eine Zelle verfügt über zwei Kammern mit jeweils zwei Einschüben zum Einlegen von kabelgebundenen Werkzeugen. Für die Prüfzyklen stehen in jedem Einschub unterschiedliche Anschlüsse zur Verfügung, die mit vier verschiedenen Maximal-Wechselspannungen zwischen 50 V und 230 V sowie mit der halben Maximalspannung beaufschlagt werden können. „Die dafür erforderliche Flexibilität ließ sich am besten durch den Einsatz moderner Elektro- und Steuerungstechnik realisieren“, erklärt der Experte aus der Entwicklungsabteilung.

Mit Stromüberwachung die Qualität sicherstellen

Das steuerungstechnische Herz der Prüfkammern bildet ein Simatic Distributed Controller von Siemens aus dem feinmodularen Peripheriesystem ET 200SP mit fehlersicherer F-CPU. In Kombination mit einem Display KTP 900 vom gleichen Hersteller lassen sich die gewünschten Prüfzyklen und Spannungen übersichtlich per Touchscreen vorwählen. Der Bediener muss lediglich die Typ-Teilenummer des Geräts eingeben bzw. auswählen und die für die Prüfung vorgesehene Zelle benennen. Anschließend kann die Prüfung beginnen: drei Minuten mit der halben und sieben Minuten mit der vollen Betriebsspannung. „Ein zentraler Aspekt der Gesamtkonstruktion ist die Stromüberwachung, an der wir aus Sicht des Qualitätsmanagements viel ablesen können“, erläutert Klaus Hahn. Denn bisher wurde während der Funktionsprüfung lediglich ein Temperatursensor am Werkzeug angebracht, der die Betriebstemperatur erfasst hat. Defekte oder beschädigte Geräte ließen sich so ermitteln. Heute dagegen steht die Stromüberwachung im Mittelpunkt, weil sich daraus erheblich mehr Informationen gewinnen lassen als nur „funktionsfähig“ oder „nicht funktionsfähig“. Die Strommessung übernehmen dabei die Stromüberwachungsrelais Sirius 3UG4822 von Siemens, die per IO-Link-Anschluss direkt mit der dezentralen Peripherie verbunden sind. Das vereinfacht das Engineering und spart Verdrahtungsaufwand. Die Geräte sind je nach Parametrierung in der Lage, Ströme von 0,05 A bis 10 A auf Über- bzw. Unterschreitung sowie ein definiertes Stromfenster zu überwachen. Treten größere Ströme auf, kommen Stromwandler zum Einsatz. Durch das am Gerät einstellbare Übersetzungsverhältnis reicht die Anzeige der gemessenen Primärströme dann bis 750 A. Dabei wird stets der Effektivwert des Stroms gemessen.

„In unseren Prüfkammern setzen wir solche Wandler ein, weil die Betriebs-, aber auch die Anlaufströme der einzelnen Power Tools sehr hoch sein können“, berichtet der Entwicklungsingenieur. Die von dem Stromüberwachungsrelais 3UG4822 gemessenen Stromwerte werden digitalisiert per IO-Link an die Steuerung gemeldet und entsprechend ausgewertet. Für den Entwicklungsingenieur hat diese Art der Kommunikation mehrere Vorteile. Durch den Verzicht auf Einzelverdrahtung wird beispielsweise viel Aufwand und Zeit gespart. Denn in der beschriebenen Anlage befinden sich 16 Stromüberwachungsrelais (zwei modulare Zellen aneinandergereiht mit jeweils zwei Kammern mit je vier Anschlussmöglichkeiten für Elektrowerkzeuge). Vier davon lassen sich über eine gemeinsame Leitung jeweils an einen IO-Link-Master der Peripheriegeräte ET 200SP anschließen. Die Kanalzuordnung lässt sich sehr einfach im Engineering Framework TIA Portal von Siemens erledigen. Hierzu gibt es das so genannte Port Configuration Tool (PCT), mit dem sich IO-Link-Master-Module und IO-Link-Devices komfortabel parametrieren lassen. Mit dieser leistungsfähigen Software lassen sich Parameterdaten von IO-Link-Geräten einstellen, verändern, kopieren und im Projekt sichern. Auf diese Weise werden alle Konfigurationsdaten und Parameter bis auf die Device-Ebene hinab konsistent gespeichert.

