Digitale Veredelung mit IO-Link

Bei der Umsetzung von Industrie 4.0 geht es unter anderem darum, ein digitales Schattenbild einer Anlage zu erstellen, mit dessen Hilfe sich Prozesse optimieren lassen. Als mass – gebliche Informationsgeber dienen die vielen Sensoren, die ohnehin schon für die Steuerung der Maschine verbaut sind. Dank der IO-Link-Technologie liefern diese Sensoren weitaus mehr Daten als nur Schalt – signale oder Analogwerte. Die Starrag Technology GmbH in Bielefeld baut Werkzeugmaschinen und stattet diese umfangreich mit IO-Link-Sen – soren von ifm electronic aus.

Das Portal-Bearbeitungszentrum der Baureihe FOGS der Starrag Technology GmbH gehört zu den entsprechend ausgestatteten Maschinen. Diese werden im Maschinenbau, in der Luftfahrtindustrie oder in der Automobilindustrie, dort z. B. zur Fertigung von Presswerkzeugen für die Karosserieherstellung (Aussenhaut-Teile) eingesetzt. Die im Bild gezeigte Anlage dient in der Luftfahrtindustrie zur Bearbeitung von Fahrwerkskomponenten (Landebeine). Bei diesen komplexen Werkzeugmaschinen ist die sensorgestützte Überwachung aller Medien (z. B. Kühl- und Schmiermittel, Hydraulik, maschinentemperierung) eine zentrale ufgabe. Nur mit eng tolerierten Medientemperaturen, ruckwerten und Durchflussmengen st ein optimaler Werkzeugeinsatz im vollautomatisierten Produktionsprozess möglich.

Sensoren mit digitaler Schnittstelle
IO-Link ist eine robuste, auf Basis von 24-Volt-Signalpegeln basierte digitale chnittstelle, die über die normale Sensorleitung, lternativ zu Schaltsignalen, eine bidirektionale ommunikation mit der Steuerung rmöglicht. Die Sensoren übertragen per IOLink igitale Messwerte und Diagnoseinformationen an den IO-Link-Master, zum Beispiel ein EA-Modul, Gateway oder eine mit O-Link-Ports ausgestattete SPS. Die Sensoren erden dabei mit Standard-M12-Steckverbindern angeschlossen. Geschirmte Leitungen und damit verbundene Erdungen sind überflüssig. Man hat sich für Fluidsensoren von ifm electronic entschieden; der Sensorikspezialist aus Essen bietet das grösste Produktportfolio an Prozesssensoren mit IO-Link an.

Die zahlreichen IO-Link-Sensoren sind zentral parametrierbar.

Sensorparametrierung aus der Ferne
Ein grosser Vorteil von IO-Link ist die Möglichkeit, alle notwendigen Parameterdaten über die IO-Link-Anschlussleitung auf den Sensor zu laden. Die Sensorparameterdaten (z. B. Schaltpunkte, Schalthysterese, Displayfarbe) können zu Beginn einer Inbetriebnahme einmalig oder im laufenden Betrieb situationsabhängig von der Steuerung zum IO-Link-fähigen Sensor übertragen werden. Der Nutzen für den Kunden: In der Inbetriebnahmephase einer Maschine können die vorab projektierten Sensorparameter schnell, unkompliziert und sicher auf den Sensor übertragen werden. Im laufenden Bearbeitungsprozess, z. B. bei kleinen Losgrössen, lassen sich dank der IOLink- Technik bei Bedarf unterschiedliche Parametersätze für verschiedene Produkte individuell auf den Sensor einbringen. Zudem sind natürlich auch spätere Prozessoptimierungen via Fernwartung dank der steuerungsgestützten Parametrierung einfach per IO-Link durchführbar. In der Summe ist IO-Link damit eine Schlüsseltechnologie für Industrie-4.0-Anwendungen.

