Wireless LAN Roboter-Retrofit mit kabelloser, zuverlässiger Signalübertragung in Bluetooth-Technologie

Redakteur: Reinhard Kluger

Ein italienischer Maschinenbaukonzern vertraut in seiner Montagezelle für Zylinderköpfe auf Wireless-Kommunikation mit SAI-Bluetooth Modulen von Weidmüller, ein niederländisches Unternehmen nutzt diese Technik zum Retrofit von Robotern.

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Modulare Konzepte für Wireless im Anlagen- und Maschinenbau ermöglichen kosteneffiziente Lösungen, so beim Retrofit von Robotern
Modulare Konzepte für Wireless im Anlagen- und Maschinenbau ermöglichen kosteneffiziente Lösungen, so beim Retrofit von Robotern
( Archiv: Vogel Business Media )

Zukunftsorientierte Maschinen und Anlagen kommen nicht länger als starre, unflexible und vorgefertigte Einheit zum Kunden, sie werden heute den Anforderungen der Anwender entsprechend entwickelt und gefertigt. Der Trend hierbei ist, Maschinen und Anlagen in konstruktiver und funktioneller Hinsicht modular zu gestalteten. Ein weiterer Trend: Retrofit - bewährte Maschinen für zukünftige Einsätze aufbereiten. Für Maschinen- und Anlagenbauer bietet Weidmüller hierfür Sensor-Aktor-Interface- Wireless-Module in Bluetooth-Technologie, die in Profibus-DP-Netzwerke oder DeviceNet Netze einfach ohne Buskoppler zu integrieren sind und den Modulargedanken sowie das Retrofiting konsequent unterstützen.

Module für Plug & Play

Das SAI Wireless-Gateway kommuniziert drahtlos mit bis zu sechs Slave-Stationen. Insgesamt sind bis zu 96 Ein- und Ausgänge wireless verfügbar. Die Weidmüller SAI Wireless-Module lassen sich Plug & Play betreiben, d.h. sollte einmal die Funkverbindung ausfallen, so baut das Gateway die Funkverbindung selbstständig auf. Darüber hinaus ist die Sendeleistung stufenlos einstellbar, so dass eine gute Koexistenz mehrerer Systeme gewährleistet ist.

Elektrische Verbindungstechnik und Elektronik mit Mehrwert

Dezentrale Systeme vereinfachen dank ihrer modularen Beschaffenheit den gesamten Prozess der Konstruktion, Planung und Inbetriebnahme. Eine entsprechend konzipierte Anlagenstruktur bleibt durch die logische Zuordnung der Bewegung zur entsprechenden Funktionseinheit einfach und übersichtlich. Maschinen und Anlagen lassen sich Modul für Modul fertigen, testen und in Betrieb nehmen. Standardisierte Feldbussysteme verbinden Maschinenteile und Systeme zu einem Ganzen. Im Anlagen- und Maschinenbau gilt es, alle mechanischen und elektrischen Module sorgfältig aufeinander abzustimmen und die Bewegungen untereinander zu koordinieren. Das standardisierte Bussystem Profibus DP bildet hierfür oftmals die Basis, es findet weltweit Akzeptanz und hat sich zwischenzeitlich etabliert. Das Bussystem gewährleistet den schnellen Zugriff auf einzelne Module.

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Bluetooth als Industriestandard

Bislang setzen Maschinen- und Anlagenbauer sowie Anwender jedoch vorrangig auf die kabelgebundene Verbindung. Der Reiz einer weitgehend kabellosen Maschine oder Anlage ist offensichtlich, diese Vision wird vermutlich kurz- oder mittelfristig nicht Realität. Allerdings lassen sich kabellose „Inseln“ schon heute aufbauen, die sich harmonisch in bestehende Standard-Netzwerke integrieren lassen. So findet Bluetooth - als sehr zuverlässige und sichere Schnittstelle - bereits heute in der Automatisierung zunehmend mehr Verbreitung. Bluetooth (IEEE802.15.1) stellt als Industriestandard eine störfeste Datenkommunikation und drahtlose Vernetzung über kurze Distanzen dar.

