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Sichere Fertigung von Sprüh- und Dispensiersystemen

Bild 1. Vollautomatische Montagelinie für pharmazeutische Sprühköpfe

Bild 2. Der Sicherheits-Controller Pluto B46 V2 unterstützt durchgängig den Performance Level PL e und SIL3

Bild 3. Der berührungslos wirkende Sicherheitssensor Eden

Bild 4. Wolfgang Vedder (li.) mit mobiler Zweihandsteuerung JSD-TD25P und Michael Prebreza beim Einrichten der Montagelinie SD2

Der Hersteller von Sprüh- und Dispensiersystemen, Mead Westvaco, hat 2007 begonnen, seine Produktionsanlagen (Bild 1) auf eine Sicherheitskomplettlösung von ABB Jokab Safety umzurüsten. Das schwedische Unternehmen für Maschinensicherheit ermöglicht es, durchgängig den Performance Level PL e gemäß DIN EN ISO 13849-1 und SIL3 gemäß DIN EN 61508 (VDE 0803) sowie DIN EN 62061 (VDE 0113-50) zu erreichen. Sämtliche Sicherheitsfunktionen an der 10 m langen Montagelinie SD2 für Seifenspenderköpfe werden von drei dezentral betriebenen Sicherheits-Controllern Pluto B46-6 überwacht und gesteuert. Die 36 Türen, Klappen und Hauben sind mit berührungslos wirkenden Sicherheitssensoren Eden ausgerüstet.

Das Betätigungsfeld der Mead Westvaco Calmar GmbH (MWV) aus dem nordrhein-westfälischen Hemer, einer Tochtergesellschaft des US-amerikanischen Verpackungsherstellers Mead Westvaco, sind Sprüh- und Dispensiersysteme für haushaltschemische, kosmetische und insbesondere pharmazeutische Anwendungen.
Da deren Pumpen sehr klein sind, ist ihre Funktionsweise komplex. Sie bestehen aus bis zu 16 verschiedenen Einzelteilen, unter anderem einem Antrieb, der die Sprühfunktion vorbereitet, sowie verschiedenen Schraubkörpern und Köpfen. Unterschiedlich geformte Köpfe eignen sich für die medizinische Anwendung im Rachen, in der Nase oder auf der Haut. Wesentliches Kriterium bei einer solchen Pumpe ist die Ausbringung: Wie viel Flüssigkeit kommt pro Hub heraus? Eine genaue Dosierung erreichen Hersteller nur mit exakt aufeinander abgestimmten Bauteilen. Die Toleranzen liegen in der Regel bei wenigen hundertstel Millimetern. Besonders kritisch ist die Pharmabranche. Um eine Überdosierung auszuschließen, darf die Ausbringung von Medikamenten, je nach Anforderung, nicht mehr als 5 % von der Norm abweichen.

Montagelinien mit moderner Sicherheitstechnik
Bereits Mitte 2008 rüstete man einen getakteten Montageautomaten mit dem Sicherheits-Controller Pluto B46-6 und einer mobilen Zweihandsteuerung JSTD-25P für den Einrichtbetrieb aus. Im folgenden Jahr wurden zwei getaktete Montageautomaten mit dem elektronischen Sicherheitsmodul Vital ausgestattet. Schließlich folgte 2010 die Umrüstung der Sicherheitstechnik an zwei Continuous-Motion-Montagelinien.
Im März 2011 wurde ein getakteter Montageautomat mit Vital-Relais und Erweiterungsrelais E1T ausgerüstet, und im Laufe des Jahres sind noch zwei weitere Umrüstungen der Sicherheitstechnik mit Pluto vorgesehen. Die Schaltzustände der sieben Not-Aus-Taster werden mit Anpassungsgeräten Tina 3A und Tina 7A in dynamische Signale umgewandelt und an die Sicherheits-Controller Pluto gemeldet. Eine mobile Zweihandsteuerung mit sieben verschiedenen Steckplätzen ermöglicht sichere und bequeme Einrichtarbeiten.

