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01 Die Karosseriebaulinie, auf der der neue Audi A3 der dritten Modellgeneration am Standort Ingolstadt gefertigt wird, basiert auf moderner Sicherheitstechnik

Sicherheitstechnik in einer Karosseriebaulinie

02 Die leistungsfähige Sicherheitssteuerung RFC 470S PN 3TX setzt sich aus einer gemäß IEC 61131-3 programmierbaren Standard-SPS und einer zweikanaligen, bis SIL3 zugelassenen Safety-Steuerung zusammen

03 Steuerungs- und Sicherheitstechnik von Phoenix Contact findet sich im gesamten Karosseriebau des neuen Audi A3 in Ingolstadt

04 Der flexible Aufbau von dezentralen Profinet-IO-Stationen für Standard- und Sicherheitssignale spart Verdrahtungsaufwand in der Anlage

05 Mit dem sicheren Profinet-Gateway lässt sich eine durchgängige und sichere IO-Kommunikation über Netzwerkgrenzen umsetzen

Die Karosseriebaulinie, auf der der neue Audi A3 der dritten Modellgeneration am Standort Ingolstadt gefertigt wird, basiert auf moderner Sicherheitstechnik. Die sicherheitsgerichteten Daten werden entweder direkt von den Profinet-Teilnehmern oder über Profisafe-IO-Module an die Anlagensteuerung mit integrierter Safety-SPS weitergeleitet und dort verarbeitet. Profisafe-Gateways koppeln die Steuerungen der einzelnen Sicherheitsbereiche dann miteinander (Bild 1).

Am 24. August 2012 wurde das Modell 8V des neuen Audi A3 in den Markt eingeführt. Sowohl technisch als auch in puncto Sicherheit und Design erweist sich der Pkw als konsequente Weiterentwicklung des Vorgängermodells, wobei 80 kg Gewicht eingespart wird. Der technische Fortschritt bezieht sich jedoch nicht nur auf das Auto, sondern auch auf die im Karosseriebau installierte Steuerungstechnik, die ebenfalls optimiert und sicherheitstechnisch in die Programmierumgebung und das Netzwerk eingebunden worden ist.

Kommunikation via Profinet und Profisafe
Zur Produktion des Audi A3 der zweiten Modellgeneration kam Interbus als Bussystem zum Einsatz, während die Sicherheitstechnik mit konventionellen Sicherheitsrelais realisiert war. Im Karosseriebau des neuen Audi A3 hat Profinet IO das Interbus-System in der Anlagentechnik abgelöst. Die bewährte störungssichere Lichtwellenleiter- Verkabelung in der Nähe von Schweißanlagen sowie die permanente optische Diagnose aller Lichtwellenleiter wurden allerdings auch bei der Profinet-IO-Lösung beibehalten. Die Verdrahtung innerhalb der Schaltschränke erfolgt mit kupferbasierten Ethernet-Leitungen. Modulare Gigabit-Switches von Phoenix Contact ermöglichen diesen Mix aus Lichtwellenleitern und Kupferkabeln, sodass preiswerte Netzwerkkomponenten verwendet werden können. Da Profinet höhere Datenraten aufweist, gerätespezifisch einstellbare Update-Raten erlaubt sowie einen integrierten TCP/IP-Kommunikationskanal zu sämtlichen Feldgeräten, eine größere Gerätevielfalt und die Möglichkeit der fehlersicheren Datenübertragung über das Profisafe-Protokoll bietet, haben sich die Verantwortlichen bei Audi für den Echtzeit-Ethernet- Standard entschieden (Bild 2).

