Präzision dank millimetergenauer Steuerung / Drahtlose

© Siemens AG 2015
Referenz
Industrielle Kommunikation
Präzision
dank millimetergenauer Steuerung
Drahtlose Kommunikation ermöglicht zuverlässigen Betrieb
von fahrerlosen Transportsystemen
Ein fahrerloses Transportsystem (FTS) in Aktion zu sehen bedeutet ein technisches Wunderwerk mitzuerleben:
Das FTS, mit einer Ladung im Wert von mehreren Millionen, muss millimetergenau gesteuert werden (Genauigkeit
im 5-Millimeter-Bereich). Die Koordination der fahrerlosen Transportsysteme ist dabei eine Herausforderung.
Bei fahrerlosen Transportsystemen handelt es sich nur
um eines von 15 fortschrittlichen AutomatisierungssystemProduktreihen, die Fori Automation für die Luftfahrt-, Automobil- und Rüstungsindustrie anbietet. 1984 außerhalb von
Detroit gegründet, hat das Unternehmen nun weltweit
Anlagen installiert, um Kunden rund um den Globus zu
bedienen.
Unter den Automatisierungssystemen stellen fahrerlose
Transportsysteme hinsichtlich des Betriebs, der Steuerung
und der Sicherheit einige der größten und komplexesten
Herausforderungen, dar. Das liegt daran, dass diese speziell
für den Transport von großen und teuren Ladegütern und
Werkzeugen durch die Fabrikhalle konzipiert sind.
Drahtloses Kommunikationssystem als Lösung
Die Entwicklung eines drahtlosen Kommunikationssystems
für seine vielseitigen fahrerlosen Transportsysteme, das zuverlässig, geschützt und sicher arbeitet, ist die Grundvoraussetzung für einen reibungslosen Ablauf.
Die fahrerlosen Transportsysteme von Fori Automation sind
gewaltige, 25 Tonnen schwere rechteckige Metallkästen
etwa 12 Meter lang und 4,5 Meter breit. Speziell entwickelte
Polyurethan-Lenkrollen tragen das FTS- und Werkzeuggewicht
– was die Bodenbelastung minimiert und eine multidirektionale FTS-Bewegung ermöglicht. Vier Hall-Effekt-Sensoren
gewährleisten die korrekte FTS-Positionierung und eine sehr
genaue Führung.
Die häufigste Methode, um fahrerlose Transportsysteme
mit einer Spurführung zu versehen, ist es eine magnetische
Stange in eine schmale, in den Betonboden der Fabrik
geschnittene Rinne zu legen und mit Epoxid zu überdecken.
siemens.de/iwlan
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Gewährleistung von Integrität und Sicherheit
Stegner und sein Team entschieden sich für den Einsatz eines
PROFINET-basierten drahtlosen Industrial-Ethernet-Netzwerkes im 5-GHz-Frequenzbereich mit PROFIsafe-Protokollen
unter Verwendung der dezentralen Peripherie SIMATIC ET
200S und SCALANCE-Komponenten. Der 5-GHz-Frequenzbereich bietet mit neun Kanälen mehr Sicherheit als der
2,4-GHz-Frequenzbereich mit nur drei Kanälen.
Die fahrerlosen Transportsysteme sind speziell für den Transport von
großen Ladegütern und Werkzeugen durch die Fabrikhalle entwickelt.
Eine orchestrierte Vorstellung
Laut Greg Stegner, Projektingenieur für die Steuerung bei
Fori Automation, ist es recht kompliziert die Steuerung und
den Betrieb einer großen Anzahl von fahrerlosen Transportsystemen gleichzeitig zu synchronisieren. „Die fahrerlosen
Transportsysteme bewegen sich normalerweise durch große
Anlagenflächen und erledigen verschiedene Aufgaben”, sagt
er. „Die beladenen fahrerlosen Transportsysteme müssen
ständig mit anderen Anlagensystemen kommunizieren und
diese Kommunikation darf nie unterbrochen werden.”
Um diese komplexe Aufgabe zu choreographieren, benutzten
die Anwender eine Mischung aus kabelgebundenen und
drahtlosen Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human Machine
Interfaces = HMIs). „In der Vergangenheit haben sich kabelgebundene HMIs bewährt, solange die Kabel gut gehandhabt
wurden”, erklärt Greg Stegner. „Aber dann fielen dennoch
Kabel aus oder sie brachen; deshalb benötigten wir ein vollständig drahtloses HMI, das einfach zu erlernen und zu bedienen sowie sicher, zuverlässig und unterbrechungsfrei
arbeitet.”
Laut Stegner ist jetzt die Zeit gekommen, um die Kommunikation und Steuerung auf einem einzigen drahtlosen lokalen
Netzwerk (Wireless Local Area Network = WLAN) zu konsolidieren. Er und sein Team wählten aus zwei Gründen Siemens
als Zulieferer des Netzwerkes. Sie schätzten nicht nur die
innovative Technik und hohe Qualität der Komponenten,
sondern wussten auch, dass das Produktportfolio alles
beinhaltete, was sie benötigten. „Wir wollten uns nicht mit
Komponenten von verschiedenen Zulieferern auseinandersetzen”, erklärt Stegner. „Das hätte vielerlei Systemintegrationsprobleme bereitet.“
Obwohl auch andere Protokolle für Industrial Ethernet verfügbar sind, ist PROFINET mit fast fünf Millionen Knoten der
weltweit führende Standard. PROFINET verwendet den TCP/
IP-Ethernet-Standard mit Erweiterungen von speziellen
Industrieprotokollen, die eine deterministische EchtzeitKommunikation erlauben. Dies war entscheidend, um die
Anforderung einer stets unterbrechungsfrei arbeitenden
drahtlosen Kommunikation zu gewährleisten.