Daten doppelt gesichert
Einhergehend mit der steuerungsgestützten Sensorparametrierung bietet IO-Link ab der Version 1.1 eine automatisierte doppelte Datenhaltung der Sensorparameter im Device und im IO-Link-Master an. Dietmar Wallenstein, Leiter der Bereiche E-Konstruktion und Inbetriebnahme bei Starrag Technology, erklärt: «Ein grosser Vorteil von IO-Link ist die automatisierte Datensicherung der Sensordaten im Hintergrund. Jeder Sensor (Device) sendet automatisch seine Parametersätze um IO-Link-Master, wo sie dann als Backup gespiegelt abgelegt werden. Sobald ein Sensor ausgewechselt wird, findet ein automatisierter Datenaustausch mit dem neuen Gerät statt. Die Parameterdaten werden dann vom IO-Link-Master automatisch auf das IO-Link-Device übertragen. Das vereinfacht den Austausch eines Sensors erheblich und reduziert im Fehlerfall deutlich die Stillstandzeit an der Maschine. Gleichzeitig bedeutet das eine grosse Arbeitserleichterung für die Service- und Wartungsmitarbeiter.» Fehlerhaft parametrierte Sensoren gehören somit der Vergangenheit an. Der Sensortausch reduziert sich auf die mechanische Montage. Der Kunde kann den Austausch selbst durchführen. Das Wartungspersonal benötigt keine Kenntnisse bezüglich Sensorparametrierung, da diese automatisch im Hintergrund erfolgt. Ausfallbedingte Serviceeinsätze können so deutlich schneller und sicherer behoben werden. Das spart Kosten.

Bei Bedarf lassen sich die Prozesssensoren für jedes Werkzeug
individuell parametrieren.

Fehlerfreie digitale Messwertübertragung
Bisher werden Analogsignale von Sensoren über A/D-Wandler digitalisiert und in der SPS skaliert. Dies führt zu Ungenauigkeiten des eigentlichen Messwertes. IO-Link dagegen liefert die Messwerte vom Sensor digital an die Steuerung. Eine fehlerbehaftete Übertragung und Umrechnung von Analogsignalen entfällt. Die digital übermittelten Messwerte können direkt in der Leitwarte angezeigt werden. Dabei entspricht der übertragene Wert immer exakt dem gemessenen Wert. Abweichungen zwischen Vor-Ort-Anzeige und per Analogsignal ermitteltem Wert in der SPS treten nicht mehr auf. Auch Störeinflüsse, etwa durch elektromagnetische Felder auf das Analogsignal, gehören mit IO-Link der Vergangenheit ein.

Zwei Messwerte – ein Sensor
Moderne Prozesssensoren von ifm stellen häufig mehr als nur einen Messwert zur Verfügung. Dietmar Wallenstein dazu: «Häufig verarbeitet ein Sensor mehr als nur eine physikalische Grösse. Neben Durchflussmenge oder Druck kann so z. B. auch die Temperatur des Mediums über die IO-Link-Schnittstelle ausgelesen werden. Früher mussten wir dafür zwei Sensoren einsetzen.» Das spart Geld bei Hardware, Verkabelung und Montage, da statt zwei nur noch ein Sensor und damit nur noch eine Montagestelle erforderlich ist.

Spart Kosten: Zwei Messwerte (Durchflussmenge und Temperatur) mit nur einem Sensor.

Diagnosedaten
Neben den Prozessdaten kann der IO-Link- Sensor aber auch Diagnosedaten zum eigenen Zustand des Device zur Verfügung stellen. Beispiel: Der Füllstandsensor erkennt kritische Ablagerungen und meldet sie an die Steuerung. Optische Sensoren erkennen selbstständig Verschmutzungen an der Linse und melden diese automatisch. Drucksensoren speichern minimale Druckeinbrüche und maximale Druckspitzen aus dem Prozess ab, summieren die Anzahl von Unter- oder Überschreitungen auf. Diese zusätzliche Funktionalität unterstützt den Anwender entscheidend in der zustandsorientierten Wartung. Diese erweiterten Zustandsinformationen reduzieren teure Stillstandzeiten und die Sicherheit für den Prozess wird erhöht.

