Praxis: Profinet und Scalance-Switches
Neues Netzwerk schafft neue Möglichkeiten
Wenn ein Presswerk eine hohe Produktivität garantieren soll, kommt es nicht nur auf rationelle Prozesse an. Auch das Leitsystem muss nahtlos mit den Pressen, Fördersystemen und Robotern kommunizieren. Bei Volkswagen in Emden errichtete Siemens dafür eine komplett neue Netzwerkinfrastruktur mit Profinet als Ethernet-Standard für die Automatisierung und mit hauseigenen Netzwerkkomponenten.
Das Presswerk steht im Automobilbau am Anfang der Prozesskette, und dies mit sehr hoher Dynamik. Im Volkswagenwerk Emden sollen für diese Dynamik zwei parallel laufenden Pressenstraßen sorgen, in denen zum einen die Hutteile (Oberflächenaußenhäute) wie Dächer, Türen, Fronthauben, Heckklappen oder ganze Seitenteile geformt werden. Des Weiteren entstehen dort auch alle maßbestimmenden Innenteile, derzeit vorwiegend für Limousine und Variant des aktuellen Passat B8 und des CC. Auch für die Versorgung externer Werke fertigen die Maschinen in Emden unter anderem Plattformteile. "Früher erschien es mir hier viel lauter", beschreibt Jörg Lottmann, IT- und Systemadministrator im Werk Emden, das Geschehen und erläutert: "Heute arbeiten wir mit einem wellenförmigen Prozessablauf, bei dem Verformung und Transport der Teile nahtlos ineinander greifen." Dieser Prozess läuft vollautomatisch in einem geschlossenen Bereich ab. Nach dem Zuschnitt der Bleche in einem ersten Arbeitsgang an der Platinenschneidanlage gelangen diese mit fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF) an den Lader der Pressenstraße. Dort sorgen zunächst zwei Entstapelroboter dafür, dass das laufende Fördersystem taktgerecht die nötigen Blechplatinen erhält. "Die Verformung zum endgültigen Bauteil erfolgt in sechs Stufen, wobei jeweils maximal bis zu vier Pressteile pro Hub erzeugt werden können".
Faszinierend ist dabei das fließende Zusammenspiel zwischen Pressen und Transportsystemen. Sobald ein Presswerkzeug nach oben fährt, greift sich die Transporteinrichtung (Transfer) das Teil und positioniert es unter die nächste Presse, die sich in diesem Augenblick bereits wieder auf dem Weg nach unten befindet. Diese zeitsparenden und nahtlos ineinandergreifenden Prozessschritte machen die beiden Pressenstraßen nach Einschätzung der Betreiber besonders produktiv.
Mehr Sicherheit
Als vor drei Jahren die Retrofit-Maßnahmen an den Pressenlinien begannen und die Verantwortlichen auch die Hauptantriebstechnik von Gleich- auf Drehstromtechnik umstellten, fiel die Entscheidung, parallel dazu auch das Kommunikationssystem auf den neuesten Stand zu bringen. Das Automationssystem im Werk Emden entsprach dem weltweiten Volkswagen-Standard und beruhte vor allem auf Simatic-S7-300-Controllern, Simatic-ET-200-IO-Systemen und Simotion-Motion-Control-Systemen. Es war also bereits umfangreiches Siemens Know-how vorhanden und der Gedanke lag nahe, auch beim Umbau der Netzwerkinfrastruktur diesen Hersteller wieder mit ins Boot zu holen.
Redundantes Netzwerk
Das Ergebnis war ein grundlegend neuer Aufbau der vorhandenen Netzwerkstruktur. Gab es früher eine ringförmige Topologie mit nur einem Ring, setzt sich das System im Presswerk jetzt aus 14 redundant ausgelegten Ringen zusammen. Außerdem entstand ein Industrial-Backbone auf Basis von Scalance-XR-500-Technik, das den gesamten Datenverkehr über mehrere ebenfalls redundant ausgelegte Subnetze mit Routing-Mechanismen steuert.
Die Vorteile dieser Infrastruktur sind aus Sicht der Betreiber klar: Ausfälle einzelner Komponenten wirken sich immer nur auf Teilbereiche des Netzwerks aus. "Die Gefahr, dass der gesamte Prozess zum Stehen kommt, weil die Daten nicht mehr fließen, tendiert gegen null", so Jörg Lottmann im Rückblick auf die bisherigen Erfahrungen.