Zur zusätzlichen Sicherheit wurde die Applikation mit Siemens
PROFIsafe umgesetzt – dem ersten Kommunikationsstandard,
der den IEC 61508-Sicherheitsanforderungen entspricht. Dies
ermöglicht die Übertragung von Standard-Steuerungsdaten
und sicherheitsrelevanten Daten auf einem einzigen Kanal.
Dreischichtige Architektur
Die übergreifende Architektur der gewählten Lösung enthält
drei Ebenen:
(1) Die FTS-Steuerungsebene, einschließlich bordeigener
Steuerungen und drahtloser HMI-Bedienkonsole;
(2) die Ebene zur Koordination der Anlage (“Verkehrspolizist”)
sowie
(3) die IT-Infrastruktur und IT-Systeme der Anlage, einschließlich Manufacturing Execution System (MES) und
Enterprise Resource Planning (ERP) Software, wie z.B. SAP.
Um die bordeigenen Sicherheitsfunktionen des fahrerlosen
Transportsystems zu steuern, verwendet Fori Automation
das Interface-Modul IM151-8F PN/DP von Siemens mit fehlersicherer SIL-3-CPU-Funktion für die dezentrale Peripherie
SIMATIC ET 200S. Die Führungs- und Positionierungssensoren
des FTS sind mit dessen Servoantrieben über SIRIUS-Schütze
verbunden.
Für die Kontrolle des fahrerlosen Transportsystems verwenden die Bediener das tragbare, drahtlose HMI-Gerät
SIMATIC Mobile Panel 277F-IWLAN.
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Anlagenweite drahtlose Abdeckung
Verbesserte Sicherheit und geringerer Zeitbedarf
Sowohl die Sicherheits- als auch die Steuerungsgeräte kommunizieren über PROFINET mit einem SCALANCE X-Switch,
der mit einem drahtlosen SCALANCE W-Client verbunden ist.
Dieser fahrzeugeigene Client kommuniziert im 5-GHz-Band
mit fest montierten SCALANCE W Access Points (APs). Diese
sind in Schutzart IP65 ausgeführt, um den härtesten industriellen Umgebungsbedingungen zu widerstehen. Die APs
sind in der gesamten Anlage verteilt, um mit überlappenden
Funksignalen eine maximale Reichweite zu erreichen.
Durch das Eliminieren von kabelgebundenen HMI-Steuerungen ist die Bedienung der fahrerlosen Transportsysteme
viel leichter. Die enge Einbindung der fahrzeugeigenen Sicherheits-SPS sowie die erweiterte WLAN-Integration mit Steuerungen und der Bedienung anderer fahrerloser Transportsysteme steigert die Betriebssicherheit erheblich. „PROFINET
hat auch unsere Diagnosefähigkeit erweitert”, erklärt Stegner
weiter.
In der Vergangenheit wurden fahrerlose Transportsysteme
meist über eine Induktionsschleife in einem festen Kreis
geführt. Mit PROFINET ist eine kontinuierliche Kommunikation
zwischen dem fahrerlosen Transportsystem und der MasterSPS der Anlage bei jedem Schritt möglich. Dadurch wird eine
sehr viel höhere Bewegungsfreiheit und Positionierungsflexibilität der Streckenschaltungen erreicht.
Industrial Point Coordination Function (iPCF)
Er fügt hinzu, dass die nahtlose Interoperabilität der SiemensKomponenten den Zeitbedarf für die Entwicklung, den Aufbau
und das Testen von FTS-Lösungen durch Fori AutomationIngenieure drastisch reduziert hat. „Siemens setzt sich für
offene Standards ein – aus demselben Grund wie Fori Automation”, erläutert er. „So können wir einen Großteil unsere
Lösungen genauer an Kundenanforderungen anpassen, was
mit einem FTS-Universalprodukt nicht erreichbar wäre. Dies
ermöglicht es uns bessere Lösungen schneller und zu günstigeren Preisen zu liefern.”
Siemens iPCF ist für drahtlose industrielle Echtzeit-Anwendungen entwickelt worden. Bei Verwendung von IPCF arbeitet
jeder SCALANCE Access Point als Koodinator für den Datenverkehr und fragt Clients in kurzen Zyklen nach I/O-Daten ab.
So können Standarddaten wie Transportaufträge, Statusmeldungen und fehlersichere Kommunikation parallel auf
derselben Verbindung laufen. Die gesamte drahtlose Kommunikation muss unterbrechungsfrei ablaufen.
Laut Stegner war es einfach das PROFINET-Netzwerk einzurichten. „Man öffnet einen Browser und folgt den Anweisungen einer Reihe von Assistenten, die durch den Prozess
führen. Alle WLAN- und Sicherheitseinstellungen werden
bereitgestellt, und die iPCF-Funktionen eingerichtet”, erklärt
er. Mit der auf Siemens PROFINET-basierten drahtlosen
Lösung kann Fori Automation über iDevice jetzt bis zu
50 fahrerlose Transportfahrzeuge in einer Anlage einsetzen;
fast drei Mal so viele wie zuvor.
Siemens AG
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