Fazit
Mit der Implementierung von IO-Link bietet die Sensorik einen erheblichen Mehrwert. Dietmar Wallenstein fasst die Vorteile für Starrag Technology zusammen: «Industrie 4.0 ist in aller Munde und natürlich tragen wir in der Starrag diesem Megatrend Rechnung. Im Maschinenbau verstehen wir darunter u. a. die digitale Veredelung der Maschine. Deshalb setzen wir auf IO-Link. Die Sensoren liefern uns mit  kostengünstigen und robusten Schnittstellen mehr Informationen aus dem Prozess, den wir damit besser auswerten und optimieren können. Das ist einer der grossen Vorteile von IO-Link und ein Beitrag auf der Sensorseite, Industrie 4.0 mitzutragen.»

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Altgraben 27
4624 Härkingen
Tel 0800 88 80 33
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Industrielle Bildverarbeitung

Erstes mobiles 3D-Sensorsystem mit integrierter 2D-Kamera und Overlay-Funktion – jetzt alles in einem!

Keine Sorgen mehr beim Rückwärtsfahren – 3D-Kamera ermöglicht aktiven Kollisionsschutz
An allen Containerhäfen der Welt helfen Reach stacker beim Stapeln und Umschlagen von Containern. Damit es beim dichten und schnellen Rangieren innerhalb der Containerterminals nicht zu Zusammenstössen kommt, bietet ifm electronic einen automatischen Kollisionsschutz an. Die häufigsten Unfälle geschehen beim Rangieren und Rückwärtsfahren. Denn: Die Augen des Fahrers sind nach vorn gerichtet, wenn er mit den bis zu 40t schweren und 14m breiten Containern an Auslegern durch die engen Containerstapel zirkelt.

Intelligenter Kollisionsschutz
Aktiven Schutz bietet die O3M-Kamera von ifm: Die integrierte 3D-Sensorik visualisiert auf einem Bildschirm im Cockpit nicht nur Hindernisse hinter dem Fahrzeug, sondern bestimmt auch deren Grösse, Position sowie deren etwaige Bewegung. Basierend auf dieser Erfassung des Umfelds und der Eigenbewegung des Reachstackers, bewertet das O3M-System die kritische Relevanz von Objekten. Es warnt den Fahrer vor genau den Hindernissen, die im Fahrweg liegen oder sich auf Kollisionskurs bewegen. Damit wird vermieden, dass der Fahrer durch zu viele Objektwarnungen in nicht kritischen Bereichen irritiert wird.

Keine zusätzliche Hard- oder Software nötig
Das O3M-System besitzt zwei integrierte Kameras: Eine herkömmliche 2D-Kamera und eine 3D-Kamera, die zu jedem Bildpunkt die exakte Entfernung ermittelt. Der Vorteil für den Anwender: Detektierte Objekte werden im ausgegebenen 2D-Bild farbig hervorgehoben. Kritische Hindernisse können z. B. rot herausgestellt werden, weniger kritische Objekte in Gelb oder Grün. Zudem kann in diesem Fall auch ein zusätzliches Warnsymbol ausgegeben werden. Die Generierung dieser Überblendung erfolgt komplett innerhalb des O3M – es ist also weder zusätzliche Hardware noch eine aufwendige Einrichtung oder Programmierung notwendig.

Gestufte Warnungen
Parallel zur visuellen Darstellung wird auf dem CAN-Bus eine Warnung versendet, die eine zusätzliche akustische Warnung sein kann oder sogar ein Bremseingriff. Diese Reaktion kann auch in Abhängigkeit der Entfernung zum Hindernis gestaffelt ausgelöst werden, das heisst, dass zuerst eine akustische und visuelle Warnung erfolgt. Falls der Fahrer nicht reagiert und die Situation kritischer wird, kann das Fahrzeug angebremst werden. Der integrierte PMD-3D-Chip von ifm erfasst Szenen und Objekte dreidimensional mit nur einer Aufnahme. Dabei werden Bewegungsverzerrungen, wie sie bei Linienscannern auftreten können, verhindert. Basierend auf der patentierten und mehrfach ausgezeichneten PMD-Technologie von ifm, wurde ein Sensorsystem entwickelt, das den rauen Umgebungsbedingungen im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen gerecht wird. Neben der robusten und gleichzeitig kompakten Bauform ist das O3M-Sensorsystem speziell für Anwendungen im Aussenbereich mit wechselnden Lichtverhältnissen oder direkter Sonneneinstrahlung ausgelegt. Der ifm- 3D-Sensor kommt ohne bewegliche Komponenten aus. Dadurch ist er besonders widerstandsfähig und verschleissfrei.

