07.10.2020

Smarte Sensor/Aktuator-Kommunikation in Verpackungsanlagen

Durchstarten mit ASi-5

Die neue AS-Interface-Generation ASi-5 ist darauf ausgelegt, Maschinen intelligent zu automatisieren und fit für die digitale Fabrik zu machen. Zugleich lassen sich Kosten für die Integration von Sensoren und Aktuatoren signifikant reduzieren. Wie das geht, zeigt das folgende Beispiel einer Verpackungsanlage.


ASi-5 macht Verpackungsmaschinen fit für die smarte Fabrik bei gleichzeitig reduzierten Verdrahtungskosten.
Bild: Bihl+Wiedemann GmbH

Die Grundlage bildet die Verdrahtungstechnik von AS-Interface, die mit der flexiblen Profilkabel-Lösung eine einfache Alternative zum Verlegen von Kabelsträngen bietet. Auch clever konzipierte Gateways und ASi Devices - etwa IO-Link Master und Motormodule mit ASi-5 von Bihl+Wiedemann - bieten große Vorteile. Sie sammeln die Daten von intelligenten Sensoren und Aktuatoren mit IO-Link kostengünstig ein und ermöglichen smarte Sensorfunktionen. Dabei eignen sie sich für jede Topologie. Zudem kann die gleiche Anschlussleitung für Standardsignale und Sicherheitstechnik genutzt werden. Die ASi-5-Module bringen alle Daten einer Maschine über OPC UA bis in die Cloud. Mit diesen Eigenschaften bilden sie die smarte Hard- und Softwarebasis, um individuelle Herausforderungen auf moderne Weise zu lösen.

Beispiel aus der Verpackungstechnik

In einer Verpackungsmaschine werden Getränke-Sixpacks in eine Schutzfolie gehüllt und von einem Roboter auf einer Palette gestapelt. Das gelbe ASi-Profilkabel begleitet die Sixpacks durch alle Maschinenabschnitte: von der Rollenfördertechnik über die PET-Folierstation und den temperaturüberwachten Schrumpftunnel mit der nachfolgenden Kühlstrecke. Danach durch ein Sicherheits-Lichtgitter hindurch zum Palettierroboter. In allen Stationen docken Antriebs- und Automatisierungskomponenten an das Kabel an, um Steuerungsbefehle, Statusmeldungen und weitere Maschinendaten auszutauschen. Die Fördertechnik bildet in den meisten Maschinen das mechanisch verbindende Element zwischen den einzelnen Arbeitsschritten oder Anlagenteilen - so auch in der Verpackungsmaschine für Getränke-Sixpacks. Hier sind zwei verschiedene Antriebskonzepte verbaut: der Rollenförderer im Einlauf transportiert die Flaschengebinde über ein Fördersegment mit Rollenantrieben, z.B. von Interroll, während im Maschinenauslauf bei der Palettierung dezentrale Frequenzumrichter, etwa des Typs Movimot von SEW-Eurodrive, zum Einsatz kommen. Bihl+Wiedemann bietet ASi-5-Motormodule für Rollenantriebe und Getriebemotoren. ASi-Module können die Serie RollerDrive EC5000 von Interroll sowohl in der 24V- als auch in der 48V-Version ansteuern. Das neue Modul BWU4212 bietet - gegenüber der 24V-Ausführung - den Vorteil, die Stromstärke zu halbieren und somit die Verlustleistung um 75 Prozent zu reduzieren. Kurze Lastspitzen können so besser kompensiert werden. Die integrierte Sicherung sorgt für einen effektiven Leitungsschutz. Mit dem BWU4212 ist es zudem möglich, die Geschwindigkeit der Rollen zyklisch zu verändern und so im laufenden Betrieb an den Prozess anzupassen - bei einer Zykluszeit von 1,27ms. In der beschriebenen Verpackungsmaschine wird das mit einem intelligenten IO-Link-Distanzsensor umgesetzt. Das neue ASi-5-Motormodul BWU4068 wird für den Movimot-Getriebemotor mit dezentralem Frequenzumrichter in der Palettierung eingesetzt. Die kurze Zykluszeit von ASi-5 erlaubt es, Rampen und Geschwindigkeit nahezu verzögerungsfrei zyklisch zu schreiben und zu lesen. Zeitgleich können alle SEW-Diagnosedaten und der tatsächlich gemessene Ausgangsstrom als Analogwert zyklisch gelesen werden. Hierfür stehen im Motormodul zusätzlich insgesamt vier digitale Eingänge und zwei digitale Ausgänge zur Verfügung. Mit Blick auf den Verdrahtungsaufwand und die höheren Preise für Profinet-Komponenten können mit ASi-5 so Kostenvorteile von 60 Prozent und mehr erreicht werden.

Integration von IO-Link über ASi-5

Mit ASi-5 halten neben Aktuatoren auch intelligente Sensoren Einzug in Maschinen. Möglich machen dies kurze Zykluszeiten und die hohe Datenbreite des Standards. Damit lassen sich smarte Geräte wie IO-Link Devices und deren Funktionen sinnvoll integrieren. In der beschriebenen Verpackungsanlage kommen im Einlauf - angeschlossen über ASi-5 - zwei solche Devices zum Einsatz. Beim einen handelt es sich um einen optischen Distanzsensor, verdrahtet an einen ASi-5-Modul mit integriertem IO-Link Master. Seine primäre Aufgabe ist es, den Abstand zum nächsten Sixpack zu messen und den Messwert zu übertragen. Ergänzend dazu beurteilt er den Messwert. Bei Abweichungen der Abstandsgrenzwerte kann die Geschwindigkeit des Antriebs so angepasst werden, dass für den Zulauf in den Schrumpfofen wieder die geforderte Distanz eingehalten wird. Das andere IO-Link-Gerät ist eine Signalleuchte, die multifunktional parametriert werden kann. Prozessbezogen können für verschiedene Szenarien Farbe, Blinkmuster und Helligkeit individuell eingerichtet und im laufenden Betrieb aus der Steuerung heraus verändert werden. Eine Füllstandsmeldung für den Zulauf oder die Folierstation sieht dann anders aus als etwa ein Gebindestau im Schrumpfofen. Die Parametrierung muss, wie auch beim Distanzsensor, nicht zwangsläufig über das Automatisierungssystem geschehen, sondern kann auch einfach und intuitiv über die Softwaretools Asimon360 und ASi Control Tools360 von Bihl+Wiedemann erfolgen.