Die Montagelinie SD2 produziert im Dreischichtbetrieb täglich mehrere hunderttausend Seifenspender. Das Kunststoff-Granulat wird automatisch zur Spritzgussmaschine gefördert, dort bei hohen Temperaturen verflüssigt und unter hohem Druck in die Formen gespritzt. Die einzelnen Komponenten werden lagerichtig sortiert und vollautomatisch montiert. Die fertig montierten Dispenserpumpen werden verschiedenen Qualitäts- und Funktionsprüfungen unterzogen und in Kartons abgepackt.
Beim Öffnen einer Schutztür an der Hauptlinie wird der Frequenzumrichter für den Antrieb der Kette und des Antriebs der Steigrohrstation 1 zweikanalig sicher gestoppt (STO). Die Logik überwacht mittels der Rückführung von den Umrichtern und den Leistungsschützen, ob diese auch abgeschaltet haben. Nur dann lässt sich die Anlage über einen der Rückstelltaster wieder betriebsbereit schalten. Ein zusätzlicher Kontakt am Türschalter meldet der SPS den Zustand der Schutztür.

Bild 5. Das Anpassungsgerät Tina 3A (re.)

Vorteile der neuen Sicherheitslösung
Mit den drei vernetzten Sicherheits-Controllern Pluto B46-6 (Bild 2), bis zu 36 Schutztüren mit berührungslosen Sicherheitssensoren Eden sowie einer mobilen Zweihandsteuerung JSTD25P für den Einrichtbetrieb wurde an diesen Linien zum ersten Mal ein neues System zur Erfassung der Schutztüren im Einrichtbetrieb angewendet. Dieses System wurde erst durch den Einsatz eines Sicherheits-Controllers möglich. Es erlaubt dem Einrichter, von einem der sieben Punkte an der Anlage aus die Montagelinie im Einrichtbetrieb mit reduzierter Geschwindigkeit bei nur einer geöffneten Schutzverkleidung zu verfahren. Dazu musste man jeden der 36 Sicherheitssensoren und der sieben Steckplätze der mobilen Zweihandauslösung separat auf einen sicheren Eingang der Pluto legen.

Bei Verwendung mechanischer Schutzschalter hätte man jede Tür, Klappe oder Haube mit zwei Schaltern zweikanalig ausrüsten müssen, um den Performance Level PL e und die Sicherheitskategorie 4 nach DIN EN ISO 13849-1 zu erreichen. Dies hätte für 36 verriegelte, trennende Schutzeinrichtungen 72 Schutztürschalter mit 144 Eingängen auf der herkömmlichen Sicherheits-SPS bedeutet.
Durch den Einsatz der berührungslos wirkenden Sicherheitssensoren Eden (Bild 3) und der Sicherheits-SPS Pluto hat sich die Anzahl der benötigten sicheren Eingänge auf nur 36 Eingänge reduziert. Dadurch wurden nicht nur Kosten für die Eingänge gespart, sondern auch der Verkabelungsaufwand auf ein Viertel verkleinert. Zudem vermied man durch die vorkonfektionierten Leitungen mit M12-Steckverbinder jegliche Verkabelungsfehler.

Der Sicherheits-Controller ist ein All-Master-System für dynamische und statische Sicherheitskreise, das es ermöglicht, mit einem einzigen Eingang eine Tür, Klappe oder Haube nach Performance Level PL e und Kategorie 4 nach DIN EN ISO 13849-1 zu überwachen. Zudem kann man an einem Eingang mehrere Sicherheitssensoren anschließen – und dies ohne Beeinträchtigung der höchsten Sicherheitsstufe.
Weitere Vorteile des Sensors Eden sind zum Beispiel die Kaskadierung von bis zu zehn (30 beim Sicherheitsmodul Vital) in Reihe geschalteten Sensoren, eine 360°-Abtastung, ein 15 mm großer Schaltabstand bei einer Hysterese von weniger als 1 mm, das Erreichen der hohen Schutzart IP69k gegen Staub und Wasser sowie das Durchdringen des Sensorfelds durch Werkstoffe wie Holz oder Kunststoff.

