Nutzen stiften mit IO-Link

EXKLUSIV IN KEM Der Autor Dr. Detlef Zienert verantwortet den Bereich Business Development and Strategic Marketing bei der Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F.

Mit der modular aufgebauten, zweistufigen Hochleistungs-Falteinschlagmaschine für Karton-Multiverpackungen werden mit einer Taktrate von 200 Stück pro Minute vorgruppierte, kleine rechteckige Süßwaren, etwa Schokolade-Riegel und Kaugummistreifen, in der Anlage zuerst kartoniert und anschließend in dicht versiegeltes Zellophan zu Multiverpackungen konfektioniert. Eine mit IO-Link ausgestattete, modulare, automatisch arbeitende Staplereinheit sorgt für eine zuverlässige und effiziente Zuführung der Kartonage.

Eine besondere Herausforderung sind die vielfältigen Bewegungen innerhalb der Anlage, die mit hoher Geschwindigkeit ineinandergreifen und deshalb streng koordiniert und zuverlässig ablaufen müssen. LoeschPack setzt auf die Kombination von mechanisch kurvengesteuerten Antrieben mittels zentraler Antriebswelle und servogetriebenen Bewegungen. Die so genannte Königswelle verfügt über gehärtete, maschinenspezifisch ausgelegte Kurvenscheiben mit speziell berechneten Kurvenprofilen, die dafür sorgen, dass alle Bewegungen und Aggregate fest gekoppelt, damit zwangsgeführt und auch bei hohen Geschwindigkeiten streng koordiniert mit dem Hauptantrieb laufen.

Die Entscheidung, ob Servomotor oder mechanischer Antrieb, wird immer in Abhängigkeit der Applikation und deren Erfordernisse gefällt. „Mit zahlreichen Einzelmotoren als Antrieb hätte man die gewünschte hohe Zuverlässigkeit im Langzeitbetrieb kaum erreichen können“, erklärt Ulrich Hausner, stellvertretender Leiter Elektro-Konstruktion bei LoeschPack. Ziel sei immer, die sinnvollste Kombination von mechatronischen Systemen zu implementieren. Dabei stehen Kriterien wie Sicherheit, Bedienbarkeit und technische Zuverlässigkeit im Vordergrund.

Mit IO-Link setzt LoeschPack an der Anlage kein neuartiges Bussystem ein, sondern einen vielseitigen Kommunikations-Standard, der mit der USB-Schnittstelle im Rechnerumfeld vergleichbar ist. Beides sind kostengünstige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für die Signal- und Energieübertragung, die sich nach Plug-and-Play-Manier betreiben lassen. Während USB sich längst als Standard für den schnellen und kostengünstigen Anschluss der Computer-Peripherie durchgesetzt hat, ist IO-Link gerade dabei, eine vergleichbare Rolle als Installationssystem zum Anschluss von Sensoren, Aktoren, Bedien- und Anzeigeelementen im Maschinenbau zu spielen.

Der Clou: IO-Link ist abwärtskompatibel zu sämtlichen Standardsensoren und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen. Das bedeutet für den Anwender, er kann, aber er muss nicht Sensoren und Aktoren mit IO-Link-Schnittstelle einsetzen, um Vorteile zu generieren.

In technischer Hinsicht vollzieht sich die Datenübertragung mittels IO-Link immer zwischen einem IO-Link-Master und einem angeschlossenen IO-Link-Gerät (Device) als Slave. Als IO-Link-Master stehen sowohl Feldbusanschaltgruppen, typischerweise in IP 67-Ausführung, als auch SPS-Schnittstellenbaugruppen zur Verfügung. Binäre Sensoren werden über spezielle Sensorhubs eingesammelt. Das Besondere: Der seriellen IO-Link-Schnittstelle genügt für alle Übertragungsaufgaben ein gewöhnliches, dreiadriges Standardkabel. Teure Buskabel, geschirmte oder ungeschirmte Sonderkabel entfallen ebenso wie zusätzliche Anschaltboxen. Das vereinfacht den gesamten Installationsprozess, weil die Verkabelung nun nur noch einen Bruchteil der zuvor üblichen Zeit in Anspruch nimmt. Von den Kosten ganz zu schweigen.

Konkret sieht die IO-Link-Installation bei LoeschPack folgendermaßen aus: Die elektronische Ansteuerung der Anlage erfolgt mit einer Simatic-7-Steuerung in Verbindung mit dezentraler Simatic-ET-200S-Peripherie mit Profibus Interface, beides von Siemens.

Als Master kommen im Schaltschrank des Staplermoduls zwei Schnittstellenkarten ET200S 4SI in Schutzart IP 20 mit jeweils vier IO-Link-Ports zum Einsatz. An diese sind sieben IO-Link-Sensorhubs 8xM8 IP67 von Balluff angeschlossen. Sie sammeln an der Staplereinheit die Signale der schaltenden Optosensoren ein, die die Mindesthöhe der Kartonstapel überwachen. Dabei werden jeweils acht Eingänge über jeweils einen Sensorhub auf einen IO-Link-Port gebündelt, um sie dann per einfacher, ungeschirmter Standard-Dreidrahtleitung via IO-Link zum Master und von dort per Profibus der Maschinensteuerung zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich werden dann noch über baugleiche passive Balluff Verteiler sicherheitsrelevante Signale weiterer Optosensoren „Kein Karton mehr vorhanden – dann Not-Aus“ direkt an ein Pilz-Sicherheitsmodul weitergeleitet.

