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Integriertes Automationssystem für FTS bei BMW

01 In der Montage der Hybrid-Fahrzeuge bei BMW in Leipzig wurde das Fahrerlose Transportsystem einem Retrofit unterzogen.  Die Antriebstechnik folgt dabei dem Konzept, das auch schon in der Montage des Elektroautos „i3“ verwendet wird

01 In der Montage der Hybrid-Fahrzeuge bei BMW in Leipzig wurde das Fahrerlose Transportsystem einem Retrofit unterzogen. Die Antriebstechnik folgt dabei dem Konzept, das auch schon in der Montage des Elektroautos „i3“ verwendet wird

02 Die Servogetriebemotoren Simotics S-1FG1 treiben die Räder der Transportfahrzeuge direkt an. Gelenkt wird über die Drehzahlregelung, die aufgrund des geringen Verdrehspiels eine exakte Positionierung in jedem Betriebsfall sichert

02 Die Servogetriebemotoren Simotics S-1FG1 treiben die Räder der Transportfahrzeuge direkt an. Gelenkt wird über die Drehzahlregelung, die aufgrund des geringen Verdrehspiels eine exakte Positionierung in jedem Betriebsfall sichert

03 Die fehlersicheren Frequenzumrichter Sinamics S120 sind kompakt und passen deshalb gut in den Schaltkasten der FTS. Durch die außen liegenden Kühlkörper des Sinamics S120, die hinten aus dem Schaltkasten ragen, ist ein ungehinderter Wärmeabfluss ohne zusätzliche Maßnahmen möglich

03 Die fehlersicheren Frequenzumrichter Sinamics S120 sind kompakt und passen deshalb gut in den Schaltkasten der FTS. Durch die außen liegenden Kühlkörper des Sinamics S120, die hinten aus dem Schaltkasten ragen, ist ein ungehinderter Wärmeabfluss ohne zusätzliche Maßnahmen möglich

Im BMW-Werk in Leipzig kommen seit Jahren Fahrerlose Transportsysteme zum Einsatz. Nun galt es, die Fahrzeuge antriebs- und steuerungstechnisch zu modernisieren. Bei dem Retrofit-Projekt stand vor allem der Wunsch im Vordergrund, aus Standardkomponenten ein optimal aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem zu entwickeln und damit die langfristige Verfügbarkeit zu sichern. Mittels der „Totally Integrated Automation“-Lösungen von Siemens wurde dieses Ziel erfolgreich umgesetzt.