Keine Störeinflüsse dank IO-Link

Ein weiterer Vorteil dieser Strommessgeräte in Verbindung mit IO-Link ist, dass die Analogsignale binär übertragen werden, so dass es keine Störeinflüsse in der Kommunikation gibt und auf die Schirmung der Anschlussleitungen verzichtet werden kann. Dadurch beeinflussen sich die einzelnen Messzellen nicht gegenseitig, was ein wichtiger Aspekt ist, wie Klaus Hahn bestätigt: „Entscheidend ist, dass die Prüfkammern perfekt funktionieren. Denn jede Unterbrechung bzw. jeder nicht korrekt ermittelte Wert würde sich negativ auf unsere Produktionsleistung oder das Qualitätsmanagement auswirken.“ Durch die moderne Stromüberwachung ergeben sich weitere Möglichkeiten, wie die Aufzeichnung von Messkurven, aus denen sich dann Qualitätsmerkmale und Materialeigenschaften ableiten lassen. So können Veränderungen erkannt werden, noch bevor sie beim Endprodukt zu einem Mangel führen. Die Vorteile einer ausgefeilten Stromüberwachung zeigen sich also nicht nur in der gegenwärtigen Situation, in der nur die Funktionsfähigkeit der Geräte überprüft wird, sondern könnten in der Zukunft auch weiteren Mehrwert schaffen. Hahn bestätigt: „Anhand der Datenkonsistenz könnten wir bei Bedarf genau beobachten, ob und welche Veränderungen sich in einzelnen Chargen zeigen.“ Interessant sind die Relais Sirius 3UG4 auch deshalb, weil sie über die reine Stromüberwachung hinaus viele weitere Diagnosen ermöglichen. So überwachen sie beispielsweise das Stromnetz auf Fehler. Je nach Ausführung sind sie in der Lage, Phasenfolgefehler, Phasenausfall, Phasenasymmetrie, Unter- oder Überspannung zu erkennen. Auch die Cos-Phi- und Wirkstromüberwachung sind im Gerät integriert. Fehlerstromüberwachung und Isolationsüberwachung runden das Funktionsspektrum der Stromüberwachungsrelais ab. Über IO-Link können sämtliche Daten von der Steuerung ausgewertet und dargestellt werden, was die Verfügbarkeit der Prüfzellen weiter erhöht.

Stromüberwachung mit IO-Link und Safety in einem

Erstmals hat sich die Entwicklungsabteilung bei den Prüfständen für eine kombinierte Lösung aus fehlersicherer F-CPU und feinmodularem Peripheriesystem ET 200SP entschieden. „Durch die Integration der Sicherheitstechnik in die gleiche Steuerung wie für die Standardautomatisierung sparen wir uns weitere Geräte und Platz im Schaltschrank“, sagt Hahn. Was auch schon mit den Stromüberwachungsrelais auf der Basis von IO-Link gelungen ist – nämlich die spürbare Platzeinsparung – wird in Bezug auf die Sicherheitstechnik systematisch fortgeführt. Bisher wurden die Türkontakte und die Rauchmelder in den Prüfkammern mit konventionellen Sicherheitsschaltgeräten fehlersicher überwacht. Allein die Verdrahtung dafür war schon entsprechend aufwändig. Nun sind die einzelnen Sensoren jedoch über fehlersichere Eingangskarten der Peripherie ET 200SP mit der Steuerung verbunden. Müssen später Erweiterungen oder Modifikationen der Prüfkammern durchgeführt werden, ist diese Art der Sicherheitstechnik so flexibel, dass die Integration nur kurze Zeit in Anspruch nimmt. Als Verbindungstechnik wählte der Praktiker die Federzug-Stecktechnik, weil damit Verbindungen schneller, rüttelsicher und ohne Aderendhülsen ausgeführt werden. So wird ebenfalls viel Zeit gespart. Die neuen Prüfkammern zum Testen von Elektrowerkzeugen im Werk Murrhardt von Bosch Power Tools sind ein Beispiel dafür, dass moderne Technik in vielerlei Hinsicht Vorteile bringt. Durch den Einsatz der Stromüberwachungsgeräte Sirius 3UG4822 von Siemens kann nämlich nicht nur die ordnungsgemäße Funktion von Elektrowerkzeugen geprüft und dokumentiert werden, sondern aus den Werten und den so darstellbaren Stromkennlinien lassen sich später möglicherweise auch Rückschlüsse auf die Qualität von Produktion und Endprodukt schließen. Besonders einfach wurde der komplette automatisierungstechnische Aufbau durch den Einsatz der IO-Link-Kommunikation zwischen den 16 Stromüberwachungsrelais und der dezentralen Steuerung. Dadurch sank nicht nur der Aufwand für Engineering und Verdrahtung, sondern sparte zudem noch Platz im Schaltschrank. Zusätzlich konnte die gesamte Sicherheitstechnik einfach und übersichtlich mit der gleichen Hardware realisiert werden. Hier hat sich das Engineering Framework TIA Portal als Software doppelt angeboten. Denn auf derselben Plattform, also mit dem gleichen Erscheinungsbild, wurde sowohl die Standardautomatisierung als auch die Sicherheitstechnik realisiert. Klaus D. Hahn freut sich: „Ein moderner Systemaufbau mit leistungsfähiger Kommunikation, wie sie hier von der Stromüberwachung bis zur fehlersicheren Steuerung realisiert wurde, bringt immense Vorteile beim Engineering, bei der Installation und im Betrieb.“

* *Gerhard Sturm, Digital Factory/Control Products, Siemens

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