Industrie-4.0-taugliche Sicherheitskonzepte für Holzbearbeitungsmaschinen

Holzbearbeitungsmaschinen 'Made in Germany' sind weltweit gefragt und stark im Export. Dabei müssen diese Maschinen nicht nur die geltenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen erfüllen, sondern auch eine optimale Effizienz gewährleisten, denn der Rationalisierungsdruck ist hoch. Nachhaltige Sicherheitslösungen für Maschinen und Anlagen bringen Arbeitssicherheit und Produktivität in Einklang. Die Schmersal Gruppe bietet integrierte Sicherheitssysteme, die zu einer Erhöhung der Maschinenverfügbarkeit beitragen. Ein Kernelement dieser Systeme ist das serielle Diagnose (SD)-Interface. In Verbindung mit einer neuen Lösung von Schmersal - der Sicherheitssteuerung PSC1 mit OPC-UA-Anbindung - wird der serielle Diagnose-Bus jetzt zu SD 4.0: Damit lassen sich industrie-4.0-taugliche Sicherheitskonzepte entwickeln, die einen hohen Diagnosekomfort bieten und zudem flexibel und einfach skalierbar sind.
Sicherheitssteuerung PSC1 mit integriertem SD-Gateway: Die Reihenschaltung verschiedener Sensoren und Zuhaltungen ermöglicht eine schlanke Verdrahtung und spart Kosten. – Bild: K.A. Schmersal Holding

Um die Produktivität von Fertigungsanlagen zu steigern, kommt es darauf an, die Stillstandszeiten der Maschinen zu minimieren. Durch kontinuierliche Zustandsüberwachung und frühzeitige Fehlererkennung können unvorhergesehene Ausfälle reduziert werden. Zudem ermöglicht die stete Erfassung von Maschinendaten die vorausschauende Wartung. Das bedeutet, dass Verschleißteile nicht prophylaktisch nach einem festgelegten Zeitplan ersetzt werden, sondern erst dann, wenn es wirklich notwendig ist. So können die Wartungszyklen verlängert und die Standzeiten minimiert werden.

Eine Voraussetzung für diesen Ansatz zur Steigerung der Produktivität ist, dass Sensoren – möglichst in Echtzeit – Daten zum Status einer Maschine oder Anlage übermitteln und dadurch eine permanentes Monitoring ermöglichen. Viele Sicherheitskomponenten von Schmersal sind bereits ‚Datenlieferanten‘, die eine Vielzahl von Zusatzinformationen zur Verfügung stellen können, z.B. wie häufig bestimmte Funktionen betätigt wurden, Fehlermeldungen, ‚Betätiger im Grenzbereich‘, Übertemperatur etc.

Diese Status- und Diagnosedaten von elektronischen Sicherheitssensoren und -zuhaltungen können mit dem SD-Interface von Schmersal an eine übergeordnete Maschinensteuerung übertragen werden.

Sicherheitssensoren und -zuhaltungen mit SD-Bus verfügen anstelle des Diagnoseausgangs über einen Ein- und Ausgang. Werden diese SD-Geräte in Reihe hintereinandergeschaltet, werden neben den Sicherheitskanälen auch die Ein- und Ausgänge des SD-Bus in Reihe geschaltet. Die damit entstandene ‚Sammelleitung‘ für die nicht-sicheren Diagnoseinformationen wird auf ein SD-Bus Gateway geführt, das diese Informationen über einen Standard-Feldbus an eine übergeordnete Steuerung weiterleitet. Eine solche Reihenschaltung ist für bis zu 31 Sicherheitsschaltgeräte möglich. So lassen sich mithilfe des SD-Interface gemischte Aufbauten von Zuhaltungen und Sensoren in einer Sicherheitsfunktion einfach im Feld realisieren. Ein weiterer nicht zu unterschätzender Vorteil des SD-Bus-Systems: Wenn eine Reihenschaltung der Sensoren und Zuhaltungen mit SD-Bus realisiert wird, ermöglicht diese Lösung eine sehr schlanke Verdrahtung und spart Kosten, ohne Verlust des Performance Levels (Reihenschaltung für Anwendungen bis PLe).

 In Verbindung mit der Sicherheitssteuerung PSC1 mit OPC-UA-Anbindung wird der serielle Diagnose-Bus jetzt zu SD 4.0: Damit lassen sich industrie-4.0-taugliche Sicherheitskonzepte entwickeln.
In Verbindung mit der Sicherheitssteuerung PSC1 mit OPC-UA-Anbindung wird der serielle Diagnose-Bus jetzt zu SD 4.0: Damit lassen sich industrie-4.0-taugliche Sicherheitskonzepte entwickeln.Bild: Schmersal Gruppe

Zusätzlich zu den umfangreichen Diagnose- und Statusinformationen können die Sicherheitszuhaltungen über das SD-Interface gesperrt bzw. entsperrt werden. Durch den Einsatz der seriellen Diagnose kann für jedes Gerät ein digitaler Eingang (Diagnose) und Ausgang (Signal zum Sperren) an der SPS eingespart werden. Als Kommunikationsschnittstelle zur Steuerung stehen alle gängigen Feldbusprotokolle wie Profinet, Profibus, EtherNet/IP, Ethercat, Modbus TCP usw. zur Verfügung.

