Schneller Umrüsten von Gummi-Spritzgießmaschinen

Das sukzessive Umrüsten von Produktionsmaschinen auf moderne Sicherheitstechnik ist in der Industrieautomatisierung alltäglich. Beim Retrofit von Gummi-Spritzgießmaschinen für das Herstellen von hochwertigen Gummidichtungen wurde auch im Sinne der aktuellen Maschinenrichtlinie die Sicherheitstechnik an die neuen Anforderungen angepasst. Gelöst wurde dies mit einer standardisierten Sicherheitslösung auf Basis eines modularen Sicherheitssystems. Der Vorteil, jede Maschine, ob groß oder klein, hat dann einen standardisierten Aufbau, wodurch zudem das Umrüsten beschleunigt wird und die Instandhaltungsabteilung von der so gewonnenen Übersichtlichkeit profitiert.

Hochwertige Gummidichtungen kommen unter anderem aus Leverkusen. Dort hat die SKF Sealing Solutions ein Produktionswerk für Hightech-Produkte, die zum Großteil in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. 22 Gummi-Spritzgießmaschinen zwischen 90 t und 320 t Schließkraft sind dort im Dreischichtbetrieb im Einsatz. Nun war es an der Zeit, die Steuerungstechnik einer Verjüngungskur zu unterziehen, um in Bezug auf Handhabung und Verfügbarkeit die gewünschte Zukunftssicherheit sicher zu stellen. „Dabei mussten wir auch im Sinne der aktuellen Maschinenrichtlinie die Sicherheitstechnik an die neuen Anforderungen anpassen“, berichtet Jürgen Schwerdfeger aus der Fertigungsentwicklung bei SKF Sealing Solutions. Zur Auswahl standen drei Möglichkeiten: Fehlersichere Steuerung plus Kommunikation über Profisafe, modulares Sicherheitssystem mit Asisafe-Kommunikation beziehungsweise modulares Sicherheitssystem mit klassischer Parallelverdrahtung und Profibus-Kommunikation zur Maschinensteuerung. Asisafe ist einfach im Aufbau und über das CTT2-Protokoll gibt es die Möglichkeit Diagnosedaten kostengünstig an die überlagerte Steuerung zu übertragen. „Wir haben uns dennoch für letztere Variante entschieden, weil der Gesamtaufbau mit Parallelverdrahtung für unseren Anwendungsfall besser passt und gleichermaßen erweiterte Steuerungs- sowie Diagnosefunktionen zu bieten hat.“

„Was das bedeutet, erklärt sich folgendermaßen: Zentrale Komponente der neuen Sicherheitstechnik ist das Modulare Sicherheitssystem (MSS) Sirius 3RK3 von Siemens. An das Advanced-Basisgerät lassen sich rechts bis zu neun Erweiterungsmodule – fehlersicher und Standard – anreihen. Für die Profibus-Kommunikation kann auf der linken Seite ein entsprechendes Zusatzmodul ergänzt werden. „Dadurch erreichen wir für jede Maschine – groß oder klein – einen standardisierten Aufbau; einerseits beschleunigt das die Umrüstung, andererseits profitiert die Instandhaltungsabteilung von der so gewonnenen Übersichtlichkeit“, erklärt Jürgen Schwerdfeger.