Vielseitig einsetzbar
Die mobilen 3D-Smart-Sensoren verfügen über einige integrierte Auswertefunktionen, die es ermöglichen, neben dem hier beschriebenen Kollisionsschutz eine Vielzahl anderer Applikationen zu lösen, z. B. Linienführung oder Bereichsüberwachung. Dabei wird eine hochentwickelte Algorithmik aus dem Automotive-Bereich eingesetzt, die für die zuverlässige automatische Objekterkennung von bis zu 20 Objekten sorgt. Die Parametrierung des Systems erfolgt in wenigen Schritten über den komfortabel zu bedienenden ifm-Vision-Assistant für Windows.
Dazu braucht der Anwender lediglich einige Parameter, z. B. zur Fahrzeuggeometrie, einzugeben.Die Einrichtung dauert in der Regel nur wenige Minuten, dann ist das System betriebsbereit. Das O3M-System ist ein mobiltaugliches autarkes Assistenzsystem, welches vorausschauend vor Kollisionen warnt und gegebenenfalls auch aktiv ins Fahrgeschehen eingreifen kann. ifm bietet eine preiswerte Lösung für mehr Sicherheit nicht nur in der Hafenlogistik.

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Hausgemachte Verschwendung vermeiden Kältespeicherbewirtschaftung mittels «Null-Durchfluss»-Regulierung

Um Kosten und den Energieverbrauch zu senken, wird der effiziente Betrieb von Haustechnikanlagen immer wichtiger. Dabei geht es um mehr als optimales Einstellen von Betriebszeiten und Temperaturen. Die Haustechnikanlagen eines Gebäudes sind ganzheitlich zu betrachten. Eine Abstimmung der unterschiedlichen Systeme aufeinander ist zwingend notwendig.

Beim Umbau der Bankfiliale der Basler Kantonalbank in Basel wurden sämtliche Haustechnikinstallationen komplett erneuert. Die Schweizer HeiVi AG hat die Planung und Projektierung der Heizungs- und Klimainstallationen vorgenommen. Ziel war es, den Energieverbrauch, die Investitionskosten sowie die Schnittstellen zu reduzieren und den Gebäudeunterhalt nachhaltig zu optimieren. Peter Heimann, Mitgründer der HeiVi AG, führt aus: «Als Planer anspruchsvoller Heizungs-, Lüftungs-, Klima-, Kälte- und Sanitäranlagen unterstützen wir Architekten, Bauherren und Projektentwickler bei der Realisation von neuen Anlagen und Optimierungsprozessen. Mit dem Ziel, maximale Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit bei guter Behaglichkeit für unsere Kunden zu erreichen, stehen wir zudem für innovative Planung im Bereich der Gebäudeautomation. Um das zu erreichen, müssen wir immer wieder um die Ecke denken.»

ifmHausgemachte Verschwendung
Der Kältemaschinen-Verdichter (M01) regelt die Kaltwasseraustrittstemperatur (B01). Die Speicherladepumpe (M02) fördert eine konstante Wassermenge über den Kältespeicher. Zwei Fühler im Speicher regeln das Ein- und Ausschalten der Kältemaschine. Eine Speicherentladepumpe (M03) fördert anschliessend das Kaltwasser zu den Verbrauchern. Da die Speicherentladepumpe (M03) über den Differenzdruck der Verbraucher geregelt wird, fördert die Pumpe nur so viel Wasser, wie es das System benötigt. Die Folge: Im Teillastbetrieb ist der Lademassenstrom immer viel höher als der Entlademassenstrom. Aufgrund des konstanten Massenstroms, der die Kältemaschine speist, reduziert der Verdichter seine Leistung erst im Endladebetrieb. Schlussendlich können so die Vorteile des leistungsgeregelten Verdichters nicht genutzt werden.

ifmModell Speicherladung mit ifm-Sensoren.

