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01 Ein Blick in die Prüfanlage für Brennstoffzellen: Ein Greifer wendet die Bipolarplatten für die Inspektion der Unterseite

Brennstoffzellen-Prüfeinrichtung mit IO-Link

02 Die Zuordnung der Bilder zu den einzelnen Bipolarplatten erfolgt über die mit einem RFID-Chip gekennzeichneten Werkstückträger. Ausgelesen wird die Identität von M18-RFID-Leseköpfen mit einer abgesetzten Auswerteeinheit

03 Durch den Einsatz von IO-Link-Komponenten kann der Schaltschrank kompakter gebaut werden, denn die Anzahl der hier erforderlichen IO ist vergleichsweise gering

04 Über die Maschine verteilt sammeln Sensor-Hubs (links unten) die Signale einfach schaltender Sensoren ein. An den Profinet- IO-Link-Master (oben links) lassen sich über bis zu acht IO-Link-Ports IO-Link-Devices anschließen

Um Brennstoffzellen marktfähig herstellen zu können, sind automatisierte und hochpräzise Fertigungs- und Kontrollverfahren erforderlich. Stichprobenartige manuelle Kontrollen erfüllen diese Anforderungen erfahrungsgemäß nur unzureichend. Im Rahmen eines Kooperationsprojekts hat die P+K Maschinen- und Anlagenbau GmbH eine Prüfanlage zur automatischen Prüfung von Brennstoffzellen konstruiert und gebaut. Dabei hat Balluff den Sondermaschinenbauer unter anderem mit Produkten und Know-how rund um IO-Link unterstützt.

Die P+K Maschinen- und Anlagenbau GmbH hat die Anlage im Rahmen des ZIM-Kooperationsprojekts mit Fördermitteln des Bunds konstruiert und gebaut. „Dank IO-Link konnten wir die Anlage in rekordverdächtiger Zeit einfach und platzsparend installieren“, sagt Peter Kronenberg, Geschäftsführer von P+K. Projektpartner waren das Zentrum für Brennstoffzellentechnik, die Intelligent Solutions GmbH sowie die Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V.. Aufgabe der Prüfanlage ist es, in einem einzigen kompakten Aufbau durch spezielle Bildaufnahmetechnik und -verarbeitung relevante Fertigungsfehler, wie Haarrisse, Grate und Löcher, an den Bipolarplatten zu erkennen und die Verwendung defekter Ausschussprodukte auszuschließen. Darüber hinaus soll der Demonstrator durch eine systematische, kontinuierliche Datenauswertung und Informationsrückkopplung helfen, den Spritzgießprozess permanent zu überwachen und die Spritzgießparameter laufend zu optimieren, sodass im späteren industriellen Herstellungsprozess eine Null-Fehler-Rate erreicht wird. Diese Prüfaufgabe ist in einer Zeitspanne zu bewältigen, die unterhalb des Prozesstakts der Fertigung liegt.

„Auf das Thema IO-Link sind wir über unseren Außendienstler Frank Rüger von Balluff gekommen“, erzählt P. Kronenberg weiter. „Wir haben ihm erzählt, was wir vorhaben. Er sagte zu uns, IO-Link sei eigentlich an dieser Stelle genau das Richtige, wenn man gleichzeitig Zustände erfassen, Daten auslesen sowie Motoren und Ventile ansteuern und dabei noch erheblich Zeit bei Installation und Inbetriebnahme sparen will.“ IO-Link ist eine universell einsetzbare IO-Schnittstelle unterhalb der Bussysteme, die zu sämtlichen Feldbussen kompatibel ist. Als digitale und bidirektionale Punkt-zu- Punkt-Verbindung schafft IO-Link einen leistungsfähigen Kommunikationskanal bis auf Aktor- und Sensorebene.

