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Instandhaltung Wie ein Diagnosebus für weniger Ausfälle bei Maschinen sorgt

| Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Reaktive Instandhaltung war gestern. Im Zeitalter von Industrie 4.0 setzen mehr und mehr Unternehmen auf Condition Monitoring und Predictive Maintenance. Die Schmersal Gruppe hat eine Sicherheitslösung entwickelt, die diese Ansätze unterstützt.

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Sicherheitslösung für komplexe Anlagen: Der SD-Bus von Schmersal ermöglicht die Reihenschaltung von bis zu 31 unterschiedlichen Sicherheitsschaltgeräten und die Übermittlung umfangreicher Diagnosedaten.
Sicherheitslösung für komplexe Anlagen: Der SD-Bus von Schmersal ermöglicht die Reihenschaltung von bis zu 31 unterschiedlichen Sicherheitsschaltgeräten und die Übermittlung umfangreicher Diagnosedaten.
(Bild: Schmersal)

Zentrales Ziel in vielen Unternehmen ist es, das Risiko eines Maschinenausfalls zu vermeiden und insgesamt die Maschinenverfügbarkeit zu erhöhen. Zudem sollen Instandhaltungsaufwendungen reduziert werden, beispielsweise indem die Abnutzungsreserve maximal ausgenutzt wird. Daher werden zunehmend Verfahren wie Condition Monitoring und Predictive Maintenance eingesetzt. Voraussetzung dafür ist, dass Sensoren – möglichst in Echtzeit – Daten zum Status einer Maschine oder Anlage übermitteln und dadurch eine permanente Zustandsüberwachung ermöglichen. Das gestattet ein präventives Eingreifen. Wahrscheinliche Fehler sind frühzeitig erkennbar und Wartungsintervalle lassen sich so optimieren.

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Dieses Konzept unterstützen viele Sicherheitskomponenten von Schmersal, indem sie – als Teil einer Sicherheitsfunktion – auch noch „Datenlieferanten“ sind. Mit dem SD-Bus hat das Unternehmen ein System entwickelt, mit dem sich umfangreiche Diagnosedaten effizient an eine übergeordnete Steuerung übermitteln lassen.

Bei elektronischen Sicherheitssensoren und Sicherheitszuhaltungen erlaubt die eingebaute Elektronik eine umfangreiche Diagnose des jeweiligen Betriebszustandes. Der Betriebszustand wird immer über die am Gerät befindlichen gut sichtbaren Diagnose-LEDs dargestellt. Zusätzlich wird er über einen Diagnoseanschluss mitgeteilt.

Hier stehen zwei Möglichkeiten zur Auswahl: der konventionelle Diagnoseausgang oder der serielle Diagnosebus (SD-Bus). Sicherheitssensoren und -zuhaltungen mit SD-Bus verfügen anstelle des Diagnoseausgangs über einen Ein- und Ausgang. Werden diese SD-Geräte in Reihe hintereinandergeschaltet, werden neben den Sicherheitskanälen auch die Ein- und Ausgänge des SD-Busses in Reihe geschaltet. Die damit entstandene „Sammelleitung“ für die nicht-sicheren Diagnoseinformationen wird auf ein SD-Bus-Gateway geführt, welches diese Informationen über einen Standard-Feldbus an eine übergeordnete Steuerung weiterleitet. Eine solche Reihenschaltung ist für bis zu 31 Sicherheitsschaltgeräte möglich. So lassen sich mithilfe des SD-Interface gemischte Aufbauten von Zuhaltungen und Sensoren in einer Sicherheitsfunktion einfach im Feld realisieren.

Zusätzlich zu den umfangreichen Diagnose- und Statusinformationen können die Sicherheitszuhaltungen über das SD-Interface gesperrt bzw. entsperrt werden. Durch den Einsatz der seriellen Diagnose lassen sich für jedes Gerät ein digitaler Eingang (Diagnose) und Ausgang (Signal zum Sperren) an der SPS einsparen. Als Kommunikationsschnittstelle zur Steuerung stehen alle gängigen Feldbusprotokolle wie Profinet, Profibus, Ethernet/IP, Ethercat und Modbus TCP zur Verfügung.

Unterschiedliche Auswertemöglichkeiten

Beim SD-Bus sind verschiedene Auswertesysteme möglich:

Bei der Variante 1 wird zur Auswertung der seriellen Diagnoseleitung entweder das Profibus-Gateway SD-I-DP-V0-2 oder das SD-Universal-Gateway eingesetzt. Letzteres ist für unterschiedliche Steuerungssysteme mit ihren herstellerspezifischen Feldbussen verwendbar. Beide Gateways werden als Slave in ein vorhandenes Feldbussystem eingebunden. Die Diagnosesignale lassen sich auf diese Weise mit einer SPS auswerten und die sicherheitsgerichteten Signale über einen Sicherheitsrelaisbaustein oder eine Sicherheitssteuerung.

Bei Variante 2 wird zur Auswertung die Sicherheitssteuerung PSC1 von Schmersal eingesetzt: Alle Geräte der Baureihe Protect PSC1 verfügen in der Ausführung mit integriertem Feldbus auch über einen SD-Bus Anschluss (SD-Bus-Master).