ASi-5/ASi-3-Gateways mit OPC UA

IO-Link Devices sind in der Lage, Zusatzinformationen über sich selbst, das Einsatzumfeld oder laufende Prozesse zu sammeln und zu übertragen. Sehr beliebt in Verpackungsmaschinen sind etwa eine selbstständige Meldung über Verschmutzung der Optik oder die Überwachung von Signalqualität und Stabilität der Schaltschwelle. Hinzu kommen das eigenständige Zählen und Klassifizieren von Objekten, das Erfassen von Betriebsstunden und Stromaufnahme sowie andere Zusatzfunktionen. Viele Informationen sind nicht direkt prozessrelevant. Bei anderen - wie der Temperatur über die Zeit - reicht es aus, sie in längeren Zeitintervallen zu übertragen, weil sie sich kurzfristig nicht ändern. Das nun alles über einen Feldbus und durch ein Automatisierungssystem hindurch auf der MES-, ERP- oder Cloud-Ebene bereitzustellen, würde die Kommunikationslast erhöhen und Rechenressourcen in der Steuerung binden. Daher hat Bihl+Wiedemann seine ASi-5/ASi-3-Feldbus-Gateways von vorneherein mit einer OPC-UA-Schnittstelle ausgerüstet. Ergänzend dazu besteht die Option, Informationen auf einem HMI zu visualisieren. Im konkreten Beispiel der Verpackungsmaschine kommt ein sicherheitszertifiziertes Gateway zum Einsatz, installiert im Schaltschrank am Schrumpfofen zusammen mit Pt100-Sensoren und einem ASi-Safety-Analogeingangsmodul vom Typ BWU2692. Es überwacht die Temperatur im Schrumpfofen und sorgt so dafür, dass der Folierungsprozess der Getränke- Sixpacks sich immer im vorgegebenen Temperaturbereich bewegt.

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Safety als Bestandteil von ASi-5

Auch die sicherheitsgerichtete Automatisierung kann die Vorteile von ASi-5 nutzen und große Datenmengen, wie sie etwa von Sicherheits-Laserscannern bereitgestellt werden, mit hoher Geschwindigkeit übertragen. Bis die ersten ASi-5-Safety-Geräte verfügbar sein werden, wird es zwar noch etwas dauern, aber mit ASi Safety at Work steht ein bewährtes Sicherheitssystem auch mit ASi-5 weiterhin zur Verfügung. Im Schaltschrank des Schrumpfofens ist daher ein ASi-5/ASi-3 Profisafe über Profinet Gateway mit integriertem Sicherheitsmonitor (BWU3862) installiert. Daran angeschlossen sind neben den ASi-Motormodulen und den ASi-5-Modulen mit integriertem IO-Link Master auch die Nothalt-Tastermodule der Förderstecke im Maschineneinlauf, die sichere Türzuhaltung am Schrumpfofen und das Sicherheits-Lichtgitter beim Zugang in den umzäunten Arbeitsbereich des Roboters.

Sichere Temperaturüberwachung mit ASi-5

Ebenfalls angeschlossen ist das ASi-Safety-Analogeingangsmodul BWU2692. Es überwacht in der Verpackungsmaschine die Temperatur und stellt damit sicher, dass sich die Folie beim Erwärmen um die Flaschen legt, diese dabei aber nicht beschädigt werden. Für Applikationen wie Wärmebehandlungsöfen und -anlagen, bei denen ebenfalls hohe Anforderungen an eine sichere Temperaturüberwachung gestellt werden, hat Bihl+Wiedemann gemeinsam mit einem Partner ein sicheres Thermoelementmodul entwickelt. Der Fokus lag dabei auf der softwareseitig einfachen und flexiblen Bedienbarkeit. So können mit der Konfigurationssoftware Asimon360 Thermoelemente unterschiedlicher Typen ausgewählt werden. Zudem lassen sich bis zu acht Temperaturbereiche und Schaltschwellen einstellen. Bei Bedarf kann das Thermoelementmodul über die Software kalibriert werden. Das ASi-Safety-Eingangsmodul löst somit die anwendungs-, mess- sowie auswertetechnischen Aufgaben und erfüllt gleichzeitig mit SIL3/PLe auch die Vorgaben der EN746-2/5.7.2.

Ende der Verpackungsreise

Mit dem Stapeln auf der Palette endet die Reise der Getränke-Sixpacks durch die Verpackungsmaschine. Die durchgängige Ausrüstung mit ASi-5 zeigt, welche Leistung in dem neuen Feldbusstandard steckt. Gleichzeitig ist ASi-5 vollständig kompatibel mit allen ASi-Generationen und kommuniziert mit ASi-3 im gleichen Netzwerk. Anwender können so ihre bisherigen Lösungen um moderne Kommunikationsfunktionen erweitern. Beide Standards haben bis auf weiteres auch ihre Berechtigung zur Koexistenz: ASi-3 gerade in einfacheren Anwendungen aus Kostengründen, ASi-5 durch das Zusammenspiel mit IO-Link und aufgrund seiner Performance in der digitalen Welt.

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