Mechatronisch planen

Engineering - Mehr Funktionalität, Produktivität und Verfügbarkeit sind gefordert. Funktionsabläufe müssen erneut auf den Prüfstand. Im Maschinenbau wird wirtschaftliche Feldinstallation für mechatronische Konzepte immer wichtiger - nicht nur für große Serien.

31. Mai 2006

Auf den ersten Blick scheint sich nur der Serienmaschinenbau, der eine hohe Stückzahl nahezu identischer Maschinen fertigt, für eine genauere Betrachtung des Konstruktions-, Ablauf- und Durch­führungskonzepts anzubieten. Die Grundprobleme - wie hohe Redundanz in der Mechanik- und Elektrokonstruktion oder Konkurrenz der mechanischen und elektrischen Installation vor der Auslieferung - existieren allerdings auch bei kleinen Maschinenserien oder Einzelanfertigungen. Die folgenden Überlegungen sind daher auf beliebige Maschinenkonzepte übertragbar.

Gehen konventionelle Konzepte von der separaten Konstruktion der Mechanik, dem nachfolgenden Einbau der Steuerungstechnik und der Peripherie-Elemente sowie von der abschließenden Programmierung des Gesamtsystems aus, stellt der mechatronische Ansatz eine funktionsorientierte Betrachtung in den Vordergrund: Maschinen werden in wieder verwendbare Einheiten aufgelöst. Die Einheiten werden funktional in Mechanik, Elektronik und Software modelliert, aufgebaut und getestet sowie der Maschinenkonstruktion mit einer detaillierten Dokumentation übergeben. Die Herausforderung dabei ist ein I/O-System, das die beschriebene Arbeitsweise hinsichtlich der elektrischen Funktionalität unterstützt. Ein solches System muss außerdem unter schwierigen Einbaubedingungen einfach handhabbar sowie gegenüber rauen Umwelteinflüssen resistent sein.

Als einer der Marktführer im Bereich dezentraler I/O-Systeme und Anschlusstechnik stellt Phoenix Contact die Produktlinie Fieldline in Schutzart IP 65/67 für diesen Einsatzbereich zur Verfügung. Das Fieldline-System besteht aus Stand-Alone-Geräten, die einen Busknoten mit binärer I/O-Funktionalität kombinieren und bei einer geringen Häufung von E/A-Punkten verwendet werden. Erweitert wird die Produktlinie durch das Fieldline-Modular-System, das immer dann eingesetzt wird, wenn die Performance nachrichtenorientierter Feldbussysteme durch ein hohes I/O-Aufkommen negativ beeinflusst wird oder der Grad der Funktionalität die Möglichkeit einfacher I/O-Module übersteigt.

In Ethernet-basierten Systemen ist die Implementierung des Ethernet-Knotens in einen Buskoppler mit unterlagertem Lokalbus ebenfalls sinnvoll.

Umfassendes Feldinstallations-System

Damit wird das Netzwerk-Engineering vereinfacht, die Performance wird erhöht und die Kosten werden gesenkt. Für mechatronische Konzepte bieten sich Fieldline-Modular-I/O-Geräte in M8-Anschlusstechnik an. Da die Baubreite der Module nur 30 mm beträgt, können sie auf Aluminium-Montageprofile montiert werden. Die axiale Befestigung mit zwei M4-Schrauben ermöglicht die Installation ohne zusätzliche Adapterplatten oder Winkelprofile. Das spart Kosten und Zeit beim Aufbau der Maschine. Die FE-Anbindung erfolgt durch eine integrierte metallische Befestigungsschiene. So werden elektromagnetische Störungen optimal abgeleitet, und die im Gerät anfallende Wärme wird zielgerichtet an das Maschinengestell abgegeben. Die Lebenserwartung der I/O-Geräte sowie die Anlagenverfügbarkeit wird dadurch erhöht.

Die Fieldline-Modular-M8-Module verfügen über einen hybriden Busanschluss, der die Kommunikation sowie die Versorgung der Logik und Sensorik sicherstellt. Die Kopplung an Netzwerke wie Interbus, Profibus oder Profinet lässt sich auf zwei Arten realisieren:

? durch eine Abgangsscheibe aus dem In­line-Installationssystem, das die transparente Integration von I/O-Geräten in Schutzart IP 65/67 ohne Gateway in ein System in Schutzart IP 20 erlaubt

? durch direkte Anbindung der Feldgeräte an einen Buskoppler in Schutzart IP 65/67.

