Diskutierten über die Roboterzukunft (v.l.n.r.): Moderator Ken Fouhy (MM Maschinenmarkt, MM Erneuerbare Energien), Manfred Gundel (Kuka Roboter), Olaf Gehrels (Fanuc Robotics), Åke Lindqvist (IFR Präsident), Yoshikatsu Minami (Yaskawa Electric) und John Dulchinos (Adept). Bild: Kroh

Nach dramatischen Einbrüchen im Jahr 2009 befindet sich die Robotik-Industrie wieder auf Wachstumskurs. Im ersten Quartal 2010 schnellten die Industrieroboter-Verkäufe um über 50% in die Höhe. Das erklärte der Robotik-Verband IFR anlässlich der Automatica 2010. „Das ist der Beginn einer Erholung, die bis 2013 wieder zu jährlichen, weltweiten Verkäufen von annährend 100 000 Industrierobotern führen kann“, urteilte Åke Lindqvist, Präsident der International Federation of Robotics (IFR). Im vergangenen Jahr war die Anzahl der neu installierten Roboter weltweit um rund 45% auf 62 100 Stück zurückgegangen. In Nordamerika sanken die Verkaufszahlen um 48%, in Asien um 47% und in Europa um 41%. Besonders stark betroffen war Japan mit einem Minus von 57% im Vergleich zu 2008. Selbst im Wachstumsmarkt China wurden 31% weniger Roboter abgesetzt. Solartechnik bietet der Roboter-Industrie enorme Wachstumschancen Aber laut IFR gibt es noch hohes Potenzial für Industrieroboter besonders in wachsenden Branchen wie der Pharma- und Kosmetikindustrie, der Medizintechnik, der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, aber auch in der Metall- und Solarindustrie. „Riesige Verbrauchermärkte werden in China, Indien, Brasilien and Russland erschlossen“, betonte Lindquist. Deshalb erwartet die IFR für 2010 weltweit knapp 80 000 Roboterauslieferungen.  Über die Zukunft der Robotik diskutierten beim IFR Roundtable die CEO der führenden Roboterhersteller (sehen Sie dazu das Video). Einigkeit herrschte dabei darüber, dass die Automobilindustrie in den nächsten drei bis fünf Jahren der größte Roboterabnehmer bleiben werde.

Roboter muss so einfach zu bedienen sein wie ein iPhone

Parallel dazu werde allerdings die allgemeine Industrie deutlich wachsen. Die Roboter-Anwendung für die kleinen und mittelständischen Unternehmen zu vereinfachen betrachteten die Experten als eine große Herausforderung. „Der Roboter muss so einfach zu bedienen sein wie ein iPhone“, meinte Olaf C. Gehrels, President & CEO von Fanuc Robotics Europe.

Preisträger Alexander Verl vom Fraunhofer IPA (links) mit IFR Präsident Åke Lindqvist. Bild: IFR-IEEE

Während des Banketts der International Symposium on Robotics ISR 2010 in Kooperation mit der 6. German Conference on Robotics Robotik 2010, die im Rahmen der internationalen Fachmesse Automatica stattfand,  ist am 8. Juni der IERA Award an Univ.-Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl, Fraunhofer IPA für sein Projekt „Inline Measurement Robots – Robots Get the Precision for Car Body Inspection“ (Roboterbasierte Inline-Messtechnik für den Karosserierohbau) verliehen worden. Die IEEE Robotics and Automation Society (IEEE RAS) und die International Federation of Robotics (IFR) zeichnen mit dem Invention & Entrepreneurship Award – kurz IERA Award – außergewöhnliche Leistungen in der Vermarktung von innovativen Roboter- und Automatisierungstechnologien aus.

Innovative roboterbasierte Messtechnik für den Fahrzeugbau

Roboterbasierte Inline-Messtechnik hat sich in den letzten 10 Jahren als neue Anwendung für Industrieroboter im Karosserierohbau durchgesetzt. Früher kamen für solche Aufgaben stationäre Sensoren zum Einsatz. Vor allem dann, enn in einer Produktionslinie verschiedene Varianten eines Fahrzeugs gebaut werden sollen, verursachen diese Anlagen beträchtliche Investitionen. Denn pro Messpunkt und Fahrzeugvariante muss ein Sensor installiert werden.

Außerdem verursacht die Anpassung an neue Aufgabenstellungen einen erheblichen Aufwand, weil dabei Hardwareänderungen vorgenommen werden müssen. Schließlich ist es mit den stationären Systemen schwierig, alle relevanten Messpunkte im Fahrzeuginnenraum zu erreichen.

