Palettenabgabe mit Sicherheitslichtschranken

Die Ausgangssituation
Die Fördertechnik zur Entsorgung der Palettierung und Beschickung des Hochregallagers war mittlerweile etwas in die Jahre gekommen. Der Betreiber K+S plante deshalb die vorhandenen Sicherheitseinrichtungen zu modernisieren und zu ergänzen.
Die Steuerung selbst war bereits eine Siemens S7 416, die Peripherie war dezentral durch M- und S- Komponenten in abgesetzten Schaltschränken und Feldverteilern über Profibus DP an die CPU S7-416-2DP angebunden.

Die Herausforderungen
Einige der Förderstrecken sollten durch eine zusätzliche Abzäunung gesichert werden. Dies zog den Einbau von zusätzlichen Sicherheitstüren mit Sicherheitskontakten und Sicherheitslichtschranken nach sich.
Nach der geltenden Maschinenrichtlinie müssen die Anschlüsse hierfür zwei kanalig aufgebaut werden. Da ein Mischbetrieb von einkanaligen und zweikanaligen Sicherheitselementen nicht in Frage kam, mussten dadurch auch alle bestehenden Sicherheitselemente wie Türen, Sicherheitslichtschranken und Not-Aus-Taster zweikanalig modernisiert werden.
Da nun die komplette Fördertechnik mit Sicherheitstechnik geschützt wurde, musste ein Weg gefunden werden, den Anlagenbedienern für Handeingriffe einen dennoch leichten und sicheren Zugang zu gewährleisten, ohne dass deshalb immer gleich die komplette Anlage abschaltete.
Es wurde erforderlich, die bestehende Anlage in Sicherheitsbereiche zu segmentieren, die separat abgeschaltet und wieder quittiert werden konnten. Dies erfordert eine massive Nachverdrahtung des bestehenden Not-Aus-Kreises mit PNOZ Relais.
Die Antriebe wurden mittels üblicher Motorschütze zu- und abgeschaltet. Im Falle eines Not-Aus schaltete das PNOZ neben der Steuerspannung für die Motorschütze zusätzlich auch das Hauptschütz ab, insofern war hier schon ein zweiter Kanal vorhanden. Wenn diese Technik jedoch weiter genutzt worden wäre, hätte dies bedeutet, für jeden neu zu schaffenden Sicherheitsbereich ein eigenes Hauptschütz nachzurüsten um eine zweikanalige Abschaltung zu erreichen.
Für alle Arbeiten im Feld und in den Schaltschränken stand lediglich eine Reparaturpause von drei Wochen zur Verfügung. In dieser Zeit hätten die bestehenden Schaltschränke massiv nachverdrahtet werden müssen. Parallel dazu hätten die Sicherheitskomponenten im Feld montiert und ebenfalls zu den zentralen Schaltschränken nachverkabelt werden müssen. Dann hätte noch die Wiederinbetriebnahme der bestehenden und die Neu-Inbetriebnahme der veränderten E-Technik, Steuerungssoftware und Scada System durchgeführt werden müssen.

Das Lösungskonzept
Gemeinsam mit dem Kunden definierten wir die verfügbare Zeit in der Reparaturpause als den größten Ressourcenengpass. Deshalb mussten alle Arbeiten so ausgerichtet werden, dass diese Ressource am geringsten beansprucht wurde. Wir legten uns auf folgenden Umbauplan in der dreiwöchigen Reparaturpause fest, alle Arbeiten sollten während einer Schicht im Zeitraum von 07:00 bis 16:00 erfolgen:

1. Woche Mo-Do: Alle mechanischen und elektrotechnischen Arbeiten, Fr/Sa Reserve
2. Woche Mo-Do: Hardware- und Signalcheck mit Inbetriebnahme bestehender und neuer Technik, Fr/Sa Reserve
3. Woche Mo-Do: Probefahrten, Fr/Sa Reserve

Danach muss der dreischichtige Regelbetrieb wieder regulär laufen.
Um diesen anspruchsvollen Zeitplan umzusetzen musste neu gedacht werden. Wir erarbeiteten gemeinsam mit dem Kunden folgendes Konzept:

Schaltschränke
Für die Schaltschränke verfolgten wir eine 0 Fehler Politik. Deshalb werden die Schaltschränke nicht während der Reparaturpause nachverdrahtet. Stattdessen werden diese neu gebaut und einfach ausgetauscht. Dies reduziert die benötigte Zeit während der Reparaturpause massiv und eliminiert das Risiko einer Fehlersuche wegen möglicher Verdrahtungsfehler während der Reparaturpause. Um fehlerfreie Schaltschränke auf die Anlage zu bekommen, werden die Schaltschränke beim Schaltschrankbauer von den SPS Programmierern gemeinsam mit der finalen Steuerungs- und Safety-Software vorab getestet und in Betrieb genommen.
Es werden keine üblichen Motorschütze verwendet sondern Siemens Motorstarter mit F-Funktionalität die auf Safety fähige Siemens ET200SP sitzen und per Profinet/Profisafe an die CPU angebunden werden.
Die vorhandenen Siemens CPUs S7 416-2DP werden durch S7 416-3F PN/DP getauscht.
Die EA-Belegung der neuen ET200SP wird, soweit als möglich, an die der vorhandenen ET200S angeglichen, um unnötige Adressanpassungen im Steuerungsprogramm zu vermeiden.
Es wird ein neues Profinet Netzwerk von den zentralen CPU Schränken zu den dazugehörigen dezentralen Schaltschränken und Feldverteilern gezogen.