Der Markt für I/O-Systeme in Schutzart IP 65/67 wächst stetig. Nach anfänglichen Überlegungen, die Schaltschränke vollständig durch Feldgeräte zu ersetzen, hat sich mittlerweile eine Koexistenz von Systemen in den Schutzarten IP 20 und IP 65/67 eta­bliert. Entscheidend ist, dass die Systeme durchgängig in die verschiedenen Feldbussysteme eingebunden werden können und dabei ein identisches ›Look & Feel‹ in puncto Systemaufbau und Diagnosemeldungen bieten. Der Phoenix Contact I/O-Lokalbus wird sowohl im Inline- als auch im Fieldline-System mit den Anschlusstechniken M12 und M8 eingesetzt. Daher verringern sich die Schulungskosten der Maschinenbetreiber, denn das gesamte System kann in Bezug auf Diagnose, Funktionalität und Handhabung einheitlich dargestellt werden.

Bei der Anbindung der IP 65/67- an die IP 20-Stationen lassen sich bei kleinen Maschinen erhebliche Kosten einsparen. In jeder Maschine sind Komponenten installiert, die nicht in Schutzart IP 65/67 ausgeführt sind - beispielsweise die Steuerung oder die Spannungsversorgung. In den für sie vorgesehenen Schaltkästen befindet sich meist auch eine Station zur Erfassung lokaler I/O-Signale. Da die Klemme, die zur Ankopplung der Inline-I/O-Station an das jeweilige Feldbussystem benötigt wird, auch zur transparenten Integration der Fieldline-Module genutzt werden kann, zahlt sich die Investition doppelt aus. Aus Sicht des Engineering sind Konfiguration, Diagnose und I/O-Abbild der Inline- und der Fieldline-Geräte gleich. In herkömmlichen Installationen muss zur Einbindung der Feldgeräte in das Netzwerk ein separater Buskoppler verwendet werden, so dass sich die Kosten gegenüber der beschriebenen Lösung um rund 20 Prozent erhöhen.

Werden in Installationen mit durchgängig hoher Schutzart Fieldline-Buskoppler eingesetzt, bleiben alle Systemvorteile erhalten:

- ortsgenaue Diagnose des Lokalbus-Zustands

- An- und Abkoppeln von Teilen des I/O-Netzes durch dynamische Konfiguration

- zeitäquidistante Abtastung der I/O-Signale

- einfache Konfiguration der Station durch klare Gerätebeschreibungen.

Der Konstrukteur kann also je nach Applikation wählen, welcher Anteil der Installa­tion im Schaltschrank in Schutzart IP 20 ausgeführt wird und welcher in hoher Schutzart direkt im Feld.

Steckverbinder für platzsparende Leitungsführung

Der hybride Lokalbus der Fieldline-Modular-M8-Module erlaubt die Ankopplung von bis zu 16 I/O-Geräten, wobei eine Gesamtausdehnung von 40 m möglich ist. Aufgrund der Randparameter können digitale Eingabemodule mit nur einer ankommenden und einer abgehenden Leitung vernetzt und mit Spannung versorgt werden. Da in der Maschine nur wenige Aktoren vorhanden sind, lassen sich so Kosten bei gleichzeitiger sinnvoller Energieverteilung im Feld einsparen. Aktor-Module werden über eine getrennte Leitung versorgt, um eine hohe Anlagensicherheit zu erzielen sowie das Schalten von Aktor-Gruppen zu ermöglichen.

Durch den konsequenten Einsatz der M8-Anschlusstechnik für Vernetzung, Spannungsversorgung und I/O-Anschluss wird der vorhandene Raum optimal ausgenutzt. Die intelligente Anordnung der Steckverbinder sorgt für eine platzsparende Leitungsführung, während die integrierte M4-Montagemöglichkeit die Installation der Fieldline-Modular-M8-Geräte direkt im Prozess begünstigt. Das Installationskonzept wird durch konfigurierbare Module unterstützt, die sich dem anfallenden I/O-Bedarf durch zusätzliche Ein- und Ausgänge sowie durch einfache Auswahl der Prozessdaten-Richtung anpassen.

Christian Gemke, Phoenix Contact

Erschienen in Ausgabe: 04/2006