Eine wesentliche Anforderung von BMW lautet, Sonderlösungen möglichst zu vermeiden. Mit diesem Anspruch startete Dipl.-Ing. Heiko Bender als Verantwortlicher bei Siemens in Leipzig, um einen wichtigen Montageprozess bei der BMW Group Werk Leipzig für die weitere Zukunft neu anzupassen. Siemens erhielt den Auftrag zum kompletten Retrofit von drei Dutzend Fahrerlosen Transportsystemen (FTS) innerhalb der Montagelinien für Fahrwerk und Motoren der Pkw (Bild 1). Aufgabenstellung war unter anderem, die Antriebstechnik zukunftssicher und mit hoher Verfügbarkeit zu erneuern. Als FTS-Hersteller und langjähriger Partner von Siemens für FTS wurde die DPM Daum + Partner Maschinenbau GmbH mit der mechanischen Modifikation der Fahrzeuge beauftragt.
„Dabei wurde das Rad nicht neu erfunden“, erklärt Helmut Pflieger, FTS-Spezialist bei Siemens in München. So kam bereits im Jahr 2013 bei 90 Fahrzeugen ähnlicher Bauart in der Produktion des Elektrofahrzeugs „BMW i3“ die Antriebstechnik von Siemens zum Einsatz. Aufgrund der guten Erfahrungen entschieden sich die Verantwort lichen beim Retrofit-Projekt in der Montagehalle der konventionellen Fahrzeuge nun ebenfalls für die drehzahlgeregelte Antriebslösung Simotics S-1FG1 (Servogetriebemotor, Bild 2) plus Sinamics S120 (Frequenzumrichter, Bild 3). Diese Kombination eines „Integrated Drive Systems“ (IDS), wie Siemens seine Strategie der Anpassung unterschiedlicher Antriebskomponenten zu einem optimal aufeinander abgestimmten Gesamtsystem nennt, erfüllt vor allem in Bezug auf die Regelgenauigkeit und Sicherheitsanforderungen hohe Ansprüche.
„Die Regelgenauigkeit war bei dieser Aufgabenstellung besonders entscheidend, weil die Fahrzeuge mithilfe einer Art Überlagerungslenkgetriebe als ,Panzerantrieb‘ manövriert werden und so sicher der vorgegebenen FTSBahn folgen“, berichtet H. Pflieger. In der Tat erhalten die beiden Räder der Vorderachse die notwendige Drehzahl einzeln durch die frequenzgeregelten Antriebe. Die Hinterachse folgt der Lenkbewegung synchron über zwei mechanische Lenkscheiben (vorne/ hinten), die mit einer Lenkstange schlupflos verbunden sind. „Die Finesse dabei ist, dass die beiden Radantriebe mechanisch am Drehschemel montiert sind und vollkommen separat – also ohne Zwischengetriebe wie bei Überlagerungslenkgetrieben üblich – angetrieben bzw. geregelt werden“, erläutert der Antriebsexperte. Kurz gesagt: Differiert die Drehzahl der beiden Vorderräder, fährt das FTS eine Kurve.
Exakte Drehzahlregelung verhindert unerwünschte FTS-Bewegungen
Dieser einfache Zusammenhang muss in der Praxis allerdings präzise umgesetzt werden. So konnte es vor dem Umbau vorkommen, dass Fahrzeuge die Spur verlassen und so eine Störung im Montageprozess verursachen. Mit der neuen Antriebslösung existiert dieses Risiko nicht mehr. Denn: Beim Motor Simotics S-1FG1, den es in vier Getriebeausführungen gibt, handelt es sich hier um einen Kegelrad-Servo-Getriebemotor mit einer Nennleistung von 1,24 kW. Die Ausführungen gibt es optional in einer spielreduzierten Variante, „was bei dieser Applikation nicht notwendig war“ betont H. Bender. Als Grund gibt er an, dass die Standardausführung dieser Antriebslösung über ein so geringes Verdrehspiel verfügt, dass die bordeigene Steuerung, eine Simatic ET 200SP F (CPU 1512SP F-1 PN) von Siemens, die Fahrzeuge in der Spur hält.
Mit Geschwindigkeiten von bis zu 60 m/min bewegen sich die Fahrzeuge durch die einzelnen Montageschritte in den Hallen, bis sie schließlich das Fahrwerk zur sogenannten „Hochzeit“ bringen – dem Zusammenführen von Fahrwerk und Karosserie. Während der Fahrt liefert die Steuerung an Bord die Sollwerte an die beiden Frequenzumrichter Sinamics S120 im Schaltkasten des Fahrzeugs. Interessant dabei ist die Energieversorgung der Geräte: Diese erfolgt über die im Hallenboden eingelassenen Induktionsbahnen. Kontaktlos werden so 560 V Spannung auf die FTS-Fahrzeuge induziert, die direkt in den Zwischenkreis der Frequenzumrichter gespeist werden. H. Pflieger: „Ganz abgesehen davon, dass die Siemens-Lösung extrem kompakt ist, hat sich diese Zwischenkreis-Einspeisung bewährt – und damit Platz sowie Investitionskosten gespart.“
Sicherheitstechnik ist mit an Bord
