DESINA - DEzentrale und Standardisierte INstAllationstechnik

DESINA beschreibt ein umfassendes Gesamtkonzept für die Standardisierung und Dezentralisierung der fluidtechnischen und elektrischen Installation von Maschinen und Anlagen. In Zusammenarbeit zwischen der Maschinenbau-, der Automobil- und der Zulieferindustrie wurden hierfür die Spezifikationen der notwendigen Komponenten detailliert. DESINA berücksichtigt bewährte Lösungen, wie z.B. offene Bussysteme, Industriestandards für Stecker, etc. Durch Vereinheitlichung der Komponenten, Schnittstellen und Verbindungselemente, wie z.B. ein Hybridfeldbuskabel (Cu/LWL), können unterschiedlichste Feldbussysteme auf einer gemeinsamen physikalischen Basis realisiert werden.

Ausgangssituation

Die Material- und Fertigungskosten von modernen SPS oder CNC gesteuerten Maschinen können einen Anteil von bis zu 76% der Gesamtkosten erreichen. Mit neuen Produktionsstrukturen und einer Verringerung der Fertigungstiefe konnte z.B. die deutsche Werkzeugmaschinenindustrie in den letzten Jahren eine deutliche Reduktion dieses Kostenanteils erreichen. Auch die Produktstruktur und die verwendete Technik wird überdacht. Genannt seien die Bemühungen zur Einführung modularer Konzepte und zur Verwendung standardisierter Elemente.

Bislang wurden diese Strategien im wesentlichen nur auf mechanische Strukturen angewendet. Berücksichtigt man jedoch, daß an CNC-Maschinen zwischen 25% und 60% der Herstellkosten durch die Elektroausrüstung verursacht werden, so wird deutlich, daß auch die Installationstechnik, die sowohl technisch als auch kostenmäßig wesentlich durch die Elektrik beeinflußt ist, überdacht und optimiert werden muß.

Zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit ist die Verringerung der Gesamtkosten der Fertigungseinheit, speziell auch der Betriebs- und Instandhaltungskosten notwendig. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß auf elektrische, pneumatische und hydraulische Komponenten bis zu 36% der Stillstandsursachen und 26% der gesamten Stillstandszeiten an modernen Werkzeugmaschinen zurückzuführen sind. Die Variantenvielfalt der eingesetzten Komponenten bedingt darüber hinaus nicht nur hohe Aufwendungen für die Lagerhaltung, sondern erfordert auch unterschiedlichste Hilfsmittel und vielfältiges Know-how.

Ansätze

Im Rahmen des vom VDW geförderten Projekts "Installationstechnik an Werkzeugmaschinen" wurden auf Basis einer eingehenden Analyse der Ist-Situation strukturelle und technische Konzepte für eine kostengünstigere Installationstechnik entwickelt. Unter Nutzung neuer Technologien soll die Installation vereinfacht, die Montage- und Instandsetzungsarbeiten beschleunigt, deren Qualität gesteigert und eine hohe Verfügbarkeit der gesamten Maschine erreicht werden. Wesentliche Leitgedanken sind eine weitgehende Dezentralisierung und somit auch Modularisierung der Installation und eine umfassende Diagnose auf Komponentenebene.

Das Projekt wurde von einem branchenübergreifenden Arbeitskreis begleitet. Vertreter der Werkzeugmaschinen- und der Automobilindustrie definierten aufgrund von Erfahrungen bei der Montage und Instandsetzung Anforderungen und diskutierten mit Zulieferanten Vorschläge zu technischen Lösungen. In gemeinsamen AK-Sitzungen wurden Spezifikationen und zukünftige technische Standards erarbeitet.

Wesentliche Ergebnisse

Auf Basis am Markt verfügbarer offener Bussysteme, wie z.B. PROFIBUS, CAN, INTERBUS-S, etc. werden bereits heute Produktionsanlagen installiert. Um die angestrebte konsequente Dezentralisierung an kompakten Maschinen, wie z.B. Werkzeugmaschinen, umsetzen zu können, werden in DESINA Komponenten, die auch den besonderen Anforderungen aggressiver Umgebungsbedingungen gerecht werden, spezifiziert.

Ein Ergebnis des Arbeitskreises sind Profile (siehe unten) für elektromechanische Schnittstellen, wie z.B. Steckverbinder, für die Kabel- und Leitungstechnik und für die am häufigsten verwendeten Feldkomponenten, wie z.B. induktive Näherungsschalter, Hydraulik- und Pneumatik-Wegeventile, Motorabgänge und E/A-Verteiler-Module.