Temperaturempfindlichkeit von Robotern machte genaues Messen lange Zeit schwierig

Hinzu kommt, dass Standard-Industrieroboter durch Außentemperaturänderungen und Eigenerwärmung Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, die zu Fehlern größer 0,5 mm aufgrund von Wärmedehnung führen. Damit war der Roboter zur Kontrolle von Toleranzen kleiner 0,5 mm nicht einsetzbar.

Alexander Verl sich dieser Problematik angenommen und 1997 zusammen mit Stefan Pieters die Firma Amatec Robotics GmbH gegründet, die heute als Marktführer in der Messrobotik gilt. Schlüsselkomponente war dabei die voll in die Kuka-Steuerung integrierte, modellbasierte Temperaturkompensation. 2005 hat Verl Amatec an die Kuka Roboter GmbH verkauft, die nun am Thema Messrobotik weiterarbeitet.

Messrobotik heute Standard in der Automobilindustrie

Die meisten großen Autohersteller haben inzwischen flexible Messrobotersysteme von Kuka/Amatec im Einsatz. Verl hat 2005/2006 den Ruf an die Institute in Stuttgart angenommen und leitet nun mit über 500 Mitarbeitern das größte produktionstechnische Fraunhofer-Institut. Er beschäftigt sich dort weiterhin mit den Themen Steigerung der Dynamik und Genauigkeit von Werkzeugmaschinen und Robotern.

Schnuckelig klein, aber ganz groß, wenn es um den Funktionsumfang geht, präsentiert sich die auf der Automatica 2010 vorgestellte Mini- Platinenkamera mvBlueFOX-MLC von Matrix Vision. Bild: Matrix Vision

Bei der Entwicklung von Platinenkameras ist die Reduzierung der Größe ein wichtiger Parameter. Oft wird eine kompakte Bauweise durch einen Kompromiss beim Funktionsumfang erreicht. Die neue mvBlueFOX-MLC-USB-Plantinenkamera von Matrix Vision schafft quasi die Quadratur des Kreises: Sie ist klein, bietet aber dennoch den vollen Funktionsumfang. Dazu gehören eine gute Bildqualität bei sehr hoher Bildfrequenz und Unterstützung aller Sensorfeatures (wie High Dynamic Range). Bei einer Größe von nur 35 mm x 33 mm besitzt die Kamera zusätzlich einen Bildspeicher von 8 Mbyte für garantierte Bildübertragung sowie einen Mikro-SPS-Sequenzer für zeitkritische I/O- und Erfassungssteuerung. Die Kamera ist je nach Anforderung mit unterschiedlichen Ausstattungen im Hinblick auf Schnittstellen und Objektivgewinden erhältlich. Die Platine kann sowohl mit einem Mini-USB-Stecker als auch mit einer USB-Stiftleiste bestückt werden.

Objektivgewinde in drei unterschiedliche Tiefen verfügbar

Ein integriertes S-Mount-Objektivgewinde gehört zur Standard-Ausstattung und steht in drei unterschiedlichen Tiefen zur Verfügung. Optional können auch hochqualitative C- und CS-Mount Frontflansche gewählt werden. Auch bei der Wahl der digitalen Ein- und Ausgängen ist „industrielle“ Flexibilität vorhanden: 1/1 optisch-entkoppelte oder 2/2 TTL-kompatible digitale I/Os sind alternativ möglich. Derzeit ist der Aptina-WVGA-Sensor als Grauwert-Version und in Farbe verfügbar. Weitere Sensoren sind laut Matrix Vision in Vorbereitung.

Treiber für Linux und Windows

Für die Platinenkamera mvBlueFOX-MLC gibt es Treiber für Linux und Windows; außerdem wird neben Directshow, Neurocheck, Halcon, Labview und weiteren Produkten von Drittanbietern auch die Bildverarbeitungsbibliothek mvimpact von Matrix Vision vollständig unterstützt. Die neue Platinenkamera-Serie wurde auf der Automatica 2010 in München vorgestellt und soll ab Sommer 2010 erhältlich sein.