Die besonderen Vorteile der IO-Link-Installation: LoeschPack erspart sich die aufwändige Parallelverkabelung für die 42 Optosensoren, da die Sensorhubs je nach Ausführung 8 oder 16 Eingänge auf einen IO-Link-Port konzentrieren. Damit sinkt für uns nicht nur der zeitliche Installationsaufwand gegenüber bisherigen Lösungen deutlich, sondern es werden auch teure Buskabel überflüssig. Dicke Kabelbäume entfallen – somit lässt sich die Staplereinheit wesentlich kompakter bauen.

Für Bestandsanlagen ergibt sich durch dieses neue Installationskonzept bei LoeschPack die Möglichkeit, Anlagen durch Stecken von IO-Link-Schnittstellenkarten einfach und platzsparend zu erweitern oder auch komplette Retrofitmaßnahmen durchzuführen. Die bestehenden IOs lassen sich dabei weiterhin nutzten, und gleichzeitig kann dezentral in IP67 Technik installiert werden. Zudem erreicht man mit nur einer IO-Link Master und vier Sensorhubs mit je 16 DI auf 15 mm Baubreite im Schaltschrank eine extrem hohe Kanaldichte auf engem Raum.

Die für die IO-Link-Installation erforderlichen Dreidrahtleitungen kürzen die Maschinenbauer selber von zwei Standard-Ausgangsgrößen auf die gewünschte Länge, um sie dann mit Balluff-Steckverbindern zu konfektionieren. „So gibt es keine Schlaufen und so genannte Schweineschwänze durch Kabelüberlängen, die zusätzlichen Platz an der Anlage oder in Kabelkanälen benötigen“, erläutert Ulrich Hausner.

„Wir haben uns ganz bewusst für die Sensorhubs in IP67 von Balluff entschieden“, so Hausner weiter. „Das ansprechende Design, die hohe Funktionalität, die geringe Baugröße und die einfache Handhabung haben uns auf Anhieb gefallen.“ Mit einer Zykluszeit von lediglich 2,5 ms passen die Hubs (Variante ohne Diagnosefunktion) dann auch optimal zum Siemens-Master mit seiner Zykluszeit von 5 ms. Die Anbindung der IP67-Welt in die ET200S-Peripherie in IP20 wurde so zum Kinderspiel. „Hier zeigt sich auch“, meint Hausner, „dass das Zusammenspiel verschiedener IO-Link-Devices, auch wenn sie von verschiedenen Herstellern stammen, problemlos klappt. Der IO-Link-Standard in seiner aktuellen Ausprägung sorgt für eine hohe Interoperabilität.“

Interessant für LoeschPack ist derzeit der Einsatz von IO-Link vor allem bei zustellbaren Modulen wie Endstapler, Förderbänder etc. Diese müssen besonders kompakt und platzsparend ausgeführt sein.

Für die durchgängige Nutzung von IO-Link in der gesamten Verpackungsmaschine sieht Ulrich Hausner in diesem spezifischen Fall derzeit keine Vorteile. So sitzt der Schaltschrank – eine Besonderheit von vielen Anlagen des Verpackungsmaschinenspezialisten – oberhalb des Schmutzbereichs direkt auf der Anlage. Die Kabellängen fallen deshalb extrem kurz aus. Die Verschraubungen und Dichtungen am Schaltschrank sind ausreichend für die zum Einsatz kommenden Reinigungsverfahren. Ein Wechsel von der IP20-Welt zu einer Installation in der Schutzart IP67, wie sie IO-Link bietet, hätte keine Vorteile.

Interessant könnte IO-Link eines Tages jedoch auch aus anderen Gründen werden. Stefan Horcher, Vertriebsingenieur von Balluff, der die IO-Link-Einführung bei LoeschPack begleitet hat, sieht hier noch viel Potenzial: „Der neue Kommunikationsstandard steht nicht nur für eine zeitsparende, schlanke Verkabelung, sondern auch für vereinfachte Parametrier- und Diagnosekonzepte“. Sinn mache dies vor allem dann, wenn viele parametrierfähige IO-Link-Sensoren und Aktoren in der Anlage verbaut sind. Sie ließen sich über IO-Link mithilfe von Daten- und Funktionsbausteinen zentral und softwarebasiert parametrieren, ganz gleich, wo sich die einzelnen Devices befinden. Seiner Erfahrung nach nutzen manche Maschinenbauer diese Features, um nach dem Aufbau einer Serienmaschine, quasi auf einen Rutsch, die gesamte Anlage zu parametrieren. Sie verkürzen damit nicht nur die Inbetriebnahme, sondern die gesamte Time-to-market-Phase, was wichtige Verkaufsargumente sein können. Darüber hinaus profitiert der Nutzer von dieser Möglichkeit, wenn er eine Anlage zeitsparend an eine neue Rezeptur anpassen will.

Weitere Möglichkeiten eröffnet IO-Link bei der Diagnose. Weil Maschinen von LoeschPack weltweit im Einsatz sind, genießen zuverlässige Fernwartungskonzepte Priorität. Hier können IO-Link-Sensoren und Aktoren richtig punkten, denn sie machen den Blick auf die Prozessebene frei. Der Service-Mitarbeiter erkennt im Fall einer Störung im Detail, was dem Sensor oder Aktor fehlt. Vielleicht ist ja nur ein Sensor verschmutzt und das entsprechende Meldebit gesetzt. In jedem Fall erhält der Maschinenbediener eine klare Diagnose und konkrete Tipps, wie er Abhilfe schaffen kann.

Balluff, Tel.: 07158 173-0 E-Mail: balluff@balluff.de