Drei verschiedene Verdrahtungskonzepte

Darüber hinaus gibt es drei einfache und fehlersichere Verdrahtungsvarianten:

Bei Verdrahtungsvariante 1 wird die oben beschriebene Reihenschaltung der Sicherheitssignale und der SD-Bus Aus- bzw. Eingänge der Sicherheitssensoren- und Zuhaltungen einfach über Y-Adapter und Standard-M12-Leitungen (Plug & Play) realisiert.

Bei Verdrahtungsvariante 2 werden die Signale der über M12-Leitungen angeschlossenen Sicherheitssensoren und -Zuhaltungen in der passiven Fieldbox PFB-SD zusammengeführt – eine Plug & Play-Lösung in IP67-Ausführung, die sich für viele Einsatzbereiche eignet.

Bei Verdrahtungsvariante 3 wird das passive Verteilermodul PDM-SD eingesetzt. Es ist kompakt, lässt sich somit einfach in vorhandene Klemmkästen montieren und eignet sich dadurch besonders für die Hygieneanforderungen bei Food- und Verpackungsmaschinen.

Die Weiterleitung und Auswertung der Sicherheits- bzw. der Diagnoseinformationen aller drei Varianten erfolgt wie bereits beschrieben. Bei allen drei Verdrahtungsvarianten sind die über das SD-Inter- face übermittelten Diagnosesignale der Sicherheitsschaltgeräte einzeln auswertbar und die Zuhaltungen einzeln ansteuerbar. Die Verdrahtung von SD-Systemen erfolgt über handelsübliche 8-adrige Leitungen mit einem Leitungsquerschnitt von 8 x 0,23 mm² (UL-Leitung) und ein- oder beidseitigen M12-Steckverbindern. Die Spannungsversorgung der Gerätekette erfolgt bei Y-Adaptern über zwei Adern, also mit 0,46 mm². Bei der PFB-SD und dem PDM-SD erfolgt die Spannungsversorgung mit 1,5 mm².

Anwendertreff Maschinensicherheit

Die Maschinensicherheit ist ein wichtiges Thema: Die richtigen Normen müssen berücksichtigt und die Anforderungen der Maschinenrichtlinie müssen eingehalten werden. Der Anwendertreff Mascinensicherheit unterstützt Entwickler und Konstrukteure, die funktionale Sicherheit von Maschinen und Anlagen zu gewährleisten.

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Umfangreiche Diagnoseinformationen

Die Sicherheitssensoren können neben der Standarddiagnosefunktion „Sicherheitseinrichtung betätigt oder nicht betätigt“ weitere Informationen übermitteln wie beispielsweise „Betätiger im Grenzbereich“, Fehlermeldungen wie etwa Querschluss, Übertemperatur, falscher oder defekter Betätiger, nicht gültige Kombination von Betätigern usw.

Bei nicht sicherheitskritischen Fehlern erlauben Fehlerwarnungen das kontrollierte Beenden eines Prozesses. Erfolgt keine Beendigung des Prozesses innerhalb von 30 Minuten oder ist der Fehler sicherheitsrelevant, werden die Sicherheitsausgänge augenblicklich abgeschaltet.

Durch diese Lösung ist es z. B. möglich, Schaltspiele von SD-Bus-Geräten mit elektromechanischen Komponenten zu zählen und diese erst bei Erreichen ihrer maximalen Schaltspielzahl auszutauschen und damit ihre Abnutzungsreserve bestmöglich auszunutzen.

Schlanke Verdrahtung durch Reihenschaltung

Der Einsatz des SD-Bus ist insbesondere dann sinnvoll, wenn Maschinen mit vielen Schutztüren oder Klappen ausgerüstet sind, beispielsweise Abfüllmaschinen, bei denen die Schutztüren jeweils Zugang zu den Arbeitsstationen (Zuführen, Abfüllen, Verschließen, Etikettieren etc.) ermöglichen. Wird dabei eine Reihenschaltung der Sensoren und Zuhaltungen mit SD-Bus realisiert – anwendbar für bis zu 31 Sicherheitsschaltgeräte –, dann muss nur ein Kabelstrang durch die ganze Maschine geführt werden. Das ermöglicht eine schlanke Verdrahtung und spart Kosten. Die Reihenschaltung der Sensoren bedeutet in diesem Fall keinen Verlust des Performance Levels (für Anwendung bis PL e geeignet). Es können aber auch Gruppen für unterschiedliche Sicherheitsfunktionen – unabhängige Sicherheitskreise – gebildet werden, die gemeinsam über den SD-Bus kommunizieren.

Auch das Bedienfeld BDF 200 von Schmersal verfügt jetzt über ein SD-Interface. Durch die Kombination des Bedienfeldes mit der Türzuhaltung AZM201 lassen sich effiziente Sicherheitslösungen beispielsweise für großräumige, umzäunte Produktionsanlagen mit vielen Zugängen (Türen), wie man sie etwa in der Automobilindustrie findet, realisieren.

Der Vorteil der SD-Bus-Lösung liegt jedoch nicht nur in einem stark reduzierten Verkabelungsaufwand, sondern vor allem auch in der Übermittlung nutzbringender Informationen über jeden beteiligten Sensor und in der gezielten Ansteuerung der Sperr/Entsperrfunktionen einzelner Zuhaltungen aus der angeschlossenen SPS heraus. Die Stillstandszeit der Maschine lässt sich durch diese Funktionen deutlich reduzieren und die Produktivität der Maschinen erheblich steigern.

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