Die von Zulieferanten vorangetriebene Produktentwicklung ermöglichte es mit Vorversionen und Prototypen zwei Werkzeugmaschinen am iwb der TU-München umzurüsten. Neben der hardwarebezogenen Diskussion der technischen Lösungen konnte das Wirtschaftlichkeitspotential dezentralisierter Installationskonzepte bewertet werden.

Die analysierten Einsparungspotentiale von bis zu 25% bei kompakten Bearbeitungszentren und bis zu 60% bei Sondermaschinen wurden durch Erfahrungen eines Herstellers untermauert. Die Einsparungen ergeben sich im wesentlichen durch geringere Aufwendungen in der Fertigung und Montage. Der Materialkostenanteil wird kurzfristig um 15-20% steigen. Mit der zunehmenden Akzeptanz der spezifizierten Standardkomponenten und deren Einsatz bei Herstellern und Anwendern von Werkzeugmaschinen werden mittelfristig auch die Materialkosten sinken. Die Zusatzkosten für die Integration von Diagnosefunktionalität an Komponenten amortisieren sich aufgrund der reduzierten Aufwendungen im Betrieb, da Fehler schnell lokalisiert und somit effizient behoben werden können.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß durch eine konsequente Umsetzung dezentraler Installationskonzepte und eine durchgängige Verwendung der spezifizierten Komponenten sowohl die Werkzeugmaschinen- als auch die Automobilindustrie Kosten in Projektierung, Realisierung und Betrieb von Anlagen einsparen kann.


Gesamtkonzept für die WZM-Installation

Der Grundgedanke des Konzepts folgt den bekannten Ansätzen zur Dezentralisierung. Steuerungs- und elektrotechnische Funktionsgruppen werden aus einem zentralen Schaltschrank ausgegliedert und die Funktionen weitestgehend direkt an den Komponenten im Feld integriert. Basis für die Dezentralisierung sind offene Feldbussysteme nach dem Stand der Technik.>

Einfache Komponenten, wie z.B. Näherungsschalter und Wegeventile werden über dezentrale und konfigurierbare E/A-Module mit der Steuerung verbunden. Eine Sammelfehlermeldung beispielsweise von Näherungsschaltern oder Ventilen kann wesentlich zur Reduktion der Inbetriebnahme- bzw. Wiederinbetriebnahmezeiten beitragen. Neben den E/A-Modulen werden bei komplexen Elementen, wie z.B. Motorabgängen, Proportionalventilen etc., Feldbusschnittstellen und umfangreichen Diagnosefunktionalitäten integriert.

Durch vereinheitlichte elektromechanische Schnittstellen wird die Installation erheblich vereinfacht. Je nach Ebene in der Automatisierungshierarchie und je nach zu übertragenden Medien, wie z.B. Signale und/oder Energie, sind Steckverbinder definiert. Für die Signalübertragung werden Lichtwellenleiter (LWL) eingesetzt. Neben dem technischen Vorteil einer hohen elektromagnetischen Verträglichkeit kann die Hardware weitestgehend unabhängig von dem, durch den Kunden geforderten, Kommunikationsprotokoll installiert werden.

Im Cu-LWL-Hybridkabel werden Signalleitungen als Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) und Steuerleitungen (24V) aus Kupfer zusammengefaßt. Durch Verwendung dieser Übertragungssysteme wird die Vielzahl an unterschiedlichen Kabeln bei einer angestrebten Bus-Installation im Maschinenfeld erheblich reduziert.

Mit einer eindeutigen Farbcodierung der Leitungsummantelung kann auf Verlegungsvorschriften, wie z.B. minimale Biegeradien oder Gefahrenpotentiale, hingewiesen werden, die z.B. beim Umgang mit Leistungskabeln für den Antrieb gegeben sind. Da alle Kabel in erster Linie in vorkonfektionierter Form zu verwenden sind, können Aufwendungen in der Vormontage, Instandsetzung und Lagerhaltung drastisch reduziert werden.

Aufgrund des Einsatzes sicher getrennter Niederspannungstransformatoren wird auf den Anschluß des PE-Schutzleiters in 24V Steuerkreisen und eine entsprechende Ader in den Kabeln verzichtet.