Blitzschnelles Austauschen von Leitungen: Energiekette „Triflex R“ in der „Easy“-Version. Die Leitungen werden einfach von Hand in die Kette hineingedrückt und sind immer von außen zugänglich. Bild: Igus

Wellschläuche können knicken und reißen. Deshalb hat Igus für Roboterhersteller und -anwender die 3D-Energiekette Triflex R entwickelt. Diese gibt es in drei Bauformen: Die geschlossene Ausführung ist für den Leitungsschutz bei rauen Anwendungen, etwa bei Schweißspritzern, Spänen und Schmutz geeignet. Die „Light“-Version ist ab Lager lieferbar, leicht handhabbar und besonders montageschnell. Bei der „Easy“-Version werden die Leitungen per Hand in die Kette hineingedrückt. Durch ihren modularen Aufbau mit Einzelelementen kann die mehrdimensional bewegliche Roboter-Kette jederzeit in der Länge angepasst werden. Ein Kürzen und Längen ist an jeder beliebigen Stelle möglich. Die hohe Zugfestigkeit wird über das sogenannte „Trailer-Prinzip“ erreicht. Die einzelnen Elemente sind nicht durch störende Stahlseile oder ähnliches miteinander verbunden, sondern wie bei einer Anhängerkupplung (Kugel-Pfanne-Prinzip). Durch diese kugelförmige Ausbildung ist die Beweglichkeit in alle Richtungen sicher gestellt. Es ist eine Verdrehung von etwa ± 10° pro Kettenglied möglich. Dadurch wird ein Führen der Leitungen um schwierige Geometrien unterstützt.

Keine Schlaufenbildung, kein Leitungsstress

Hinzu kommt eine definierte Bewegungsfreiheit in allen drei Dimensionen. Der Biegeradius ist in allen Richtungen gleich, was ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer von Kette, Leitungen und Schläuchen hat. Zudem wird durch den Einsatz von Federstabmodulen stets eine gerichtete Vorspannung erzeugt. So lassen sich automatische Rückzugsmechanismen, ähnlich wie bei einer Angelrute, realisieren und es könne nicht zu Schlaufen und Leitungsstress am Roboterkopf kommen.
Speziell für Roboteranwendungen auf engem Bauraum bietet Igus überdies ein „Triflex RS“-Set an, mit dem die Energiekette platzsparend parallel zum Roboterarm geführt wird. Dieses lässt sich direkt an allen Befestigungspunkten am Roboter montieren. Schließlich runden Protektoren, Schnellverschlusssysteme und Anbindungsmodule für nahezu alle Roboter das breite Programm ab.

Leitungen immer zugänglich

Für seine „Easy“-Version hat igus jetzt auf der Automatica 2010 zwei zentrale Neuheiten vorgestellt. Bei der „Easy“-Ausführung sind die Leitungen und Schläuche – welche einfach in die Kette reingedrückt werden – stets sichtbar und von außen zugänglich, um im Servicefall einzelne Leitungen oder das ganze Schlauch-/Leitungspaket blitzschnell austauschen zu können. Mit dieser Lösung werden die Instandsetzungsarbeiten verkürzt und Ausfallzeiten des Roboters verringert.

50% höhere Zugfestigkeit

Zum einen ist die „Easy Triflex R“ in der Größe 100 ab sofort auch mit einer Bolzenverbindung (sogenannte „C-Version“) als Verschlussart lieferbar. Das erlaubt eine mühelose Montage- und Demontagemöglichkeit der Kettenglieder. Die Verbindung der Kettenglieder ist über ein sphärisches Gelenklager – Kugelkalotte und Rastbolzen – realisiert, das für eine formschlüssige Kraftübertragung sorgt. Die lineare Zugkraftaufnahme wird weiter erhöht auf bis zu 4000 N. Die Energiekette kompensiert jetzt noch größere Torsionskräfte.

Radienstablität wurde erhöht

Zum zweiten bietet die „Easy Triflex R“ ab sofort ein weiter verbessertes Anschlagsystem durch einen zusätzlichen Anschlag (sogenannte „B-Version“). Das bringt eine bis zu vierfach höhere Radienstabilität, um bei komplizierten und sehr engen Bewegungen am Roboterarm noch höhere Kräfte aufnehmen zu können und dabei alle Leitungen zu schützen.

Die Kugel-Pfanne-Verbindung wurde dazu im Design verändert für extrem harte Anwendungsfälle mit großen Beschleunigungen und sehr hohen Geschwindigkeiten. Die vierfach gesteigerte Biegeradienbelastbarkeit wurde in zahlreichen Tests im firmeneigenen Igus-Technikum in Köln nachgewiesen, so der Hersteller.

Bei Laboranlagen zum Mischen, Dosieren, Applizieren und Testen von Rezepturen treibt die Automatisierung den Probendurchsatz in die Höhe.

