Mit IO-Link Einsparpotenziale bei Hochleistungs-Drückmaschine heben
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Bild 1. Mit IO-Link konnte Leifeld an der Hochleistungs-Drückmaschine PNC 206 Kosteneinsparpotenziale mobilisieren
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Bild 2. Mit der Drückmaschine lassen sich beliebige Hohlkör¬per, wie Reflektoren, Behälterböden, Lüfterteile usw., mit engen Toleranzen und besten Oberflächen herstellen
Der herstellerübergreifende Kommunikationsstandard IO-Link steht für zeit- und kostensparende Installationsprozesse sowie für transparente und effiziente Betriebskonzepte. Dies haben auch die Konstrukteure der Leifeld Metal Spinning GmbH erkannt, als sie die Hochleistungs-Drückmaschine PNC 206 mit IO-Link ausgerüstet haben und dadurch Kosteneinsparpotenziale heben konnten. Der Sensorikspezialist und Networking-Anbieter Balluff lieferte neben den IO-Link- und Profibus-Komponenten auch viele der verbauten Sensoren.
Im Bereich der Installationstechnik schlummern im Maschinenbau immer noch umfangreiche Möglichkeiten zur Kostensenkung bei gleichzeitiger Produktivitätssteigerung. So sind Sensoren und Aktoren nach wie vor über eine Vielzahl ein-, mehradriger, geschirmter sowie ungeschirmter Leitungen, Reihenklemmen, Steckverbinder, Anschaltbaugruppen, Gateways und IO-Baugruppen mit der E/A-Ebene verbunden. Damit einher geht ein hoher Aufwand unter anderem für die Elektromontage und die Inbetriebnahme.
„Mit IO-Link verringert sich der Verkabelungsaufwand drastisch, was sich nicht nur in einer deutlichen Ersparnis bei den Materialkosten, sondern auch bei den Arbeitskosten niederschlägt“, schildert Benedikt Nillies, Leiter Konstruktion und Entwicklung bei Leifeld, seine Erfahrungen mit der feldbusunabhängigen Schnittstelle IO-Link. Der Maschinenbauer nutzt die Schnittstelle, um sowohl IO-Link-fähige Sensoren als auch eine große Anzahl nicht IO-Link-fähiger Sensoren kostengünstig an die Maschinensteuerung anzubinden.
Im Kern handelt es sich bei IO-Link um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die den Datenengpass zwischen Bus- und Feldebene beseitigt. Dieser Engpass tritt in der Regel dann auf, wenn neben dem eigentlichen Prozesssignal auch Parameter-, Diagnose- und Statusdaten übertragen werden. IO-Link bietet hier den Vorteil der einfach steckbaren Dreidrahtleitung zwischen IO-Link-Master und IO-Link-Device, unabhängig von dessen Komplexität. Mehrad¬rige Sonder- und Spezialleitungen sowie die diversen Schnittstellen sind somit hinfällig. Auch die Anschaltboxen im Feld oder die Einsteckkarten in der Steu¬erung entfallen.
Die Hochleistungs-Drückmaschinen
Das Unternehmen Leifeld mit Sitz im westfälischen Ahlen ist auf die Entwicklung und Fertigung von Werkzeugmaschinen zur spanlosen Metallumformung spezialisiert. Über 6 000 solcher Maschinen hat das Unternehmen in den vergangenen 100 Jahren verkauft. Einer der Hauptumsatzträger des Maschinenbauers sind CNC-gesteuerte Hochleistungs-Drückmaschinen der Baureihe PNC, die unter anderem im Maschinenbau, bei Haushaltswaren-, Behälterböden- und Lampenherstellern, der chemischen Industrie sowie Unternehmen aus dem Luft- und Raumfahrtbereich eingesetzt werden.
