zum Login

Stories

14. März 2011

POF erobern die Roboter im Automobilbau

Beitrag aus openautomation 1-2/2011


Ein abgestimmtes Sortiment aus Multifunktionswerkzeug, Steckverbinder-Technologie und Repeatern hat Automobilisten davon überzeugt, bei der Roboterverkabelung mit Profinet erstmals Polymer-Optische Fasern (POF) zu verwenden. In Summe ergeben sich dadurch hohe Kostenvorteile. Weidmüller-Experte Simon Seereiner erläutert die Details.

Die Vorteile polymeroptischer Fasern, unter anderem im Hinblick auf ihre elektromagnetische Verträglichkeit und die hohen Datenübertragungsraten, sind hinlänglich bekannt. Dennoch gab es bislang eine Reihe von Hemmschwellen für ihren Einsatz. Dazu zählt unter anderem das aufwendige Schneiden bzw. Nachpolieren der Fasern, um optimale Übertragungseigenschaften zu erreichen. Außerdem liegen sie preislich über herkömmlichen Kupferleitungen. Häufige Biegezyklen bringen zudem Verluste im Übertragungsverhalten mit sich. Darüber hinaus treten Dämpfungsverluste durch enge Biegeradien auf.


Die optimale Basis geschaffen
„Die Nachteile von POF lassen sich nicht eliminieren. Das war auch nicht unser Bestreben. Stattdessen haben wir nach Wegen gesucht, ihr Handling einfacher und ihren Nutzen effizienter zu gestalten“, sagt Simon Seereiner, Produktmanager bei Weidmüller Interface in Detmold. „Mit einer ganzen Reihe an Maßnahmen, zu denen ein Multifunk­tionswerkzeug, Steckverbindertechnologie und Repeater gehören, ist uns dies nun gelungen. Gleichzeitig sind die Richtlinienpakete fertig gestellt, die die optimale Handhabung und den Einsatz der Technologie gemäß der Anforderungen im industriellen Umfeld ermöglichen.“ Mit dieser Aussage spielt S. Seereiner unter anderem auf das Profinet-Richtli­nienpaket an, dass innerhalb der Profibus Nutzerorganisation (PNO) erarbeitet wurde. Es umfasst die Profinet-Planungs-, <>Montage und -Inbetriebnahmerichtlinie.

„Die Richtlinien decken den Automobilbau und somit die Anforderungen der AIDA (AutomatisierungsInitiative Deutscher Automobilhersteller) ab. Ein Schwerpunkt darin bildet die Kupfer- und die LWL-Verkabelung“, so S. Seereiner.


Anforderungen aus dem Automobilbau

Bislang setzte der Automobilbau zur Verkabelung seiner Roboter auf Kupferleitungen. „Hierfür liefern wir ein durchgängiges Konzept für die Übertragung von Energie, Signalen und Daten“, informiert der Produktmanager weiter. Dieses besteht aus Push-Pull-Steckverbindern mit Steadytec-Technologie und Freecon-Anschlussdosen. „Damit entsprechen wir zum einen dem AIDA-Standard, der für Profinet die Push-Pull-Steckverbindervariante V14 vorsieht. Zum anderen erfüllen wir den Kundenwunsch nach einer flexiblen Lösung, die mit wenigen Komponenten eine schnelle Roboterumrüstung ermöglicht“, verdeutlicht er. Das Weidmüller-Installationssystem für die Roboterverkabelung besteht aus aufeinander abgestimmten steckbaren Einzelkomponenten für die Verdrahtung der Schlauchpakete. Mit ihnen kann der Anwender per „plug & play“ Energie, Signale und Daten stecken und somit eine ganzheitliche Lösung realisieren. Ein Kabelpaket stellt die Verbindung vom Schaltschrank zum Roboterfuß her: Schlauchpaket eins verbindet den Roboterfuß mit Achse 3 und Schlauchpaket zwei realisiert schließlich die Verbindung von Achse 3 zum Roboterkopf.