Damit flüssige und rieselfähige Güter im Labor zehn. bis hundertmal schneller und deutlich genauer gemischt, geprüft und appliziert werden, kommt bei Hochdurchsatzanlagen eine hybride Antriebstechnik zum Einsatz. Wichtige Leistungselemente liefert dabei die Elektropneumatik. Auf die richtige Mischung kommt es an. Das gilt vor allem für Rezepturen, die sich aus verschiedenen Rohstoffen zusammensetzen. In der chemischen und pharmazeutischen Industrie ist das beispielsweise an der Tagesordnung. Heute automatisiert dort die Hochdurchsatztechnik das, was zuvor über Jahrzehnte weltweit in Laboren von Hand gemacht wurde. Diese Entwicklung schreitet weiter voran, um die Entwicklungszeiten für Produkte noch weiter zu verkürzen: vom Dosieren und Mischen der Rohstoffe über das Testen spezifischer Mischungseigenschaften bis zur Applikation, wobei in der Anwendung weitere Tests im Labor erfolgen.

Zehnmal höherer Probendurchsatz im Vergleich zum manuellen Testen
 
Klingt einfach, ist es aber nicht. Jedenfalls nicht dann, wenn der Anwender außer Zeit auch Kosten für Rohstoffe einsparen und ein möglichst der Realität entsprechendes Laborergebnis erhalten möchte. An diesem Punkt setzen Hochdurchsatzanlagen an, wie sie von Bosch Lab Systems, Waiblingen, – einem Unternehmensbereich der Robert Bosch GmbH – gebaut werden (Bild 1).
Das Ergebnis: Die Automatisierung ermöglicht, rund 100 Proben im gleichen Zeitraum zu testen. Ein Laborant schafft dagegen nur etwa zehn Formulierungen am Tag. Ferner ist der Verbrauch an Rohstoffen im Vergleich zur manuellen Arbeit deutlich reduziert (Bild 2).

Elektropneumatik in dezentrale Steuerungshierachie eingebunden

Wie das möglich ist, zeigt eine Anlage zur Entwicklung von Farben und Lacken. Die Antriebs- und Steuerungstechnik ist für die immer schneller werdenden Abläufe verantwortlich. Lineare Antriebsachsen, Transfersysteme und Steuerungen – diese Antriebskomponenten bewegen Module, steuern das Dosieren und sind die antreibende Kraft für die abschließenden Tests einer Rezeptur in der Laboranwendung. Wichtige Leistungselemente liefert dabei die Elektropneumatik. Zusammen mit den elektrischen und elektromechanischen Antrieben ist sie in eine dezentrale Steuerungshierachie eingebunden.

Basisrohstoffe für Lacke und Farben sind Flüssigkeiten mit niedriger bis hoher Viskosität. Dazu kommen Pigmente, Lösemittel und Zusatzstoffe. Sie alle müssen vorgehalten und in bestimmten Rezepturen – „Formulierungen“ – gemischt werden. Dafür hat Bosch Lab Systems eine Art Spritze entwickelt (Bild 3): ein spezieller Zylinder, der Flüssigkeiten unterschiedlicher Zusammensetzung aufnehmen kann. Wird ein Kolben eingesetzt, entsteht daraus eine hochgenaue Dosiervorrichtung mit Zusatznutzen: Die gleiche Spritze wird zur Herstellung der Formulierung und zum Aufbringen dieser Rezeptur auf eine Oberfläche verwendet, um abschließend die Farb- oder Lackeigenschaften realitätsnah zu testen.

Dauerbetrieb der Anlagen treibt Anforderungen in die Höhe

Die Anlagen sind modular aufgebaut, können beliebig viele Rohstoffe vorhalten und bestehen im Durchschnitt aus zehn bis 20 unterschiedlichen Modulen. Sie sind für den 24-h-Betrieb ausgelegt, um etwa 80% der Versuche in Laboren abzudecken. Daraus ergeben sich die technischen Anforderungen an die eingesetzten Komponenten. Dazu gehören hohe Qualität, Zuverlässigkeit sowie Langlebigkeit (Bild 4).

Damit Mischen, Dosieren, Testen und Applizieren reibungslos funktionieren, setzt Bosch Lab Systems bei den pneumatischen Linearantrieben auf das Ventilträgersystem HF04 von Rexroth (Bild 5), das funktionssicher direkt an den Profibus der Anlage angeschlossen ist. Für diese kompakten Ventile ist ein geringer Bauraum unproblematisch, ebenso wie für die kolbenstangenlosen Pneumatikzylinder der Baureihe RTC. Dies pneumatischen Zylinder halten starken Belastungen stand.
Wartungseinheit regelt spezifische Druckluftversorgung der Ventile.

So bieten sie eine hohe Querkraftstabilität. Weil der Schlitten und die Kolbenstange dieser Zylinderreihe eine Einheit bilden, lassen sich große Lasten bewegen – selbst dann, wenn der Schlitten von kleineren Zylindern angetrieben wird.