Hohe Schalthäufigkeit kein Problem
Entscheidend für das letztendlich gewählte Umrüstkonzept war das Abwägen von Vor- und Nachteilen der drei Sicherheitslösungen in Verbindung mit einer tatkräftigen Unterstützung durch den Gerätelieferanten. Vorausgegangen waren Tests, die die hohe Flexibilität und Leistungsfähigkeit der MSS-Variante bestätigt haben. Ein wesentlicher Aspekt war für die Leverkusener die Fähigkeit zur Systemdiagnose der Geräte. So werden beim MSS Testimpulse nach einem bestimmten Algorithmus auf die Sensorik gegeben und so deren ordnungsgemäße Funktion bestätigt sowie ein eventueller Querschluss bzw. Kurzschluss diagnostiziert.
Ein Fertigungsentwickler ergänzt: „Nach den Vorgaben der Schalthäufigkeit normaler Sicherheits-Schaltgeräte hätten wir diese vermutlich nahezu alle 2 bis 3 Jahre austauschen müssen.“ Denn die überwachten Schutz- türen werden in der Gummidichtungs-Herstellung häufig geöffnet und geschlossen. Der Praktiker kommentiert: „Wir verwenden grundsätzlich nur elektronische Ausgänge, dann bekommen wir gemäß EN ISO 13849-1 keine Probleme mit der Schalt- häufigkeit der Sicherheitstechnik.“
Die Not-Halt-Taster und überwachten Türkontakte plus Verriegelung werden direkt auf das Sirius 3RK3 verdrahtet. Dieser klassische Ansatz kann schnell umgesetzt werden und unterstützt eine wichtige Forderung: Die Instandhaltung kann einfach und selbstständig ein Fehlerbild lokalisieren und wenn notwendig schnell beheben. Dies ist besonders wichtig bei einem 24/7 Produktionsprozess. Programmiert wird mithilfe der Software MSS ES von Siemens, wobei die Einstellungen über einen USB-Adapter oder per Profibus-Kommunikation auf das Gerät übertragen werden. „Auch dabei erweist sich die gewählte Lösung als serviceorientiert“, freut sich Jürgen Schwerdfeger. Denn das Sicherheitsprogramm wird auf einen steckbaren, wiederbeschreibbaren Speicherbaustein geladen. Im Servicefall lässt sich dieser einfach nach unten abziehen, in das neue MSS-Gerät wieder einstecken und die Sicherheitstechnik arbeitet weiter.

Komplexe Sicherheitskreise in der Software
Vor allem die hohe Flexibilität, die mit dieser Sicherheitstechnik-Lösung einhergeht, hat den Praktiker überzeugt. Es gibt zahlreiche Eingänge, die zweikanalig verdrahtet werden, um letztendlich den Performance Level PLe gemäß EN ISO 13849-1 zu erreichen. In der Software lassen sich die Ein- und Ausgänge komfortabel zu komplexen Abschalt- und Freigabekreisen verschalten. „Mit reiner Hardwareverdrahtung wäre ein solcher Funktionsumfang überhaupt nicht darstellbar gewesen“, bekräftigt der Leverkusener Fachmann.
Selbst in Bezug auf Platzbedarf, Kosten und Installationsaufwand gewinnt die moderne Lösung gegenüber konventionellen Lösungen. Eine konventionelle Sicherheitstechnik hätte viele unterschiedliche Einzelmodule erfordert, mindestens einen Tag mehr Verdrahtungsaufwand bedeutet und mehr Planungszeit erfordert – abgesehen von den höheren Kosten.
Ebenso wichtig war auch der um die Hälfte reduzierte Platzbedarf des MSS gegenüber einer konventionellen Sicherheitstechnik. Durch die Tatsache, dass die neue Lösung in den vorhandenen Bauraum im Schaltschrank passen muss, war das im Entscheidungsprozess ein weiterer wesentlicher Aspekt. Die gesamte Modernisierungslösung ist auf zwei Trägerplatten montiert, die über jeweils vier Schrauben schnell im Schaltschrank fixiert werden können. In Verbindung mit der Vorkonfektionierung der Steuerungs- und Sicherheitstechnik wird Zeit bei der Umrüstung gespart: Auf Platte 1 befinden sich CPU plus Analogtechnik, auf Platte 2 ist die digitale Peripherie plus Sicherheitstechnik montiert.
Geschützt wird das MSS mithilfe der elektronischen Sicherung Sitop PSE 200U von Siemens, Nürnberg, für vier Verbraucherabzweige pro Modul. Diese Schutzgeräte für 24-V-Abzweige lassen sich selektiv einstellen und reagieren sehr flink. Sie ersetzen damit Schmelzsicherungen und ermöglichen die zuverlässige Überwachung der Sicherheitsschaltgeräte bezüglich Überlast und Kurzschluss. Dabei lässt sich jeder Ausgang über Potentiometer zwischen 0,5 A und 3 A bzw. 3 A und 10 A fein einstellen. Selbst ein Fern-Reset von zentraler Stelle aus ist damit möglich.