Die uneingeschränkte Echtzeitkommunikation über Profinet ist durch ein durchgängig redundant ausgelegtes Netzwerk aus mehreren 100-MBit/s-Subnetzen realisiert. Im Mittelpunkt stehen dabei insgesamt 95 Industrial-Ethernet-Switches der Produktfamilie Scalance X mit Fast-Connect-Anschlusstechnik für RJ45, M12 oder Lichtwellenleiter.
Gewissermaßen die oberste Ebene bilden zwei Scalance XR528-6M Managed-Industrial-Ethernet-Switches mit Diagnosemöglichkeit über eine Profinet-Anbindung zu Netzwerk-Management-Systemen und integriertem Redundanz-Manager. Sie sind untereinander mit einer schnellen 1GBit/s-Leitung in Glasfasertechnik verbunden.
Während die Struktur des neuen Netzwerks vor allem mehr Funktionssicherheit brachte, sehen die Betreiber die Umstellung der gesamten Kommunikation im Presswerk auf Profinet als eine echte Weichenstellung für die Zukunft. Profinet - als offener Ethernet-Standard für die Automatisierung - erlaubt einen transparenten Informationsfluss, der von der Leitebene über die S7-300-Controller und ET-200-IO-Systeme bis hin zum einzelnen Feldgerät reicht.
Das Stichwort dazu heißt Condition Monitoring und zeigt sich in Form eines neuen Monitoring-Servers, der nichts anderes tut, als ständig die einzelnen Feldgeräte, Switches, Router und Antriebe zu überwachen. Diese Komponenten der Produktionsanlage liefern permanent eine Fülle an Informationen, die Auskunft über ihre Funktion und ihren allgemeinen physikalischen Zustand geben.
"Wir sind dabei, diese Datenfülle gezielt auszuwerten und konkrete Erfahrungen über das Langzeitverhalten der einzelnen Komponenten des Systems zu sammeln," erläutert Lottmann die aktuelle Situation. "Ziel ist der Aufbau eines Systems zur präventiven Wartung, das es uns erlaubt, entstehende Probleme zu antizipieren, Fehlerketten zu erkennen und auszuschalten und ungeplante Anlagenstillstände weitgehend zu vermeiden."
Volkswagen setzt dafür in Emden unter anderem das Condition-Monitoring-System Siplus CMS 4000 ein, das mit X-Tools arbeitet. Siplus CMS X-Tools enthält eine umfangreiche Funktionsbibliothek für die Analyse, Diagnose und Überwachung von Antrieben sowie Zustandsindikatoren wie Schwingungen, Luft- und Ölverbrauch.
Die Umsetzung einer komplett neuen Netzwerklösung ist natürlich alles andere als eine triviale Aufgabe. Dies gilt besonders, wenn sie weitestgehend während der laufenden Produktion erfolgen muss und nur wenige kurze Zeitfenster mit komplettem Anlagenstillstand zur Verfügung stehen. Die Netzwerk-Spezialisten übernahmen daher nicht nur die gesamte Konzeption und Planung der neuen Netzwerklösung, sondern auch die komplette Implementierung vor Ort. So ist zum Beispiel das Routing der zahlreichen Glasfaser- und Kupferleitungen über mehr als 100 Scalance-X-Switches verschaltet. Im Werk Emden setzt Volkswagen erstmals Scalance-XR-500-Komponenten ein. Die in Emden gemachten Erfahrungen wurden dokumentiert und fließen auch an anderen Standorten ein. Jörg Lottman: "Seit der Umstellung gab es noch keinen Ausfall wegen Netzwerkproblemen."
Fazit
Als Volkswagen vor rund drei Jahren am Standort Emden begann, das komplette Netzwerk im Presswerk auszuwechseln, erreichte man nicht nur eine deutlich höhere Betriebssicherheit der gesamten Kommunikationsinfrastruktur. Die damit verbundene Umstellung auf Profinet stellte auch die Weichen für ein umfassendes Condition-Monitoring-System, das die gesamte Anlage transparent bis hinunter zu jedem einzelnen Sensor, Aktor und Antrieb macht. Siemens installierte dafür eine Netzwerkstruktur aus einer Routing-Ebene und mehreren Subnetzen, für die über 100 Scalance-X-Switches zum Einsatz kommen. Zur kontinuierlichen Überwachung des gesamten Systems hat der Betreiber einen speziellen Monitoring-Server eingerichtet, auf dem das Condition-Monitoring-System Siplus CMS 4000 läuft. Die damit gewonnenen Einblicke in Zustand und Leistung des Systems lassen sich unter anderem für eine gezielte präventive Wartung nutzen.
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