Außerdem kommen für pneumatische Linearantriebe kompakte, standardisierte ISO-Zylinder (Reihe CCI) zum Einsatz. Für die erforderliche „gute Luft“ sorgt eine modular aufgebaute Wartungseinheit, die Rexroth unter dem Namen Air Service System AS5 für große Luftmengen konzipiert hat (Bild 6). Dieses System übernimmt nicht nur die Standardfunktionen Filtern, Regeln und Ölen, sondern auch die Regelung der spezifischen Druckluftversorgung der Ventile.

Steuerungs- und Antriebstechnik aus einer Hand

Die gesamte Steuerungs- und Antriebstechnik kommt aus einer Hand. Das Ergebnis ist ein durchgängiges Konzept – bis hin zum Materialhandling. Die Handlingaufgaben übernehmen vor allem pneumatische Minischlitten (Baureihe MSC). Sie sind dafür aufgrund der hohen reproduzierbaren Positioniergenauigkeit beim Prüfen und Handling der Materialien prädestiniert (Bild 7). Außerdem führen die Minischlitten zur Zeit- und Kosteneinsparung bei der Installation: Über eine standardisierte mechanische Schnittstelle (Easy-2-Combine) können elektromechanische und pneumatische Achsen einfach miteinander verbunden werden.

Als elektromechanische Linearachsen kommen komplette einbaufertige Module (Reihe CKK) zum Einsatz. Sie bestehen aus Steuerung, Motoreinheit und Kugelgewindetrieb. Kennzeichnend für diese Achsen sind hohe Dynamik und Steifigkeit. Der Materialfluss erfolgt anhand des Transfersystems TS 1 von Rexroth, das ebenso wie die Minischlitten auf exaktes Positionieren ausgerichtet ist. Bei den Hochdurchsatzanlagen von Bosch Lab Systems kommt das Transfersystem mit Antriebsstationen, Positioniereinheiten und Vereinzelern für die Transportsteuerung zum Einsatz.

Bereitstellen, vereinzeln und ansaugen auf einem halben Quadratmeter

Die Anlagen werden nach kundenspezifischen Anforderungen gebaut. So bestand bei einer kürzlich ausgelieferten Anlage die größte Herausforderung in der Umsetzung einer kreisförmigen Bewegung. Der Grund dafür lag in den eingeschränkten Platzverhältnissen: Auf einem halben Quadratmeter müssen Proben bereitgestellt, vereinzelt, angesaugt, im Kreis verfahren und zum Weitertransport in eine Öffnung gesetzt werden. Das Achssystem für die Bewegungen in X-Y-Richtung basiert auf Umrichtern des Typs Indradrive C, die mit Synchron-Servomotoren (Indradyn S) kombiniert wurden (Bild 8).

In die Umrichter ist eine Sicherheitstechnik integriert, die Anlaufsperre und reduzierte Geschwindigkeit als Sicherheitsfunktionen nutzt. Zusammen mit dem Bedienterminal und der genau auf die Anwendung zugeschnittenen Steuerung hat man somit auch diese Achskombination im Griff (Bild 9).

Hauptanwender der Anlagen sind der F&E-Bereich und die Qualitätskontrolle. Sie haben Schlüsselfunktionen in vielen Unternehmen. Deshalb ist jede einzelne Anlagenkomponente für das Funktionieren der Gesamtanlage existenziell – mit dem Ziel, Formulierungen realitätsnah zu applizieren.
Hochrechnen der Laborergebnisse auf die tatsächliche Situation entfällt.

Da muss das ganze System stimmig sein, wie anhand zweier Anwendungen deutlich wird: Zum einen können mit einer Hochdurchsatzanlage ein Automobillack in der später gewünschten Schichtdicke auf ein Blech aufgespritzt und sogleich die Anwendungseigenschaften getestet werden. Zum anderen lassen sich selbst Kunstharze mit hoher Viskosität ohne Verdünnung dosieren. Das erspart dem Anwender das mühselige Hochrechnen der Laborergebnisse auf die tatsächliche Situation – und natürlich auch Kosten aufgrund eines reduzierten Rohstoffverbrauchs im Vergleich zu anderen Verfahren.

Roland Emmerich, Olaf Eistert und Bernd Leutner

Dr. Roland Emmerich ist Leiter Marketing und Vertrieb bei Bosch Lab Systems in Waiblingen. Olaf Eistert arbeitet dort als Projektleiter Entwicklung und Konstruktion. Bernd Leutner ist Global Account Manager bei der Bosch Rexroth AG in Fellbach bei Stuttgart.