Einfacher Anschluss möglich
Auch das MSS kann über die Steuerung direkt gesteuert werden. In dem standardisierten Aufbau für das Retrofit der Gummi-Spritzgießmaschinen kommt eine Simatic S7-1500 mit der CPU 1516-3 PN/DP zum Einsatz. Diese besitzt zwei Ethernet-Schnittstellen, eine für Profinet-Basisfunktionen und eine für die Profinet-IO-Kommunikation. Über die zusätzliche Profibus-Schnittstelle erhält die Steuerung Diagnosemeldungen des MSS ohne zusätzlichen Programmieraufwand. Die Erstellung besonderer Funktionsbausteine ist dabei unnötig, die Daten können vom Anwender direkt aus dem Prozessabbild der Eingänge abgegriffen werden. Aufgrund der 64-Bit-Datenpakete in Sende- und Empfangsrichtung lassen sich auch Zusatzfunktionen im Modularen Sicherheitssystem 3RK3 verarbeiten wie zum Beispiel das Quittieren über das HMI (Human Machine Interface) oder das Schalten der Hydraulikpumpe in der Zentralhydraulik.
„Für unseren Anwendungsfall sind das zusätzliche Vorteile, die überaus praktisch sind“, betont Jürgen Schwerd-feger. In Verbindung mit dem MSS kann nun die hydraulische Druckerzeugung ohne großen Aufwand mit in die Sicherheitstechnik integriert werden: Beim Öffnen der Schutztür schaltet das Sicherheitsventil, das sich direkt hinter der verstellbaren Druckpumpe befindet, fehlersicher ab und entlastet die Hauptdruckleitung in den Tank. Die Schaltstellung des Ventils wird digital ins MSS zurückgeführt. Zusätzlich kann die Pumpe direkt aus der Steuerung über das MSS ein- oder ausgeschaltet werden.

Modulares Sicherheitssystem mit Profibus
Die sukzessive Modernisierung von Gummi-Spritzgießmaschinen bei SKF Sealing Solution hat gezeigt, dass mit dem Modularen Sicherheitssystem Sirius 3RK3 ein flexibles und komfortables Umrüsten möglich ist. Nach eingehender Planung hat sich die Variante mit Profibus-Kommunikation als geeignetste Lösung erwiesen. Übersichtlicher Aufbau, hohe Flexibilität, geringer Platzbedarf und schnelle Installation waren dabei die wichtigsten Aspekte der Entscheidung.
Mit einem standardisierten Aufbau lässt sich die Sicherheitstechnik nach den hohen Anforderungen der Europäischen Maschinenrichtlinie ohne großen Aufwand individuell anpassen. Aufgrund der Profibus-Kommunikation lassen sich einerseits gewisse Funktionen wie das Zu- und Abschalten der hydraulischen Verstellpumpe über die Steuerung durchführen. Andererseits erhält die Steuerung wichtige Diagnose- informationen aus dem MSS. Damit passt sich die Sicherheitstechnik mit ihrem einfachen und übersichtlichen Aufbau in die Steuerungsumgebung mit ein. Schließlich ist die Modernisierung der Steuerung Ausgangspunkt für die sukzessive Umrüstung der Maschinen gewesen. Durch den modularen Aufbau von Sicherheitstechnik und Standardautomatisierung auf zwei vorkonfektionierten Trägern kann die Umrüstung bedarfsabhängig sehr rasch erfolgen. Jürgen Schwerdfeger fasst zusammen: „Diese Sicherheitslösung ist einfach, kompakt und flexibel, so dass man wirklich von einem klasse Ergebnis sprechen kann.“

Technik im Detail: Modulares Sicherheitssystem

• Das MSS besteht aus den Systemkomponenten:
  Zentralmodule: MSS Basic; MSS Advanced; MSS ASIsafe; Erweiterungsmodule; Interfacemodul; Diagnosemodul; Parametrier-Software und Zubehör.
• Einsatzgebiete:
• Schutztür-Überwachung und Zuhaltung – Parametrierbar je nach Betriebsart (Normal-, Service- oder Fehlerfall).
• Muting – Überwachung der Zufahrtswege für den Transport von Materialien zur Weiterbearbeitung in einen oder aus einem Gefahrenbereich. Einerseits Personen beim Eindringen in den Gefahrenbereich vor Schaden schützen und andererseits die Materialien ungehindert passieren lassen.