Die Hochleistungs-Drückmaschine PNC 206 (Bild 1) ist kompakt gebaut und verfügt neben einer kombinierten PNC/CNC-Steuerung über einen Sechsfach-Werkzeugrevolver. Dank ihrer massiven Bauweise arbeitet die Maschine besonders vibrationsfrei. Dadurch lassen sich beliebige, dünnwandige Werkstücke bei hohen Umformgeschwindigkeiten in guter Qualität herstellen. Die Bedienung ist praxisgerecht und schnell erlernbar. So lässt sich mit der Playback-Steuerung (PNC) der Drückprozess für jedes neue Werkstück individuell auch ohne CNC-Kenntnisse per Joystick und Potentiometer programmieren.
Ein typischer Fertigungsablauf für einen Behälterboden beispielsweise sieht dann folgendermaßen aus: Der Werker spannt einen kreisförmigen Blechzuschnitt, die „Ronde,“ vor die Stirnseite eines Drückfutters, dessen Geometrie exakt der Innenform des zukünftigen Werkstücks entspricht. Die Hauptspindel der Drückmaschine versetzt die Ronde in Rotation und die eigentliche Umformung der Ronde zum Bauteil erfolgt dann in mehreren Stufen. Dabei wirken gesteuerte Druckkräfte so auf ein Werkzeug, in diesem Fall eine Drückrolle, dass das Material Schritt für Schritt von der Mitte der Ronde zum Rand und wieder zurück bewegt wird. Durch das Fortschreiten dieser Bewegung in axialer Richtung nähert sich die Ronde nach und nach der Geometrie des Futters an. Ein abschließender Glättüberlauf sorgt anschließend noch für die erwünschte Oberflächen-qualität. Das Resultat sind beliebige Hohlköper, wie Reflektoren, Behälterböden, Musikinstrumente und Lüfterteile, auch mit komplizierter bzw. komplexer Geometrie, mit engen Toleranzen und besten Oberflächen (Bild 2).
IO-Link-Systemkomponenten
Kernstück der PNC 206 Maschineninstallation sind Profibus-IO-Link-Master. Sie machen die IO-Link-fähigen Baugruppen für die Steuerungsebene verfügbar. Zudem sind sie mit jeweils vier IO-Link-Anschlüssen ausgestattet. Der gesamte Datenaustausch zwischen Master und Sensor/Aktuator wird über eine steckbare dreiadrige Standardleitung abgewickelt. Zusatzleitungen, geschirmte Sonderleitungen und unterschiedliche Typen von Anschaltboxen entfallen. Dadurch minimiert sich der Verkabelungsaufwand.
Gerade bei mehrkanaligen binären Geräten, wie Reihengrenztaster mit mehreren Schaltstellen, wie sie an der Leifeld-Drückmaschine unter anderem am Ronde-Gegenhalter zur Festlegung der Endlagen eingesetzt werden, schlägt sich deren interne Komplexität (Anzahl der Schaltstellen, evtl. zusätzliches Analogsignal) nicht im Installationsaufwand nieder. Waren bisher je nach Anzahl der Schaltstellen unterschiedliche Belegungspläne zu beachten, standardisiert IO-Link nun die Verbindung dieser Geräte auf immer dieselbe Art und Weise. Es genügt die dreiadrige Standard-Sensorleitung. Die Geräte müssen nun zum Anschluss nicht mehr geöffnet werden. Die Geräteschutzart, zum Beispiel IP67, ist werkseitig garantiert und muss nicht erst im Feld durch Kabelverbindungen, Dichtungen oder Ähnliches sichergestellt werden (Bild 3).
Anbindung an Sensorhubs
Der neue Kommunikationsstandard ist darüber hinaus abwärtskompatibel zu sämtlichen Standardsensoren und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen. Das vereinfacht den gesamten Installa¬tionsprozess, weil die Verkabelung schneller durchgeführt werden kann. Zudem werden Materialkosten eingespart.