Sicherheits-Steuerungen mit zertifizierten Sicherheitsfunktions- bausteinen ermöglichen die einfache und sichere Realisierung von Funktionen wie Not-Aus, Schutztürüberwachung oder Zweihandkontrolle. Bild: Siemens

Konventionelle Sicherheitstechnik arbeitet zwar mit bewährten Komponenten, hat aber verglichen mit integrierten Systemen Nachteile wie den erhöhten Verdrahtungsaufwand. Daher übernehmen speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) zunehmend sicherheitsrelevante Aufgaben. Sicherheitstechnik wird oft als notwendiges Übel angesehen – allerdings stellt sie nicht nur eine enge Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine, sondern auch eine hohe Verfügbarkeit der Anlage sicher. Maschinensicherheit ist deshalb ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit der Produktion. Zuverlässige Systeme, die sich einfach bedienen und warten lassen, reduzieren die Unfall- und Störanfälligkeit. Die EU-Maschinenrichtlinie fordert, dass jeder Hersteller den Sicherheitsanforderungen entsprechende, richtlinienkonforme Maschinen bauen muss. Gemäß der Maschinenrichtlinie und der dort gelisteten Normen, wie beispielsweise der ISO 13849, sind alle notwendigen Maßnahmen zu ergreifen, damit die Maschine oder Anlage keinerlei Gefahr für Leben und Gesundheit von Personen darstellt.

EN ISO 13849-1 stellt erweiterte Anforderungen an die Bauteile

Die Vermutungswirkung der EN 954, Vorgänger-Norm der EN ISO 13849, wurde zwar bis Ende 2011 verlängert, dennoch ist sich Joachim Greis, Produktmanager Sicherheitstechnik bei der Beckhoff Automation GmbH in Verl sicher, dass der Anwender zunehmend Produkte verwenden wird, bei denen die aktuellen und normgerechten Anforderungen an die Sicherheitstechnik bereits bei der Entwicklung berücksichtigt wurden.

„Die EN ISO 13849-1 stellt sowohl an die sicherheitsbezogenen Steuerungen als auch an die mit der Realisierung von Sicherheitsfunktionen betrauten Personen erweiterte Anforderungen, wie zum Beispiel die Quantifizierung der Bauteile, die Software-Sicherheitsanforderungen oder die Abschätzung des Diagnosedeckungsgrads“, sagt Greis.

Besonders in Bezug auf die funktionale Sicherheit bringt die EN ISO 13849-1 inhaltliche Neuigkeiten mit sich. Wie Johann Aulila, Geschäftsführer der Jokab Safety GmbH in Spaichingen, erläutert, muss die sicherheitsbezogene Software von Steuerungsfunktionen jetzt verifiziert und validiert werden.
Maschinenbauer muss potenzielle Gefährdungen quantitativ abschätzen

Dabei biete nur die EN ISO 13849-1 Leitlinien für einen qualitativ hochwertigen Entwicklungsprozess von sicherheitsgerichteter Software. Aulila: „Wer strikt nach dem Stand der Technik handeln will, muss bei Anwendung einer Sicherheits-SPS und darauf erstellter sicherheitsgerichteter Software jetzt zwingend die 13849-1 befolgen.“
Der wesentliche Unterschied zur Vorgänger-Norm EN 954-1 besteht darin, dass der Maschinenbetreiber verpflichtet ist, zusätzlich zur qualitativen Risikoanalyse jetzt auch eine quantitative Einschätzung potenzieller Gefährdungen vorzunehmen. Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen müssen nun nach folgenden Kriterien eingestuft werden:

• Diagnosedeckungsgrad (DC)
• Quantifizierung von Fehlern gemeinsamer Ursache (CCF)
• Zeit bis zum gefährlichen Ausfall (MTTFd) und
• Ausfallwahrscheinlichkeit (PFHd beziehungsweise PL).

Für die Beurteilung der Sicherheitsfunktionen bieten viele Hersteller von Sicherheitssteuerungen dem Anwender ein Werkzeug an, so auch das Unternehmen Siemens. „Unser Safety Evaluation Tool hilft schnell und sicher bei der Bewertung von Sicherheitsfunktionen der Maschinen entsprechend der beiden Normen IEC 62061 und ISO 13849-1. Als Ergebnis erhalten die Kunden einen normenkonformen Report, der als Sicherheitsnachweis in die Dokumentation integriert werden kann,“ erläutert Ulrich Kaus, Marketing Manager Safety Integrated bei der Siemens-Division Industry Automation in Nürnberg.