Bei der Spezifikation der Leitungen, als auch der Module wurde darüber hinaus auch die Forderung nach einer sicheren Stillsetzung von Aktoren im NOT-AUS-Fall berücksichtigt. Eine Hälfte der Ausgangsstufen an den E/A-Modulen wird mit einer Steuerspannung versorgt, die zentral im Schaltschrank durch kontaktbehaftete Technik im NOT-AUS-Fall abgetrennt werden kann.

In einer konsequenten Fortsetzung der Aktivitäten wird zur Zeit an einem gesamtheitlichen Sicherheitskonzept für Werkzeugmaschinen gearbeitet. In diesem Rahmen soll auch eine Lösung für die Übertragung sicherheitsrelevanter E/A-Signale auf Basis offener, nicht spezialisierter Bussysteme aufgezeigt werden.

Im folgenden sind die Auszüge der erarbeiteten DESINA-Spezifikationen für wesentliche Komponenten der Installationstechnik zusammengestellt. Interessierte Entwickler können sich die Technische Spezifikation Ver.1.5 vom FTP-Server des VDW herunterladen:
Klicken Sie im Hauptmenü links auf "Spezifikation"


Induktive Näherungsschalter mit Diagnosefunktionalität

Um die Varianten im Werkzeugmaschinenbau einzuschränken wird für die Projektierung von Anlagen folgende Spezifikation eines induktiven DESINA-Näherungsschalters festgelegt:

Die Diagnosefunktionalität ist nur möglich, wenn in der Sensorleitung keine LED integriert ist. Für die Installation wird daher das spezifizierte Standard-Sensor-Aktor-Kabel verwendet.


Hydraulische Wegeventile mit Diagnosefunktionalität

Die folgende Spezifikation für ein hydraulisches DESINA-Wegeventil gilt weitestgehend auch für pneumatische ISO-Ventile:

Ein zentraler Anschluß über einen M12-Stecker am Ventil würde einer einheitlichen PIN-Belegung für Ein- und Ausgänge am E/A-Modul und somit dem Systemkonzept widersprechen.


Dezentrales konfigurierbares E/A-Modul mit sicherer Trennung

Die konfigurierbaren DESINA-E/A-Module in hoher Schutzart werden mit dem Hybrid-Feldbusstecker an ein offenes Feldbussystem angeschlossen.


Dezentrale, am Motor integrierte Motorabgangstechnik

Eine konsequente Dezentralisierung setzt die Integration der Abgangstechnik am ungeregelten Drehstrommotor voraus:


Verbindungstechnik - Steckverbinder und Kabeltechnik

Alle Sensoren und Aktoren im Feld werden mit vorkonfektionierten M12-Leitungen (ohne integrierte LED) installiert.

Die Feldbuskomponenten werden generell über Hybridfeldbus-Kabel mit dem Feldbussystem verbunden. Hierzu wird der standardisierte Hybridfeldbus-Stecker eingesetzt. Die optisch aktiven Elemente und die Anpassung für unterschiedliche Busprotokolle sind in den Komponenten integriert. Der Anschluß der ungeregelten Drehstromantriebe erfolgt ebenso in Stecktechnik - motorseitig: Han 10 E, abgangsseitig: Han Q 8, Han 10 E oder mit fest angeschlagenem Kabel.

Mit sicher getrennten Transformatoren kann auf die Installation der PE-Leiter im 24V-Netz verzichtet werden.

Folgende Leitungsfarben sind zur Funktionscodierung definiert:

  orange, RAL 2003: Servokabel, geschirmt

   grün, RAL 6018: Meßsysteme, geschirmt

   violett, RAL 4001: Feldbus, Hybridfeldbus-Kabel 4x1,5mm2, 2 x LWL

   gelb, RAL 1021: Sensor/Aktorkabel, ungesch. 4 x 0,34mm2 Cu

   schwarz, RAL 9005: Leistungskabel, ungeschirmt

   grau, RAL 7040: 24 V Steuerleitung, ungesch.

Die Ummantelung aller Leitungen muß gegen industrielle Schmierstoffe resistent sein.


Im Herbert Utz Verlag sind zu diesem Thema umfangreiche Dokumentationen erschienen:
Installationstechnik an Werkzeugmaschinen - Analysen und Konzepte, ISBN 3-931327-79-5
Installationstechnik an Werkzeugmaschinen - Abschlußseminar, ISBN 3-931327-29-9


Kontakt und inhaltliche Fragen zu DESINA über D. Hagemann (vdw) ()