Die Induktionsschleifen im Hallenboden zur berührungslosen Energieversorgung werden auch als Leitlinie für die Spurführung verwendet. Zusätzlich gibt es Identifikationspunkte entlang der Wegstrecke, die über zwei Reader von der Fahrzeugsteuerung detektiert werden. Durch Verwendung zweier unterschiedlicher Reader mit unabhängigen Kommunikationswegen zur SPS, sind diese in der Safety-SPS zu einer sicheren Positionserkennung nutzbar. Damit werden von der Leitsteuerung Teilbereiche in der Anlage sicher über Profisafe steuer- und überwachbar. Dies ist unter anderem dann notwendig, wenn in Streckenabschnitten mit Nebenanlagen deren Zustand für Fahrfreigaben des FTS ausgewertet werden müssen.
Zusätzlich ist in der Front jedes FTS ein Sicherheits-Laserscanner als Personenschutz verbaut, da die Fahrzeuge in der Produktionshalle auch auf allgemein begehbaren Fahrwegen unterwegs sind. Erkennt die FTS-Steuerung, dass sich ein Hindernis bzw. eine Person im Fahrweg befinden, führt dies zum sicheren Halt des Fahrzeugs. Über Profisafe schaltet die Steuerung den Frequenzumrichter fehlersicher ab und aktiviert dabei die Sicherheitsfunktion Safety Torque Off (STO). Das bedeutet, die Antriebseinheiten des Fahrzeugs bleiben aufgrund der sicheren Drehmomentabschaltung sofort stehen. „Diese Funktionalität der fehlersicheren Abschaltung der Frequenzumrichter war bei der vorher gewählten Antriebstechnik nicht möglich“, stellt H. Bender heraus. „Das spart Platz sowie Engineering- und Verdrahtungsaufwand“, fasst er zusammen.
Daneben spielt die Kompaktheit der S120 eine weitere wesentliche Rolle bei der modernen Antriebslösung des Retrofit-Projekts. Im Gegensatz zur früheren Lösung, bei der die Frequenzumrichter offen im Schaltkasten verbaut und mit einem Berührungsschutz versehen waren, sind die nun eingesetzten Sinamics S120 in einem kompakten Gehäuse verbaut. H. Pflieger betont: „Vor allem in mobilen Anwendungen wie hier zeigt sich, wie robust diese Schaltschrankgeräte sind.“ Einen weiteren Vorteil bringt die neue Kühllösung: Die Geräte sind so kompakt, dass sie in die Tiefe des Schaltkastens passen und die rückseitig montierten Kühlkörper aus dem Fahrzeug ragen. So kann die Wärme ohne Weiteres nach oben abströmen. H. Pflieger weiß: „Dadurch konnte auf aufwendige Konstruktionen bzw. zusätzliche Kühlmaßnahmen verzichtet werden, was den Engineering-Aufwand, aber auch die Betriebskosten spürbar reduziert.“
Intergriertes Gesamtkonzept erhöht Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit
Eine komplette Antriebs- und Steuerungslösung aus einem Guss fasst Siemens unter dem Begriff „Totally Integrated Automation (TIA)“ zusammen. Erstmals kam bei dieser Anwendung in der Leipziger BMW-Montage auch das Engineering-Framework TIA Portal zum Einsatz. Die Software bündelt Programmierung, Parametrierung, Visualisierung und Sicherheitstechnik auf einer einheitlichen Plattform. Die dabei genutzte gemeinsame Datenbasis vereinfacht so auch den weiteren Datentransfer. Signale, die per Profinet bzw. Profisafe auf den Fahrzeugen verarbeitet werden, lassen sich über das in den Produktionshallen installierte 5-GHz-IWLAN weiterverarbeiten. So liefern die Fahrzeuge Status- und Diagnoseinformationen, die sich auf der Leitebene bedarfsabhängig auswerten lassen. „Das erhöht die Verfügbarkeit weiter, weil Störungen sofort erfasst, lokalisiert und damit in kürzester Zeit behoben werden können“, fasst H. Bender zusammen. Denn Verfügbarkeit ist neben dem hohen Qualitätsanspruch die oberste Prämisse in der Automobilindustrie.
Fazit
Letztendlich hat das Retrofit-Projekt bei BMW in Leipzig gezeigt, wie hoch der Nutzwert einer modernen Antriebstechnik in Verbindung mit einer ganzheitlichen Automatisierung ist. Durch die kompakten Antriebseinheiten, bestehend aus den Servogetriebemotoren Simotics S-1FG1 und den fehlersicheren Frequenzumrichtern Sinamics S120, kombiniert mit einer fehlersicheren SPS konnte eine optimale Gesamtlösung entwickelt werden (Bild 4).
Bessere Regelbarkeit, geringerer Platzbedarf und integrierte Sicherheitstechnik haben sich als Vorteile erwiesen. Durch die Tatsache, dass die Systemlösung nur aus Standardkomponenten aufgebaut ist, sichert dies auf viele Jahre hinaus die Ersatzteilversorgung und vermeidet dadurch weitere Investitionskosten. „Systemdenken unterstützt Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit – zwei wichtige Säulen der Automobilproduktion“, bringt es H. Bender auf den Punkt. (ih)

Johanna Gebhardt ist in der Siemens-Division Digital Factory als Marketing Managerin tätig.

Johanna Gebhardt ist in der Siemens-Division Digital Factory als Marketing Managerin tätig.

Heiko Bender ist in der Siemens-Division  am Standort Leipzig als Vertriebs- und  Projekt-Ingenieur tätig.

Heiko Bender ist in der Siemens-Division am Standort Leipzig als Vertriebs- und Projekt-Ingenieur tätig.