Bei der neuen Verkabelungsvariante über POF setzen die Experten auf vorhandener Technologie auf. S. Seereiner: „Wir haben bereits bei der Konzeption unserer IE-Steckverbinder mit Steadytec-Technologie ein durchgängiges Plattformkonzept für die Kupfer- und LWL-Verkabelung realisiert. Damit ist der Umstieg nun reibungslos möglich.“ Dennoch gibt es neue Aspekte bei der Verkabelung zu berücksichtigen. „Unser Installationskonzept für die Kupferverkabelung besteht aus V14-Steckverbindern mit zwei verschiedenen Einsätzen für Daten und Signale sowie Push-Pull-Power-Steckverbindern für Energie. Vervollständigt wird das System mit einer Doppelanschlussdose für Energie (24 V) und Daten (Ethernet) sowie einer Einfachanschlussdose für Signale“, erklärt der Spezialist. Dies ändert sich mit POF: „Bei der Roboterverkabelung mit polymeroptischen Fasern geht es nun nicht mehr darum, Energie, Signale und Daten zu übertragen, sondern nur noch Energie und Daten auf Basis von Profinet mithilfe von POF vom Steuerschrank an den Roboter bzw. dessen Schweißzange zu transportieren“, sagt S. Seereiner. Bei den bislang realisierten Lösungen sind die IO-Signale, zum Beispiel von Schweißzangen oder Klebevorrichtungen, auf Basis von CAN über eine externe Leitung an die Steuerung übertragen worden. „Bei der POF-Verkabelung werden diese direkt über Profinet transportiert. Somit entfällt der zusätzliche Signalstrang”, informiert er weiter.


Das durchgängige Konzept

Für die POF-Verkabelung schreibt die AIDA SC-RJ-Steckverbinder vor. „Für das präzise Konfektionieren der POF-Steckverbinder bieten wir das Multifunktionswerkzeug HTX-IE-POF an“, so S. Seereiner. „Das besondere an diesem Werkzeug ist dessen rotierendes Messer, das ein exaktes Schneiden der Faser ermöglicht – ein nachträgliches Polieren wird damit überflüssig“, sagt er weiter. In Summe lassen sich damit 1 mm dicke polymeroptische Fasern schneiden, abisolieren und crimpen. „Wir bieten einen Sortimentkoffer für die komplette Konfektionierung von IP20- und IP65-Steckverbindern an. Zulieferer erhalten von uns einen Starterkoffer, in dem die Werkzeuge enthalten sind“, erklärt der Produktmanager. Der Vorteil, der sich in Summe dadurch für den Anwender ergibt, liegt in dem immensen Zeitvorteil.

S. Seereiner: „Unsere IP20-Stecker sind in knapp zwei Minuten montiert, was bislang inklusive des Nachpolierens rund fünf Minuten dauerte. Bei den IP65-Varianten ist der Zeitvorteil noch gravierender.“

Damit haben die Detmolder eine der POF-Hürden erfolgreich genommen. Eine zweite Neuentwicklung, die zur Hannover Messe vorgestellt wird, umfasst die Diagnosemöglichkeiten bei den Fasern. Unter dem Namen Freecon Active werden in Hannover Repeater vorgestellt, mit denen die Dämpfung der Übertragungsstrecke diagnostiziert werden kann. „Aufgrund der hohen Biegezyklen des Roboterarms kann es passieren, dass im Lauf der Zeit das Dämpfungsverhalten der Faser so groß wird, dass die austretenden Signale nicht mehr ausgewertet werden können. Aus diesem Grund kommt der Diagnose eine besondere Bedeutung zu”, so der Experte. „Innerhalb der PNO haben wir in den letzten Jahren daran gearbeitet, die technischen Daten für eine neue Transceiver-Generation zu spezifizieren. Mit dieser ist es nun möglich, Diagnoseinformationen in Echtzeit via Profinet zu übertragen. Diese Technologie machen wir uns in unseren neuen Freecon Active Repeatern zunutze“, sagt er weiter.

Die Repeater diagnostizieren auf der gesamten Übertragungsstrecke vom Schaltschrank bis zum Roboterkopf die Dämpfungsverluste in Echtzeit. Wird ein zuvor festgelegter kritischer Dämpfungswert überschritten, wird dies via Profinet an die Steuerung kommuniziert und von dort aus eine Alarmmeldung generiert. „Das ist ein entscheidender Vorteil gegenüber der Kupferverkabelung“, stellt S. Seereiner heraus und verdeutlicht: „Dort hat man nicht die Möglichkeit, auf Basis von physikalischen Parametern Veränderungen der Übertragungseigenschaften bestimmen zu können. Aufgrund dieser Tatsache müssen Schlauchpakete in Applikationen, die mit Kupferleitungen ausgeführt sind, regelmäßig ausgetauscht werden. Dieser Vorgang kann nun bei POF gezielt erfolgen – was wiederum Kostenersparnisse mit sich bringt.“