Stationen in Schutzart IP67

Weidmüller entwickelte seine neuen SAI-Wireless-Module für Applikationen, die aufgrund ihrer Ausdehnung oder räumlichen Gegebenheit nur schwer mit Buskabeln zu erreichen sind – das gilt auch für bewegte Anlagenteile. Auch rotierende Maschinenelemente lassen sich einfach und problemlos einbinden. Das gilt auch für den Wechsel von Werkzeugen in der Maschine oder Anlage im laufenden Betrieb. Ein SAI Wireless Gateway kommuniziert drahtlos mit bis zu sechs Slave-Stationen. Das Gateway agiert als Profibus DP Teilnehmer und ist gleichzeitig ein Slave im Profibus-System. Die Zykluszeit eines jeden SAI-Moduls liegt bei unter 15 Millisekunden. Der „Sub-Bus“ erlaubt eine Ausdehnung (Funkstrecke) bis 50 Meter. Alle Stationen sind als Feldgeräte in Schutzart IP67 ausgelegt.

Kabelstränge reduzieren

Kabelstränge reduzieren - genau diese Eigenschaften einer kabellosen Lösung suchte ein italienischer Hersteller von industriellen Automatisierungssystemen für seine neuartige Montagezelle. Sie montiert flexibel Zylinderköpfe für Motoren mit unterschiedlichem Zylinderbohrungsabstand und unterschiedlichen Ventilmittenabständen. In der Montagezelle sind Funktionen wie Montage und Werkstückhandling voneinander getrennt.

Geringere Komplexität

Ein standardisierter „Montagekopf“ verfügt über drei Achsen und bietet die Möglichkeit zur Montage verschiedener Werkzeuge, je nach dem auszuführenden Vorgang: Schmierung, Ventilmontage, Ölschutzmontage, Federeinstellung, usw. Optional lässt sich ein Achsabstandwandler am Montagekopf integrieren, um in der gleichen Anlage verschiedene Zylinderkopfmodelle zu verarbeiten. Die komplexe Technik, insbesondere die der Montagegreifer zwingt zu einer aufwändigen Verkabelung zwischen den Sensoren und Aktoren sowie den Ein- und Ausgängen der Steuerung. Das Ziel lautete: Die zahlreichen Verbindungen zwischen Feld und Schaltschrank mit umfangreichen Kabelsträngen inklusiver aufwändiger Feldbus-Systeme sollen übersichtlich auf das Notwendigste reduziert werden. Fündig wurde der italienische Hersteller bei Weidmüller. Der weitgehende Ersatz dieser Kabelstränge durch eine kabellose Wireless-Kommunikation mit SAI-Wireless Modulen auf Bluetooth-Basis reduziert heute sowohl die Komplexität als auch zeitaufwendige Wartungstätigkeiten.

Roboter-Retrofit mit Wireless-Technologie

Für die Realisierung von Automatisierungslösungen setzt die niederländische Firma Irmato in vielen Fällen gebrauchte Roboter ein, die für ihren neuen Einsatz einen Retrofit-Prozess durchlaufen. Durch eine Signalübertragung mit IP67-Wireless-Modulen von Weidmüller, die auf dem SAI Aktiv-Remote I/O-System basieren, wird dieser Prozess erheblich vereinfacht und verkürzt.

Roboter sind das Herz der Produktionszellen

Die Irmato-Gruppe ist ein multidisziplinäres Engineering- und Beratungsunternehmen für den Maschinen- und Anlagenbau. Dabei übernimmt Irmato sämtliche Aufgaben vom Engineering bis zu Projektmanagement und -durchführung. Einen Teil des Geschäfts von Irmato macht die Realisierung von Automatisierungslösungen mittels Robotern aus. Dabei sind die Roboter das Herz von Produktionszellen und werden flexibel für alle Arten von Produkthandhabungen eingesetzt. Als Systemintegrator und Dienstleister setzt Irmato sowohl neue als auch gebrauchte Roboter ein. Die gebrauchten Roboter werden in einem speziellen Retrofit-Zentrum der Irmato-Gruppe auf ihre neue Aufgabe hergerichtet.

Verdrahten dauert zwei Tage

Nach einer gründlichen Reinigung der Roboter, werden diese bei Bedarf überholt und schließlich gemäß einer vordefinierten Checkliste überprüft. Diese „runderneuerten“ Roboter kommen dann in einer Automatisierungslösung zum Einsatz. Eine große Herausforderung ist es, die Roboter in sehr kurzer Zeit für ihre neue Aufgabe umzurüsten, indem eine entsprechende Verdrahtung durchgeführt wird. In der Regel dauert dieser Verdrahtungsprozess zwei Tage. Um diese Zeit zu verkürzen, hat sich Irmato auf die Suche nach einer effizienteren Lösung gemacht – und sie in SAI Wireless-Modulen von Weidmüller gefunden.