Die Spreu vom Weizen trennen
Der von P+K entwickelte Demonstrator einer Prüfanlage für Bipolarplatten ist eine kompakte Maschine mit den Abmessungen 3,7 m × 1,7 m × 2 m (l × b × h). Im operativen Einsatz ist sie über ein Förderband direkt mit der Spritzgießmaschine verbunden. Über dieses gelangen die Bipolarplatten, die zu 70 % aus Kunststoff und zu 30 % aus Kohlenstoff bestehen, nach dem Spritzgießvorgang zur Prüfeinrichtung. Nachdem Näherungsschalter ihre Ankunft gemeldet haben, saugt ein spezielles Dreiachs-Handling sie mittels Venturidüsen an, um sie dann auf mit RFID-Tags gekennzeichnete Werkstückträger zu transferieren. Von dort werden sie mittels Elektrozylindern mit einer Taktrate von 4,2 s auf die jeweils nächste Position geschoben. Dies geschieht im Demonstrator in vorgegebener Reihenfolge, um die Zuordnung ihrer Identität sicherzustellen. Im späteren praktischen Betrieb erhält jede Platte auf ihrer Oberkante eine individuelle Markierung mittels eines Lasers. Die nächste Station ist dann auch schon die erste Inspektionskammer, in der zwei Kameras von der Kühlseite jeweils zwei Bilder sowohl unter „Hellfeld-“ als auch unter „Dunkelfeldbeleuchtung“ aufnehmen, um dann nach dem Wenden der Bipolarplatten durch einen Greifer (Bild 1) in einer zweiten, identisch ausgelegten Inspektionskammer weitere Bilder zu machen. Alle Fotos bleiben für die weitere Auswertung gespeichert und können jederzeit auf einem Monitor begutachtet werden. Die Zuordnung der Bilder zu den einzelnen Bipolarplatten erfolgt über die mit einem RFID-Chip gekennzeichneten Werkstückträger.

Dafür befinden sich an allen relevanten Übergangspositionen M18-Leseköpfe mit abgesetzter Auswerteeinheit des RFID-Systems BIS L (read only System) von Balluff (Bild 2). Das berührungslos arbeitende Identifikationssystem liest die Informationen der Datenträger aus. Die Daten liegen über die IO-Link-Schnittstelle direkt in den Prozessdaten vor und können in der SPS weiterverarbeitet und ausgewertet werden. An einer weiteren Station erfolgt dann die Dickenmessung der Platte mit sechs Laser-Sensoren mit Analogausgang, die im Demonstrator direkt mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Am Ende haben die künftigen Elektroden ein komplexes Prüfszenario durchlaufen; für jeden Prüfling stellt die Software die zugehörige Prüfhistorie zur Verfügung. Entsprechen sie in allen Punkten den Anforderungen, werden die I.O.-Bipolarplatten an einer weiteren Station maschinell abgefräst, die Graphitpartikel an der Oberfläche freigelegt und so für den operativen Einsatz vorbereitet. Die N.I.O.- Platten dagegen werden ausgeschleust und in einem Magazin gesammelt.

IO-Link verschlankt die Installation
Obwohl in der Anlage mehr als 90 schaltende Sensoren im Einsatz sind, macht die Maschine einen überraschend aufgeräumten und verkabelungstechnisch übersichtlichen Eindruck. Dies spiegelt sich dann auch in der Kompaktheit des Schaltschranks wider, denn die Zahl der hier erforderlichen IO ist vergleichsweise gering (Bild 3). Dies liegt maßgeblich am Einsatz von IO-Link, weiß Martin Prims vom Balluff-Tec-Support: „Automatisierungsexperten vergleichen den IO-Link-Standard auch gerne mit der USB-Schnittstelle im EDV-Bereich: Alles lässt sich mit einer Standardleitung verbinden. Jegliche Art von Sonderleitungen sowie zusätzliche Anschaltboxen entfallen. Kein Klemmen mehr, nur noch M12-Stecker setzen, und die Verbindung steht. Dabei ist IO-Link auch noch abwärtskompatibel zu sämtlichen Standardsensoren und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen.“ Über die Maschine verteilt sammeln elf Sensor-Hubs die Signale der einfach schaltenden Sensoren ein und bündeln je nach Variante acht bzw. 16 Eingänge auf einen IO-Link- Port. Am installierten Profinet-IO-Link-Master von Balluff (Bild 4) stehen bis zu acht IO-Link-Ports zur Verfügung. Es sind fünf IO-Link-Master in der Maschine installiert. Von den insgesamt 40 IO-Link-Ports bleiben fünf als Reserve für eventuelle Erweiterungen frei, 35 IO-Link-Ports sind belegt. Sie machen die IO-Link-fähigen Devices für die Steuerungsebene verfügbar. Im Einzelnen sind dies die IO-Linkfähigen Leseeinheiten des Balluff-RFID-Systems BIS L, zwei Ventilinseln mit ihren jeweils bis zu 24 Spulen zur Ansteuerung der Pneumatikkomponenten, eine IO-Link-Smart- Light sowie die Sensor-Hubs mit ihren nicht IO-Link sprechenden Standardsensoren für die Steuerungsebene.