Unterschiedliche Auswertemöglichkeiten

Beim SD-Bus sind verschiedene Auswertesysteme möglich:

  • Bei der Variante 1 wird zur Auswertung der seriellen Diagnoseleitung entweder das Profibus-Gateway SD-I-DP-V0-2 oder das SD-Universal-Gateway eingesetzt. Letzteres ist für unterschiedliche Steuerungssysteme mit ihren herstellerspezifischen Feldbussen verwendbar. Beide Gateways werden als Slave in ein vorhandenes Feldbussystem eingebunden. Die Diagnosesignale können auf diese Weise mit einer SPS ausgewertet werden. Die sicherheitsgerichteten Signale werden dabei über einen Sicherheitsrelaisbaustein oder eine Sicherheitssteuerung ausgewertet.
  • Bei Variante 2 wird zur Auswertung die Sicherheitssteuerung PSC1 von Schmersal eingesetzt: Alle Sicherheitssteuerungen der Baureihe Protect PSC1 verfügen in der Ausführung mit integriertem Feldbus auch über einen SD-Bus Anschluss (SD-Bus-Master). Der gewünschte Feldbus kann in der PSC1 über die Software ausgewählt werden, sprich mit einer Hardwarevariante können unterschiedliche Feldbusanbindungen realisiert werden.

Dabei gibt es jetzt eine neue Variante der Protect PSC1 mit einem integrierten OPC-UA-Server im Kommunikations-Interface. Durch die Bildung von Abschaltkreisen (pro Abschaltkreis mehrere Sensoren in Reihenschaltung) können Eingänge an der PSC1 eingespart werden.

Vorteile der Kommunikation über OPC UA

Die Kommunikation über den OPC UA-Server bietet zusätzliche Möglichkeiten und Vorteile. Umfangreiche Datensätze aller Sicherheitssensoren aus dem Schmersal-Portfolio können jetzt maschinenlesbar und mit semantischer Beschreibung über das M2M-Kommunikationsprotokoll abgerufen werden. Dazu gehören etwa Zustandsdaten der Sicherheitsausgänge, sicherheitstechnische Kennwerte, Informationen zur Lebensdauer der Sensoren, Bestellinformationen, Datenblätter, CAD-Daten und Bilder.

Die Integration von OPC UA in das Kommunikations-Interface der Protect PSC1 schafft außerdem die Voraussetzung dafür, dass die aktuellen Daten der Sicherheitsschaltsysteme von Schmersal (und damit deren „digitaler Zwilling“) für einen herstellerunabhängigen Austausch zur Verfügung stehen – zum Beispiel von einer Maschine zur anderen oder für die fabrikübergreifende Kommunikation.

Ein Beispiel aus dem Bereich der Predictive Maintenance verdeutlicht die konkreten Vorteile der Sicherheitssteuerung Protect PSC1 mit integriertem OPC-UA-Server. Im Sinne der vorausschauenden Wartung zeigt das System dem Anwender an, dass Sensoren bzw. Aktoren eine bestimmte Anzahl von Schaltzyklen und damit das Ende ihres Lebenszyklus erreichen. Diese Schaltgeräte können dann gezielt ausgetauscht werden. Die Grenzen hierfür legt der Anwender mit der Programmiersoftware SafePLC2 fest.

Beim SD-Bus sind verschiedene Auswertesysteme möglich: Bei der Variante 1 wird zur ­Auswertung der seriellen Diagnoseleitung entweder das Profibus-Gateway oder das SD-­Universal-Gateway eingesetzt. – Bild: K.A. Schmersal Holding

Drei verschiedene Verdrahtungskonzepte

Darüber hinaus gibt es drei verschiedene, einfache und fehlersichere Verdrahtungsvarianten:

  • Bei Verdrahtungsvariante 1 wird die oben beschriebene Reihenschaltung der Sicherheitssignale und der SD-Bus Aus- bzw. Eingänge der Sicherheitssensoren- und Zuhaltungen einfach über Y-Adapter und Standard-M12-Leitungen (Plug&Play) realisiert.
  • Bei Verdrahtungsvariante 2 werden die Signale, der über M12-Leitungen angeschlossenen Sicherheitssensoren -und Zuhaltungen, in der passiven Fieldbox PFB-SD zusammengeführt. Die passive Feldbox PFB ist eine Plug & Play-Lösung in robuster IP67-Ausführung und für eine Vielzahl von Einsatzbereichen geeignet.
  • Bei Verdrahtungsvariante 3 wird anstelle der passiven Fieldbox PFB-SD das passive Verteilermodul PDM-SD eingesetzt. Es ist klein und kompakt, lässt sich somit einfach in vorhandene Klemmkästen montieren und eignet sich dadurch besonders für die erhöhten Hygieneanforderungen bei Food- und Verpackungsmaschinen.

Bei allen drei Verdrahtungsvarianten sind die über das SD-Interface übermittelten Diagnosesignale der Sicherheitsschaltgeräte einzeln auswertbar und die Zuhaltungen einzeln ansteuerbar.

Produktivitätssteigernde Lösung

Bei den Diagnoseinformationen kann zwischen sicherheitskritischen und nicht sicherheitskritischen Fehlern unterschieden werden. Bei sicherheitskritischen Fehlern werden die Sicherheitsausgänge sofort abgeschaltet.

Bei nicht sicherheitskritischen Fehlern wird eine Fehlerwarnung ausgegeben. Erst nach Ablauf von 30 Minuten werden die Sicherheitsausgänge abgeschaltet. Dieser zeitliche Puffer ermöglicht statt einer harten Abschaltung ein gezieltes Herunterfahren der Maschine oder Anlage wodurch sich gravierende Folgeschäden und kostspielige Reparaturen vermeiden lassen.

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