Einen weiteren positiven Aspekt der Diagnosefunktion verdeutlicht der Weidmüller-Experte wie folgt: „Der Automobilbauer hat nun bei der Inbetriebnahme die Möglichkeit, auf Knopfdruck festzustellen, ob die vorgegebenen Dämpfungswerte der jeweiligen Übertragungsstrecken eingehalten werden. Außerdem kann er die Länge des Segments über Profinet auslesen und auch somit nachvollziehen, ob die Vorgaben eingehalten wurden.“

Gute Chancen für POF im Maschinenbau
„Die LWL-Verkabelung wird durch Profinet zunehmend auch in anderen Branchen an Bedeutung gewinnen“, ist S. Seereiner überzeugt. Er begründet die heutige Verteilung mit Schwerpunkt im Automobilbau mit Blick auf die Feldbussysteme: „Betrachtet man speziell Interbus und Profibus, liegt der LWL-Anteil bei Interbus bei 25 %. Und von diesen sind ca. 90 % im Automobilbau angesiedelt. Bei Profibus sind ca. 5 % aller ausgelieferten Knoten mit LWL ausgestattet.“ Als Fazit zieht er: „Die Automobilisten haben bereits in der Vergangenheit gute Erfahrungen mit der Interbus-LWL-Verkabelung gemacht. Deshalb sind sie dahin gehend aufgeschlossener. Im Maschinenbau mit Schwerpunkt Profibus hat die POF-Verkabelung in den letzten 20 Jahren allerdings ein Nischendasein geführt.“ Durch die Einführung von Ethernet im industriellen Bereich sei nun aber die Notwendigkeit zutage getreten, in einem störanfälligen Umfeld Daten hochverfügbar zu halten. „Mit Blick auf den Schaltschrank mit Frequenzumrichtern, Servos, Relais, Switches usw. und den elektromagnetischen Störungen, die sich daraus ergeben, gehen wir nun fest davon aus, dass sich polymeroptische Fasern in den nächsten Jahren auch hier durchsetzen werden. Die Vorteile sind schlagend. Und die POF-Hemmschwellen werden zunehmend weiter eliminiert.“

Er führt noch einen weiteren Punkt an: „Hinzu kommt, dass viele Unternehmen den Lernprozess im Zusammenhang mit Industrial-Ethernet-Produkten durchlaufen haben und heute realistischer an das Thema herangehen.“ Er spielt damit auf die zu Beginn oftmals fälschliche Annahme an, die Technologie würde Preisvorteile bringen, da Standardkomponenten aus dem Office-Bereich verwendet werden könnten. Zum besseren Verständnis erklärt er: „Wir haben allein ca. drei Jahre innerhalb der PNO im Zusammenhang mit der Montagerichtlinie an den Defini­tionen von Potentialströmen, Trennklassen usw. gearbeitet. Beliebige Standardkomponenten in einem hochstöranfälligen Gebiet einzusetzen, ist natürlich fatal. Aber ich denke, dieser Lernprozess ist nun abgeschlossen und der Industrial-Ethernet-Weg jedem klar.“ Als Vorteil, den die POF daraus für sich verbuchen kann, nennt er ihre Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen. „Zwar sind in Schutzart IP20 ausgeführte POF heute noch deutlich teurer als Kupferleitungen, rechnet man jedoch die Kosten für die EMV-Maßnahmen dagegen, ist dies heute kein Entscheidungsgrund mehr gegen POF. Für Anwendungen mit kurzen Distanzen sind sie prädestiniert“, zieht er als Fazit.


Ausblick
Insgesamt hat Weidmüller somit wesentliche Voraussetzungen für die reibungslose Umstellung auf POF-Verkabelung geschaffen. Nun bleibt abzuwarten, wann und in welchem Maß sich diese in weiteren Branchen durchsetzen wird. Ein erster Schritt bei der Roboterverkabelung im Automobilbau ist gemacht.

Inge Hübner

Weitere Informationen unter www.weidmueller.de.

Beitrag als PDF downloaden

>>> Kommentar schreiben
>>> zur Comment Area