Dank des dynamischen Signals überwacht sich der Sensor selbst, und die LED-Anzeige am Sensor bietet Zustandsinformation über das Anschlusskabel. Das spezielle dynamische Ein- und Ausgangssignal erlaubt es, bis zu 390 Sensoren mit einem Sicherheits-Controller Pluto einkanalig zu überwachen. Dabei bleibt der Performance Level PL e gemäß EN ISO 13849-1 gewahrt.
Der nur 90 mm breite, mit einem Busanschluss versehene Sicherheits-Controller Pluto B46-6 (Bild 2) hat insgesamt 46 E/A, sechs davon sind unabhängige Sicherheitsausgänge. Die 40 Eingänge sind für Unfallschutzgeräte und sonstige sicherheitsgerichtete Sensoren bestimmt. Außerdem können 16 dieser Eingänge auch als nicht sichere Ausgänge benutzt werden.
Das System wird mit dem Pluto-Manager programmiert, einem auf Windows basierenden Programmierwerkzeug, das sowohl die Nutzung TÜV-zertifizierter Sicherheitsfunktionsblöcke als auch freie Programmierung ermöglicht. Da die Programmierung im Kontaktplan erfolgt, eignen sich die Geräte sowohl zur Sicherheitsüberwachung als auch zur Steuerung kleinerer Maschinen.

Mobile Zweihandsteuerung
Die ortsveränderliche Zweihandsteuerung JSTD25P (Bild 4) enthält zwei ergonomisch gestaltete und für jede Handgröße passende Safeballs, die auf beiden Seiten jeder Kugel je einen Drucktaster haben. Die Zweihandsteuerung stellt sicher, dass sich der Bedienende außerhalb des Gefahrenbereichs befindet. Versucht er nach dem Anlaufbefehl, ein in die Maschine eingelegtes Teil zu justieren, wird der Maschine ein zweifacher Abschaltbefehl erteilt.
Für den Maschinenanlauf müssen beide Safeballs, das heißt alle vier Drucktaster, innerhalb von 0,5 s betätigt werden. Somit hat jede Hand eine zweikanalige, doppelte Sicherheitsfunktion. Ein Wiederanlauf ist erst nach Loslassen aller vier Drucktaster möglich.
Mithilfe der Adapter Tina 3A (Bild 5) und Tina 7A lassen sich die Schaltzustände der mechanischen Ausgangskontakte von Unfallschutzgeräten in dynamische Signale umwandeln und anschließend in einem Sicherheits-Controller oder einem Sicherheitsmodul Vital auswerten. Auf diese Art kann man beliebige sicherheitsgerichtete Schalter, Befehlsgeber oder Halbleiterausgänge miteinander in Reihe schalten und in den Sicherheitsschaltkreis einbinden.

Positive Erfahrungen
Der bei Mead Westvaco mit der Projektierung und Instandhaltung betraute Elektromeister Wolfgang Vedder (Bild 4) und sein Vorgesetzter, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Daniele Abate, sowie der Montageleiter Dipl.-Ing. Hamid Reza Sasaninia schätzen vor allem die leichte Programmierbarkeit und die hohe Anpassungsfähigkeit des Sicherheits-Controllers mittels der zugehörigen kostenlosen Software. Auch von der leichten Ausrichtung, der Schmutzunempfindlichkeit und der nahezu unmöglichen Manipulierbarkeit der 36 zur sicheren Positionsüberwachung montierten Sicherheitssensoren Eden sowie dem durchgängigen Erreichen des Performance Levels PL e mit nur einem Kanal sind sie begeistert. Zum Anschluss an den Sicherheits-Controller benötigt man pro Sensor nur einen Eingang. Dies vereinfacht die Verdrahtung und spart Zeit. Bis heute gab es noch keinen technisch bedingten Ausfall der zahlreichen Sicherheitskomponenten.

Mead Westvaco
Die Mead Westvaco Calmar GmbH in Hemer, Nordrhein-Westfalen, ist ein Hersteller von Kunststoffbauteilen für Medizin-, Kosmetik- und Haushaltsprodukte. Das 1975 gegründete deutsche Tochterunternehmen zählt 415 Mitarbeiter und gehört zu der seit über 100 Jahren bestehenden Mead Westvaco Corporation mit Stammsitz in den USA. Der Konzern beschäftigt weltweit 18 000 Mitarbeiter und ist in über 100 Ländern auf sechs Kontinenten vertreten. Die technische Beratung und der Kundendienst sind rund um die Uhr in allen wichtigen Sprachen verfügbar.

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Autor: Dipl.-Wirtsch.-Ing Michael Prebreza ist Vertriebsbeauftragter für Nordrhein-Westfalen bei der Jokab Safety Deutschland/ABB Stotz-Kontakt GmbH in Spaichingen.