Feldverteiler
Die Profibus-DP Anschaltung der bestehenden ET200S wird gegen Safety fähige Profinet Anschaltungen ausgetauscht.
Die Feldverteiler werden mit Safety F-DI Eingangsbaugruppen nachgerüstet.
Die Not-Aus-Taster, Sicherheitstürkontakte, Sicherheitslichtschranken und Quittiertaster werden zweikanalig an den F-DI Baugruppen der Feldverteiler angeschlossen.

Die Inbetriebsetzung

Vorbereitende Arbeiten
Verlegen der neuen Profinet Leitungen bei laufender Produktion soweit als möglich.
Prüfen und Inbetriebnahme der neuen Schaltschränke beim Schaltschrankbauer, taufen der F-Module
Vorabtest der erweiterten Steuerungssoftware soweit als möglich im Büro.
Sicherstellen, dass jegliches benötigte Material vorhanden ist, sowohl alle Sicherheitselemente als auch Kabel, Baugruppen für die Nachrüstung der Feldverteiler usw.

Woche 1
Schaltschränke: Die Verkabelung der bestehenden Schaltschränke wurde so entfernt, dass die Adern erst einmal an den alten Klemmleisten verblieben. Danach wurden die alten Schränke entfernt, die neuen Schränke montiert und die abgehenden Leitungen wieder angeschlossen. Als neue Leitungen gab es lediglich zwei neue Profinet Leitungen für einen sicheren Ring.

Feld

• Montieren von Zäunen und Sicherheitslichtschranken
• Tausch alter Not-Aus Taster durch neue zweikanalige
• Verlegen der fehlenden Profinet Leitungen
• Zweikanalige Verkabelung der bestehenden und neuen Sicherheitselemente
• Nachrüsten der Feldverteiler durch PN- Anschaltungen und F-DI Baugruppen

Woche 2

• Reserve Fr/Sa wurde nicht benötigt
• Signalcheck und Hardwareinbetriebnahme der Feldkomponenten
• Behebung von vereinzelten Klemmfehlern
• Einstellen der Sicherheitslichtschranken
• Funktionstest aller Sicherheitselemente im 4-Augen-Prinzip mit Lieferant und Kunde, mit Checkliste und Dokumentation aller Prüfungen
• Reserve Fr wurde benötigt

WOCHE 3

• Testfahrten teils durch manuell aufgelegte Paletten
• Testfahrten mit teilweise regulärer Produktion
• Nachjustieren und Verbessern der Einstellungen der Sicherheitslichtschranken
• Nochmals vollständiger finaler Funktionstest aller Sicherheitselemente im 4-Augen-Prinzip mit Lieferant und Kunde, mit Checkliste und Dokumentation aller Prüfungen
• Reserve Fr/Sa wurde nicht benötigt

Anlaufbegleitung

• Die Produktion lief sofort wieder dreischichtig an
• Die Produktion wurde zweischichtig begleitet
• Optimierung diverser Parameter im Steuerungsprogramms, zum Beispiel für das automatische Muting der SI-LS
• Erweiterung des Not-Aus-Systems durch Einbindung weiterer angrenzender Maschinen
• Unterweisung des Bedienpersonals
• Unterweisung des Instandhaltungspersonals in die neue Technik

Fazit
Aus dem Projekt für die Erweiterung der Sicherheitstechnik wurde schlussendlich auch ein Modernisierungsprojekt für die kompletten Schaltschränke.
Auf der einen Seite waren dies ungeplante Kosten. Auf der anderen Seite wurde die mehr als 20 Jahre alte Elektrotechnik gleich mitmodernisiert. Diese Aufgabe wäre sowieso in den nächsten Jahren angestanden. Dies ist eine Investition in die Zukunft des Unternehmens.
Der Betreiber verfügt nun über eine Fördertechnik mit modernster Hardware, Software und Sicherheitstechnik.
Alle Sicherheitselemente sind zweikanalig ausgeführt, auch die zu benachbarten Maschinen. Die Sicherheitstechnik wurde in Safety S7 programmiert.
Durch die geschickte Segmentierung der Anlage in Sicherheitsbereiche können die Anlagenbediener nach wie vor ohne Behinderungen arbeiten.
Das Scada System ProLeiT Plant IT wurde ebenfalls modernisiert und ist nun wieder auf dem modernsten Stand der Technik.
Leistungsumfang von A+K

• Beratung im Bereich der Modernisierung, Elektrotechnik und Sicherheitstechnik
• Unterstützung bei der Konstruktion der Elektropläne
• Konzeption der Sicherheitsbereiche und des Not-Aus-Bereiches
• Programmieren der Sicherheitstechnik Siemens Safety für S7 400
• Erweiterung des bestehenden S7 400 Steuerungsprogramms und der Operator Panel
• Hochrüstung des SCADA Systems ProLeiT Plant IT von V7 auf V9
• Vorab IBS der Schaltschränke beim Schaltschrankbauer
• Inbetriebsetzung der neuen Sicherheitstechnik, Steuerungsprogramme und Plant IT V9
• Anlaufbegleitung mit Unterweisung der Mitarbeiter des Betreibers