An den Stellen, an denen bislang in einer Anlage durch die Parallelverdrahtung konventioneller binärer Sensoren Kabelbäume entstanden sind, reicht heute unter IO-Link für die Signalübertragung eine einfache dreiadrige ungeschirmte Sensor-/Aktorleitung aus. Passend dazu bietet Balluff M8- oder M12-Sensorhubs an (Bild 4). Diese sammeln in der Anlage die Signale der einfach schaltenden Sensoren, zum Beispiel induktive Näherungsschalter, ein und bündeln je nach Variante acht oder 16 Eingänge steckfertig auf einen IO-Link-Anschluss, um sie dann per IO-Link-Master über Profibus an die Maschinensteuerung weiterzuleiten (Bild 5). Damit sinkt auch das Fehlerrisiko.
Weitere Möglichkeiten bei Parametrierung und Diagnose
Der nächste logische Schritt bei Leifeld wären parametrierbare und diagnosefähige IO-Link-fähige Aktoren und Sensoren. Diese würden dem Maschinenbauer erneute Rationalisierungspoten-ziale eröffnen. So gibt es heute eine Vielzahl intelligenter Aktoren und Sensoren, die mit nützlichen Zusatzfunktionen ausgestattet sind. Mit ihnen lässt sich am Ort des Geschehens mehr als nur das eigentliche Schaltsignal erfassen. Zudem ist somit beispielsweise ein Condition Monitoring der angeschlossenen Sensoren/Aktoren durchführbar.
IO-Link eröffnet ohne proprietäre Schnittstellen den Zugriff auf die Prozess- und Feldgeräte. Musste man früher bei einer Störung Quelle und Ursache recherchieren, erlauben moderne Diagnose-Tools – bei entsprechender Berücksichtigung in der Steuerung – jetzt den direkten Blick zu jedem Aktuator und Sensor. Und auch die Parametrierung bei einem Sensor- oder Aktortausch, zum Beispiel im Servicefall, erfolgt mit parametrierbaren IO-Link-Sensoren zügig. Der Anwender lädt dazu die zentral hinterlegten Parameterdaten per Funktionsbaustein in das entsprechende Feldgerät, was sich ebenfalls automatisieren lässt. Und auch im praktischen Betrieb ließe sich dann bei einem Format- oder Rezepturwechsel mit IO-Link Zeit sparen. So könnte man die Adaption auf unterschiedliche Werkstücke „on the fly“ durchführen, wodurch Rüst- und Einstellzeiten auf ein Minimum reduziert würden.
Fazit
Mit IO-Link spart man nicht nur bei den Gestehungs- und Folgekosten. Die Vorteile erstrecken sich über den gesamten Maschinen-Lifecycle, also bei Planung, Fertigung, Montage, Inbetriebnahme, während des laufenden Betriebs sowie bei Service und Wartung. Außerdem profitiert der Kunde langfristig von einer höheren Maschinenverfügbarkeit.
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Bild 3. Unter IO-Link genügt zum Anschluss mehrkanaliger binärer Geräte, wie IO-Link-Reihengrenztaster, mit mehreren Schaltstellen eine dreiadrige Standardleitung. Die Geräte müssen nun zum Anschluss nicht mehr geöffnet werden. Somit ist die Geräteschutzart werkseitig garantiert und muss nicht erst im Feld durch Dichtungen oder Ähnli¬ches sichergestellt werden
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Bild 4. Sensorhubs von Balluff sammeln in der Anlage die Signale der einfach schalten¬den Sensoren und bündeln je nach Variante acht oder 16 Ausgänge steckfertig auf einen IO-Link-Anschluss
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Bild 5. Kernstück der Installation sind Balluff-IO-Link-Master für Profibus. Sie machen die IO-Link-fähigen Devices für die Steuerungsebene verfügbar
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Autor: Dr. Detlef Zienert ist zuständig für Public Relations, Media Communication und Marketing Services bei der Balluff GmbH in Neuhausen.