Kombination aus Standard- und Sicherheitssteuerung
Als Anlagensteuerung nutzt der Automobilhersteller den Remote Field Controller RFC 470S PN 3TX (Bild 3). Bei dem Gerät handelt es sich um die Kombination aus einer gemäß IEC 61131-3 programmierbaren Standard- SPS und einer zweikanaligen, bis SIL3 zugelassenen Sicherheitssteuerung. Auf diese Weise können das Standard- und das sichere Anwenderprogramm parallel sowie unabhängig voneinander im Remote Field Controller ausgeführt werden. Die beiden Steuerungseinheiten beeinflussen sich zeitlich nicht, denn der für die Kommunikation zuständige Profinet-IO-Controller arbeitet autark von ihnen. Die drei eigenständigen Systembestandteile schaffen somit ein optimales Zeitverhalten für den Produktionsprozess, also die Taktzeit der Anlage, sowie den sicherheitsbezogenen Ablauf, der maßgeblich für die Sicherheitsabstände und Reaktionszeiten ist. Für den Anwender erweisen sich die unabhängigen CPU-Plattformen auch bei Programmänderungen als vorteilhaft, da Anpassungen, die während der Inbetriebnahme im Standardprogramm erforderlich werden können, manchmal einen Steuerungsstopp nach sich ziehen. Durch die Entkopplung von Standard- und Sicherheitssteuerung hat ein solcher Stopp jedoch keine Auswirkung auf die Sicherheitsfunktionen. Vielmehr laufen die Sicherheitssteuerung und der Profinet-IO-Controller, über den die Profisafe-Telegramme ausgetauscht werden, autark von der Standardsteuerung weiter, weshalb eine anschließende Quittierung von Not-Halt- und Schutzeinrichtungen entfällt. Bei den in der Automobilindustrie üblichen gekoppelten Systemen lassen sich die Teilsysteme so eigenständig in Betrieb nehmen, obwohl bereits alle notwendigen Sicherheitssignale zwischen den Steuerungen aktiviert sind. Sichere Signale können somit frühzeitig in die Anlagen integriert werden.

06 Die IO-Stationen können je nach Applikationsanforderung flexibel aus Standard- und Safety-Komponenten zusammengestellt werden

Nutzung von sicheren Funktionsbausteinen
Profinet-Feldgeräte, wie Roboter, Ventilinseln, Frequenzumrichter oder Sicherheits-Laserscanner, kommunizieren direkt via Profisafe mit der fehlersicheren SPS. Im Gegensatz dazu werden Not-Halt-Befehlsgeräte, Schutztürschalter, Lichtvorhänge und Sicherheitsschalter über dezentrale Profisafe- IO-Module mit der Safety-Steuerung verbunden. Aufgrund dieses Konzepts ist der bisher pro Anlage benötigte Schaltschrank, in dem die Sicherheitsrelais verbaut waren, überflüssig (Bild 4). Der Remote Field Controller wird mit zwei ineinander verzahnten Tools programmiert. Für die Hardware-Konfiguration des Profinet-Systems sowie zwecks Erstellung der Standardapplikation gemäß IEC 61131-3 kommt die Engineering- Umgebung PC Worx zum Einsatz. Zur Programmierung der in den Remote Field Controller eingebauten Sicherheits-SPS nutzen die Audi-Mitarbeiter das zertifizierte Softwarewerkzeug Safety Prog. Die Verwendung von sicheren Bausteinen aus der PLC-open-Bibliothek für Funktionen wie Not-Halt, Schutztür-Überwachung, Schützkontrolle oder Muting vereinfacht dabei den Aufbau des sicheren Anwenderprogramms. Denn der Anwender kann auf validierte, getestete Bausteine zurückgreifen und damit bei komplexen Funktionen Programmierfehler vermeiden. Die gemeinsam von den Audi- und Phoenix-Contact-Mitarbeitern erarbeitete Funktionsbausteinbibliothek für PC Worx umfasst sämtliche Softwarefunktionen, die zur Programmierung des Produktionsprozesses erforderlich sind. Außerdem wurden kundenspezifische Funktionsbausteine für die Sicherheitstechnik erstellt, getestet und freigegeben.