Zuverlässige Signalübertragung

Die Wireless-Technologie kommt den „Irmato-Ingenieuren“ sehr entgegen, denn jetzt müssen sie nur noch eine 24 V-Einspeisung für die Module und, falls erforderlich, die Druckluft in die Roboterarme verlegen. Für die Signalübertragung hat Irmato zuvor mit Drehdurchführungen gearbeitet, die jedoch häufig nicht stabil genug für diese Art der Anwendung waren. Durch die Drehbewegungen der Roboter bricht bei den abgeschirmten Signalleitungen nach einiger Zeit der Schirm, so dass die Leitungen ausgetauscht werden müssen. Das bringt nicht nur hohe Materialkosten, sondern auch einen beträchtlichen Zeitaufwand mit sich. All dies entfällt durch den Einsatz der SAI-Wireless-Module, die eine zuverlässige Signalübertragung ohne Kabel ermöglichen.

Wasser- und schmutzresistent

Die besondere Anforderung von Irmato war eine Lösung, die nicht nur kabellos funktioniert, sondern zudem sehr robust ist. In einer aktuell realisierten Anwendung legt ein Roboter vier Stahlteile in eine CNC-Bearbeitungsmaschine und entnimmt sie anschließend wieder. Daraufhin trägt er sie zu einer Messmaschine, die kontrolliert, ob die Teile korrekt bearbeitet wurden. Ein anderer Roboter entnimmt die Teile und setzt sie anschließend auf Paletten auf. Per Lasersensor erkennt er die korrekte Lage auf der Palette. Über die Auswerteeinheit an den SAI-Wireless-Modulen werden die Sensordaten an die Steuerung übertragen, so dass jedes Teil ohne Positionsversatz auf der Palette abgelegt werden kann.

Modul ist vor Wasser geschützt

Beim Entnehmen der Teile aus der CNC-Maschine dreht der zuerst tätige Roboter seinen Arm so, dass Wasser über den Greifer fließt. Das Wireless-Modul muss daher sicher gegen Wasser geschützt sein. Darüber hinaus ist in der Anwendungsumgebung auch das Staubaufkommen recht hoch. Die Weidmüller-Module mit Schutzklasse IP67 passen daher optimal zu IRMATOs Wunsch nach einer wasser- und staubresistenten Lösung.

Einfacher Einsatz ohne Programmierung

Auf kompaktestem Raum vereinen die Wireless-Module von Weidmüller die für die Anwendung notwendigen Ein- und Ausgänge, so dass die Roboterarme nicht durch sperrige Module beschwert werden. Das SAI-Wireless-Gateway-Modul lässt sich ohne zusätzliches Engineering in das standardisierte Feldbusnetzwerk integrieren. Eine aufwendige Programmierung mit proprietären Software-Tools ist hierfür nicht notwendig.

Die Verbindung zwischen den Modulen wird automatisch aufgebaut und ist für andere Wireless-Geräte nicht sichtbar. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Verbindung nicht gestört wird. Die Ausgangsleistung und damit die Reichweite kann am Modul individuell eingestellt werden. Mit einer Reaktionszeit von 5 ms bei einem Slave kann die durch Irmato angestrebte Bearbeitungszeit pro Arbeitsgang problemlos realisiert werden. Der Einsatz der SAI-Wireless-Module durch Irmato zeigt, wie einfach und schnell eine kabellose Signalübertragung realisiert wird.

Das Fazit:

Im Maschinen- und Anlagenbau ist eine Kabelanbindung heutzutage nicht immer „State of the Art“. Etwa bei mobilen Applikationen oder dynamischen Installationen gilt es, Daten zu einem bewegten, rotierenden oder mobilen Teilnehmer zu übertragen. Dabei handelt es sich oftmals nur um wenige, dafür aber zeitkritische Steuerungssignale, die zyklisch und deterministisch über geringe Reichweiten, zumeist einige Meter, zuverlässig übertragen werden sollen.

Verschleißfrei per Funk

Eine Kommunikation über Funk arbeitet verschleißfrei - dies senkt Wartungskosten und erhöht die Verfügbarkeit. Allerdings müssen Funktechnologien in der Automatisierung unter industriellen Bedingungen ebenso robust und zuverlässig arbeiten wie eine Kabelverbindung. Bluetooth bietet Maschinen- und Anlagenbauern eine inzwischen ausgereifte, stabile und zuverlässige Technologie. Die SAI-Wireless-Module von Weidmüller haben ihre ersten Einsätze in der industriellen Praxis bereits mit Erfolg gemeistert.

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