Sicherheitsgerichtete Daten und Steuerungsdaten über eine einzige Busleitung übertragen

Das Unternehmen hat unter der Bezeichnung Simatic Safety Integrated ein skalierbares Angebot sicherheitsgerichteter Controller für alle Bereiche der Fertigungsautomatisierung im Portfolio. Laut Kaus profitieren Anwender besonders von Zeit- und Kosteneinsparungen, weil sich das vorhandene Know-how bezüglich der Standardtechnik auf die Sicherheitstechnik übertragen lässt. Dabei können die sicherheitsgerichteten Daten und die Standard-Steuerungsdaten über eine einzige Busleitung übertragen werden.

Die sicherheitsgerichtete Kommunikation wird durch das Profisafe-Profil ermöglicht: „Was heute Stand bei den Simatic-Controllern ist – Standard und fehlersicheres Programm werden von der selben CPU abgearbeitet – spiegelt sich auch in der Kommunikation wider; das heißt, Standard und fehlersichere Kommunikation erfolgen über die gleiche physikalische Busleitung“, so Kaus. Der Vorteil liege klar auf der Hand: Die fehlersichere Kommunikation kann über eine bereits vorhandene Netzwerkinfrastruktur erfolgen beziehungsweise bei einer Neuinstallation verringert sich der Installationsaufwand laut Kaus erheblich.

Trennung sicherer und nicht sicherer Daten ist eher anwenderspezifisch

„Generell besteht die Forderung der Anwender nach einem einfachen und einheitlichen Verkabelungssystem innerhalb einer Anlage“, ist sich Markus Schlögl, Bereichsleiter Produktmanagement bei der Pilz GmbH & Co. KG in Ostfildern sicher. „Die Überlegungen zur Trennung von sicheren und nicht sicheren Daten sind nicht anwendungsspezifisch, sondern eher anwenderspezifisch“, so Schlögl.

Die Herangehensweise hänge von der System- und Sicherheitsphilosophie des Anwenders ab, welche oftmals auch historisch gewachsen sei. „In der Vergangenheit gab es keine andere Möglichkeit, als die Signale über verschiedene Kabel zu trennen, daher ist der Bestand und damit der Erfahrungsschatz solchermaßen strukturierter Systeme sehr hoch“, erläutert Schlögl. „Doch der Trend weist hier deutlich in Richtung Netzwerk-basierender Systeme.“ Mit dem neuen Automatisierungssystem PSS 4000 bietet Pilz eine integrierte, modulare und dezentrale Lösung für sichere und nicht sichere Steuerungsaufgaben.

Safety-System Twin-Safe von Beckhoff verwendet keinen zusätzlichen Sicherheitsbus

Auch bei Twin-Safe, der Sicherheits-Lösung von Beckhoff Automation, wird kein zusätzlicher Sicherheitsbus verwendet. „Die Twin-Safe-Komponenten kommen da zum Einsatz, wo sicherheitsgerichtete Eingangssignale erfasst oder sicherheitsgerichtete Aktoren angesteuert werden müssen. An mindestens einer Stelle des Systems sorgt eine sichere Logikeinheit für die korrekte Verarbeitung der Sicherheitsfunktionen. Die Kommunikation zwischen den Twin-Safe-Komponenten erfolgt über das vorhandene Standardbussystem“, erläutert Greis.

Dabei kommt das Protokoll Fail-Save-over-Ethercat zum Einsatz, das die sicherheitsgerichteten Daten in einen Datencontainer verpackt und mit einem vorhandenen Bussystem transportiert. Allerdings stellt die Sicherheitslösung laut Greis ein eigenständiges System innerhalb des Automatisierungssystems dar, sodass die sichere und die nicht sichere Welt voneinander getrennt sind.

„Das System besitzt zum Beispiel eine eigene Nutzerverwaltung mit Passwortschutz und Aufzeichnung der Versionshistorie. Auf diese Weise erfolgt eine saubere Trennung zwischen Sicherheits- und Standardanwendung, sodass Änderungen in der Standardapplikation nicht die Sicherheit beeinflussen. Dennoch sind alle Informationen durchgängig verfügbar“, so Greis.

Einfache Steuerungstechnik hat keineswegs ausgedient

Den Trend hin zu einer vollkommen integrierten Lösung, bei der eine entsprechend dimensionierte Sicherheits-SPS sowohl Automatisierung als auch Sicherheit übernimmt, bestätigt auch Aulila. Auf der anderen Seite aber gebe es nicht wenige Anwender, die ihre bisherige Automatisierungs-SPS ohne Veränderung weiter betreiben möchten und die Sicherheit auf einer separaten SPS wie der Pluto von Jokab Safety programmieren. Dies liege daran, dass nicht jeder Anwender alle seine Programmierer auf sicherheitsgerichtete Anforderungen trainieren möchte.