Kopplung verschiedener Sicherheitsbereiche
Da Audi das sichere Profinet-Gateway von Phoenix Contact einsetzt, kann auch auf die Hardware-Verdrahtung zum Austausch von Sicherheitssignalen zwischen den Steuerungen über IO-Stationen verzichtet werden (Bild 5). Über das Gateway werden bis zu 128 Byte Standardprozessdaten via Profinet sowie 16 bit sichere Prozessdaten via Profisafe übertragen. Auf diese Weise lassen sich Sicherheitsbereiche koppeln sowie anlagenübergreifende Not-Halt-Konzepte unabhängig vom Steuerungshersteller realisieren. Dies ist möglich, weil die Steuerungen keine direkte Kommunikation untereinander aufbauen, sondern das Profisafe-Gateway als Teilnehmer an beide SPS angebunden wird. Der Datenaustausch erfolgt also unabhängig von den IP-Bereichen. Durch die Netzwerktrennung ergeben sich einfachere Netzstrukturen. Zudem werden die Broadcast-Telegramme des Ethernet-Systems auf das jeweilige Subnetz begrenzt. Die Technologielösung, welche die Audi- und Phoenix-Contact-Mitarbeiter gemeinsam im Rahmen des Audi-A3-Projekts für die Standorte Ingolstadt und Györ (Ungarn) entwickelt haben, hat sich bewährt. Dies resultiert unter anderem aus der engen und vertrauensvollen Kooperation.
So hat Phoenix Contact den Automobilhersteller mit gleichbleibenden Ansprechpartnern bei der Standardisierung und Programmierung von Funktionsbausteinen sowie bei Testfällen unterstützt. Sollten sicherheitstechnische Anforderungen umgesetzt werden, wurden die Safety-Spezialisten des Blomberger Automatisierungslieferanten hinzugezogen. Da die verschiedenen Anlagenbauer und die Audi AG als Betreiber Zugriff auf die gleichen Ansprechpartner hatten, war ein lückenloser Informationsaustausch gegeben. In Kooperation mit dem Trainingsbereich von Phoenix Contact ist das Instandhaltungs- und Bedienpersonal der Karosseriebaulinie ebenfalls im Hinblick auf die netzwerkbasierte Technik ausgebildet worden. Für die Mitarbeiter, die sich mit der programmierbaren Sicherheitstechnik befassen, wurden Schulungsmaßnahmen zu den Kommunikationsprotokollen Profinet und Profisafe durchgeführt. Dabei ging es nicht nur um die Unterschiede zwischen der herkömmlichen Sicherheitstechnik und der Realisierung mit einem Sicherheitsbus. Vielmehr wurde auch das Bewusstsein geschärft, welche Einflüsse beispielsweise die Parameter in den Geräteeinstellungen auf die Sicherheitsabstände haben.

Fazit
Aufgrund der zahlreichen Vorteile, die die Umsetzung des neuen Automatisierungskonzepts für Audi nach sich zieht, wird auch das Nachfolgemodell des aktuellen Audi A4 zukünftig mit Steuerungs- und Sicherheitstechnik von Phoenix Contact produziert (Bild 6). (mh)

Safety Talk informiert über wichtige Themen der Maschinensicherheit

Maschinen und Produktionsanlagen werden nicht nur immer komplexer. Gleichzeitig kommt der Sicherheitstechnik eine stetig steigende Bedeutung zu – und das über den gesamten Lebenszyklus der Applikation, also von ihrer Entwicklung bis zum laufenden Betrieb. Normen und Richtlinien geben vor, wie sich Sicherheitskonzepte zuverlässig in die Maschinen integrieren lassen. Da die Standards kontinuierlich weiterentwickelt werden, besteht seitens der Maschinenhersteller und –betreiber eine gewisse Unsicherheit hinsichtlich ihrer korrekten Anwendung. Phoenix Contact bietet daher seit mehreren Jahren neben unterschiedlichen Dienstleistungen und einem Vor-Ort-Service zahlreiche Standard- und Individualseminare an. Ergänzt wird das Programm durch den Safety Talk, der erstmals am 18. Februar 2014 im Heinz Nixdorf Museums- Forum in Paderborn stattfindet. Gemeinsam mit dem Pneumatik-Hersteller Festo und dem Antriebsspezialisten Lenze stellt Phoenix Contact hier eine Plattform für Anwender und Experten der Maschinensicherheit zur Verfügung. In verschiedenen Vorträgen werden aktuelle Themen wie Retrofit, internationale Richtlinien und Haftungsfragen beleuchtet. Anschließend diskutieren die Referenten und weitere Safety-Fachleute in einer Expertenrunde die sich daraus ergebenden Fragen. Abgerundet wird die Veranstaltung durch eine Ausstellung mit angeschlossenem Catering. Interessenten können sich schon heute unter www.phoenixcontact.de/safetytalk registrieren.

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Autoren:
Hendrik Borgmann ist im Competence Center Safety für die Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont tätig. hborgmann@phoenixcontact.com

Marcus Peineke ist im Competence Center Safety für die Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont tätig. mpeineke@phoenixcontact.com