«Wir haben uns gefragt», so Heimann, «ob Speicherladepumpe und somit auch der Verdichter bedarfsgerecht reguliert werden können, um den Prozess zu optimieren.» Hier ist «um die Ecke denken» angesagt. «Dabei sind wir auf die Module von ifm gestossen», führt Heimann weiter aus.

Mittels ifm-Durchflusssensoren vom Typ SM6500 wird der Kältespeicher auf «Null-Durchfluss» geregelt. Die Speicherladepumpe (M02) wird neu in das System eingebunden. Dabei regelt die Speicherladepumpe (M02) die Differenz zwischen Speicherlademassenstrom (G01) und Speicherentlademassenstrom (G02). Jedoch sollte der Speicherlademassenstrom fünf bis zehn Prozent höher sein als der Speicherentlademassenstrom. Zudem ist sicherzustellen, dass der minimale Massenstrom der Kältemaschine nicht unterschritten wird.
Mit der «Null-Durchfluss»-Regelung mittels ifm-Durchflusssensoren entstehen somit zahlreiche Vorteile. Der Verdichter läuft im Teillastbetrieb und die Leistungsregulierung des Verdichters wird voll ausgenutzt. Das bedeutet weniger Energieverbrauch. Durch hohe Eintrittstemperaturen in die Kältemaschine wird der Energieverbrauch zudem minimiert. In der Folge kann der Kältespeicher kleiner dimensioniert werden, was die Investitionskosten senkt. Zusätzliches Einsparpotential ergibt sich dadurch, dass die Speicherladepumpe (M02) im skizzierten Modell (siehe Grafik 2) weniger Energie verbraucht.

Verzicht auf Thermometer
Neben den Durchflusssensoren SM6500 wurden bei der Filiale in Gundeldingen auch die Temperatursensoren TD2237 von ifm eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Temperatursensoren verfügen diese über eine digitale Temperaturanzeige. So kann auf ein zusätzliches Thermometer verzichtet werden. Abgesehen davon, dass die ifm-Sensoren schnell und genau messen, vereinfacht deren digitale Anzeige die Inbetriebnahme und Betriebsoptimierung. Fehler im Kreislauf können sofort erkannt und umgehend behoben werden. Der Erfolg gibt Heimann recht: Mittlerweile hat die HeiVi AG Anlagen bei mehreren Filialen der Basler Kantonalbank, der Cler Bank in St. Gallen sowie für das Labor der Baugewerblichen Berufsschule Zürich nach dem neuen Verfahren ausgerüstet. Immer an Bord: die Sensoren von ifm.

Keyfacts Strömungssensor Typ SM 6500
ifmInline-Durchflusssensor für exaktes Messen von Flüssigkeiten bis 600 l/min.
Hygiene
Auch mit EPDM-Dichtungen für Trinkwasserapplikationen.
Vielseitigkeit
Kompakt, kostengünstig, variabel anwendbar für unterschiedliche Durchflussrichtungen. Mit Durchflussmengen-, Gesamtmengen und Temperaturanzeige.
Präzision
Hohe Gesamtgenauigkeit, helles 4-stelliges LED-Display für optimale Ablesbarkeit, schnelle Ansprechzeit.
Zubehör
Umfangreiches Zubehör für industrielle Anwendungen und Prozessadapter lieferbar.


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Fernwärme – der ökologisch sinnvolle Beitrag

Fernwärme – ein Beitrag zur Volkswirtschaft in der Schweiz
Die Schweiz importiert rund 80 Prozent ihres Energiebedarfs aus dem Ausland. Hierfür fliessen jährlich 21 Milliarden Franken aus der Schweiz ab und fehlen der eigenen Volkswirtschaft. Damit diese immensen Geldströme nicht mehr primär in die Krisenregionen der Erdölstaaten fliessen, sondern vermehrt der eigenen Wirtschaft zugutekommen, braucht es eine konsequente Wende hin zu Energieeffizienz und erneuerbarer Energien. Letztere können weitgehend im Verbund mit Fernwärmenetzen optimal und wirtschaftlich genutzt werden. Den Gemeinden und Regionen kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Verschiedene Energieregionen rechnen damit, dass sie die regionale Wertschöpfung bei der Energieversorgung langfristig wesentlich verbessern können. Gleichzeitig erhöhen sie damit die Glaubwürdigkeit einer nachhaltigen Energiestrategie gegenüber der Bevölkerung und dienen dieser als Vorbild.