Zudem wird der Zu- und Eingriff auf sicherheitsgerichtete Software auf einen mit den entsprechenden Normen und Anforderungen vertrauten Personenkreis beschränkt. „Durch die systematische Trennung von Safety- und Non-Safety-Anwendungen muss der Verifikations-Validierungsaufwand nicht in die Non-Safety-World übertragen werden“, so Aulila.

So haben also neben vollkommen integrierten Systemen zur sicheren Automatisierung auch separate Steuerungen mit einfacher und bewährter Technik noch nicht ausgedient. Das Esslinger Unternehmen Fiessler Elektronik GmbH & Co. KG beispielsweise hat außer den programmierbaren auch kompakte Sicherheitssteuerungen im Programm, sodass die Kunden die optimale Lösung auswählen können. Laut Götz Fiessler, Geschäftsführer bei Fiessler Elektronik, liegt der Mehrwert für den Kunden besonders in der einfachen Handhabung.

Monika Zwettler

Im Gegensatz zu konventionellen pneumatischen Pick & Place-Einheiten sind die  horizontale und die vertikale Bewegung der robusten PPU-P miteinander verschliffen und über eine Kurvenrolle zwangsgeführt. Bild: Schunk

Rasantes Pick & Place ermöglicht die pneumatisch angetriebene PPU-P von Schunk. Mit bis zu 120 Zyklen pro Minute ist sie laut Hersteller die schnellste pneumatische Pick & Place Einheit am Markt. Möglich macht solche Geschwindigkeiten unter anderem die Abstimmung mit den vor- und nachgelagerten Einheiten: Mit Hilfe der Ansteuerung kann der Effektor direkt über der jeweiligen Zielposition in Wartestellung gehen, bis die Zuführung beziehungsweise die Ablageeinheit bereit stehen. Davon profitieren sowohl Prozesssicherheit als auch Taktung. Horizontale und vertikale Bewegung sind verschliffen Im Gegensatz zu konventionellen pneumatischen Pick & Place-Einheiten sind die  horizontale und die vertikale Bewegung der robusten PPU-P miteinander verschliffen und über eine Kurvenrolle zwangsgeführt. So können beide früher geschaltet werden, was die Zykluszeiten um rund ein Drittel verkürzt. Mit 145 mm Horizontalhub, 45 mm (20 mm linear) Vertikalhub und bis zu 1 kg bewegter Masse erreicht die Einheit eine Zykluszeit von nur 0,63 s inkl. 2 x 50 ms Greifzeit. Damit eignet sie sich für unterschiedlichste Handhabungs- und Montageaufgaben in der Elektronik-industrie, in der Medizintechnik und in anderen Bereichen der Kleinteilemontage. Zum Ausgleich von Aufbautoleranzen lässt sich der Horizontalhub pro Seite um 12 mm anpassen. Zudem können beide Endlagen unabhängig voneinander vertikal um je bis zu 15 mm feinjustiert werden. So lassen sich Höhendifferenzen zwischen Aufnahme- und Ablageposition ohne Zwischenanschlag einfach und schnell aus-gleichen.

Ventilbox macht Pneumatikeinheit effizienter

In Verbindung mit einer intelligenten Ventilbox, die optional erhältlich ist, steigt die Effizienz der PPU-P noch weiter. Die Ventilbox minimiert den Druckluft- und damit den Energieverbrauch und beschleunigt zugleich die Taktung. Dazu ist die optimale Schaltung der beiden Antriebszylinder bereits voreingestellt. Bis zu vier zusätzliche Ventile steuern direkt die Pneumatikaktoren an, beispielsweise einen Greifer und ein Drehmodul.

Sämtliche Ventile werden über eine einzige Luftzuführung versorgt. Mit Hilfe der Intelligenz ist es möglich, sowohl die Bewegung des Auslegerarms als auch die der Aktoren zu regeln. Die dafür nötige Software ist bereits integriert. Für einen kompletten Zyklus benötigt die Einheit dann nur einen einzigen Befehl von der übergeordneten Steuerung.

System lässt sich per Plug & Play in Betrieb nehmen

Alles weitere erledigt sie vollkommen selbständig. Deshalb lässt sie sich auch per Plug & Play in Betrieb nehmen. Mit ihrem Lochbild fügt sich die PPU-P nahtlos in den Modulbaukasten für die Modulare Montageautomation ein. Zahlreiche Greif- und Drehmodule lassen sich auf einfachste Weise mit ihr kombinieren.