Über 13 universelle IO-Link-Module von Balluff – dies sind einzelne IO-Link-Anschaltungen mit einem offenen Leitungsende für zehn bzw. 16 Ein- oder Ausgänge – werden 13 Achssteuerungen über Standardsensorleitungen mit der Steuerungswelt verbunden. Diese Achsen können nun mit einfachen digitalen Signalen an zuvor einmalig eingelernte Positionen gesteuert werden. Ein komplexes Protokoll und eine Verbindung der Achssteuerungen mit der SPS via Ethernet entfallen. „Trotz anfänglicher Skepsis – es war ja unser erstes Projekt mit IO-Link – konnten wir zu zweit die Anlage an einem Vormittag komplett auflegen“, schildert P+K-Geschäftsführer P. Kronenberg und fährt fort: „Das ist ein neuer Rekord für eine Anlage dieser Größenordnung. Zum Vergleich: Ohne IO-Link mit einem schnellen Elektriker hätte dies erfahrungsgemäß drei Tage gedauert.“ Einen deutlichen Unterschied sieht er auch bei den Leitungsmengen: „Wir haben jetzt wenige schlanke Leitungen bis zum Schaltschrank, statt dicker Kabelbäume bei konventioneller Verkabelung. Die serielle Schnittstelle vereinfacht den Installations- und Verkabelungsprozess also ganz erheblich.“ Ein weiteres wichtiges Feature im Rahmen von IO-Link ist für den Anwender die Möglichkeit zur automatisierten Parametrierung und Diagnose bei laufendem Betrieb. P. Kronenberg führt weiter aus: „Wir haben bei der Inbetriebnahme einen der IO-Link-RFID-Leseköpfe beschädigt, den mussten wir umgehend austauschen, was dank der M12-Steckverbindungen kinderleicht war. Der besondere Clou: Wir konnten ohne Einlernen des neuen Lesekopfes die Anlage sofort wieder in Betrieb nehmen, denn das neue Device bekommt die erforderlichen Parameter vom IO-Link- Master automatisch eingespielt.“

In der Anlage verbaut ist mit der IO-Link-Smart-Light auch noch ein ganz besonderes Signalisierungsgerät: eine Signalsäule mit IO-Link-Schnittstelle. Sie ist ein Multitalent, denn mit ihren 20 LED-Segmenten lassen sich ganz unterschiedliche Betriebszustände oder auch Tendenzen, Verläufe und Trends von physikalischen Größen in nahezu beliebigen Farben darstellen. Dazu kann man sie ohne mechanischen Umbau „on the fly“ alleine über die Steuerung an ihre neuen Aufgaben anpassen. Auch hier genügt zum Anschluss und zur Installation IO-Link-typisch eine einfache ungeschirmte dreiadrige Sensorleitung. (ih)

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Autor:
Dr. Detlef Zienert ist im Marketing als Public Relation Manager bei der Balluff GmbH in Neuhausen tätig. detlef.zienert@balluff.de