Investoren erwarten sichere Rahmenbedingungen
Die energiepolitischen Vorgaben machen der Bund und die Kantone. Diese werden in den Mustervorschriften der Kantone im Energiebereich (MuKEn) festgehalten. Der Vollzug ist Sache der Gemeinden. Eine nachhaltige Energiestrategie führt über eine kommunale Energieplanung, welche den Energiebedarf und die vorhandenen Potenziale an erneuerbaren Energien analysiert und räumlich aufeinander abstimmt. Die Gemeinden setzen die Vorgaben in den kommunalen Bauvorschriften, in Verordnungen sowie in der Richt-und Nutzungsplanung um. Der Verband Fernwärme Schweiz (VFS) hat im Dokument «Weissbuch Fernwärme» die entsprechenden Grundlagen erarbeitet. Diese stehen unter www.fernwärme-schweiz.ch zu Verfügung.

Fernwärme bürgt für Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit
Fernwärme und Fernkälte bedeuten Versorgungssicherheit, Komfort, Kunden- und Umweltfreundlichkeit, minimaler Wartungsaufwand und faire Kosten. Sie nutzen die Ressourcen sauber, effizienter und klimafreundlich. Die Zukunft der Energieversorgung ist in Bewegung. Neben Strom und Mobilität macht Wärme 40% unseres Energieverbrauches aus. Fernwärme und Fernkälte leisten im Wärmebereich einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit. Sie sind vor allem dann nachhaltig und umweltfreundlich, wenn sie mit dem Einsatz von erneuerbaren Energien oder der Nutzung verschiedener Abwärme-und Kältequellen betrieben werden.


Verband Fernwärme Schweiz
p. A. Ryser Ingenieure AG
Engestrasse 9, Postfach
3001 Bern
Tel 031 560 03 90
info@fernwaerme-schweiz.ch
www.fernwaerme-schweiz.ch

Gut gemessen, schon gewonnen

Energiesparen ist auch eine Rechenaufgabe. Erst wenn die Zahlen auf dem Tisch liegen, weiss man, ob, wie und weshalb sich die getroffenen Massnahmen lohnen. Das neue Zauberwort dazu heisst Monitoring, mit anderen Worten: messen der Flüsse. Der Tageskurs des energie-cluster.ch zeigt, was das heute heisst und welches der Nutzen ist.

Lange verliess man sich bei Massnahmen zur Energieeffizienz auf die Leistungsfähigkeit von Produkten und Techniken. Die von den Anbietern deklarierten Werte reichten zum Erlangen von Labeln und Zertifikaten aus. Dem effektiven Betrieb schenkte man weniger Beachtung, gelegentlich wunderte man sich möglicherweise über die unerwartet hohen Betriebskosten.
Das Monitoring vermittelt detaillierte Auskünfte zur energetischen Effizienz von Gebäuden im Betrieb. Dank der fortschreitenden Digitalisierung lohnt es sich mittlerweile auch für kleinere Gebäude, eine Vielzahl an Daten zu erheben und diese intern oder auch extern auszuwerten, zwecks einer gezielten Betriebsoptimierung. Der Tageskurs des energie-cluster.ch gibt einen Einblick in die Definition des Monitorings und mögliche Messsysteme. Anhand von Praxisbeispielen zeigt er Möglichkeiten einer günstigen Umsetzung auf. Zudem vermittelt er Ansätze für Optimierungen des Gebäudebetriebes. Alle Teilnehmenden erhalten durch diesen Kurs die Chance, eine sinnvolle Eigenverbrauchsoptimierung an Gebäuden vorzunehmen.
Ausgiebige Pausen und eine Tischmesse bieten Gelegenheit für den Austausch, das Networking und die kritische Auseinandersetzung mit einem Thema, das den Bau- und Immobilienbereich je länger, je mehr beschäftigen wird. Die Teilnahme an diesem Kurs ist eine gute Investition!


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