Individuell nach Kundenwunsch gefertigte Unterflur-Hebeanlagen von Windhoff sind weltweit im Einsatz bei der Inspektion, Wartung und Instandsetzung mehrteiliger Zugverbände Innovation hebt Bahnwaggons und Effizienz Ein Generationswechsel oder Umstieg auf eine neue Technologie ist für jeden Anlagenbauer eine bedeutsame Entscheidung. Windhoff Bahn- und Anlagentechnik hat den Schritt gewagt und setzt nun auf Durchgängigkeit bei Automatisierung und Engineering sowie Standards. Durch die Integration der Antriebstechnik ins Engineering und die Kommunikation über Profinet hat das Unternehmen bereits beim ersten Projekt Zeit und damit Kosten gespart. Thomas Kreuzer Thomas Kreuzer ist Marketing Manager Totally Integrated Automation in der Siemens- Division Digital Factory. Die Windhoff Bahn- und Anlagentechnik GmbH ist ein deutsches Maschinenbauunternehmen, das 1889 gegründet wurde und heute weltweit in den Sparten Schienenfahrzeuge, Bahntechnik und Indus trietechnik agiert. Zum Angebotsspektrum gehören individuelle Unterflur-Hebeanlagen, die zur Inspektion, Wartung und Instandsetzung mehrteiliger Zugverbände in der ganzen Welt zum Einsatz kommen. Als Unterflur-Hebeanlagen werden Hebeanlagen bezeichnet, bei denen 18 3/15
die gesamte Hebetechnik in Gruben eingelassen ist. Mit ihnen lassen sich mehrteilige Zugverbände als Ganzes auf die zur Inspek tion, Wartung und Instandsetzung erforderliche Arbeitshöhe anheben. Alle Waggons sind dann frei zugänglich und die Drehgestelle können nach dem Abstützen der Wagenkästen gewechselt werden. Beim Heben der bis zu mehrere hundert Tonnen schweren Züge ist Sicherheit für Mensch und Technik oberstes Gebot. Daraus resultieren einige besondere Anforderungen an die Automatisierung der Anlagen. Windhoff setzt diese Anforderungen bereits seit vielen Jahren mit Totally Integrated Automation (TIA), der durchgängigen, aufeinander abgestimmten Automatisierungstechnik von Siemens, um. Das- TIA- Konzept setzt auf ganzheitliches Engineering, konsistentes Datenmanagement sowie durchgängige Kommunikation, basierend auf internationalen Standards. Weitere Eigenschaften sind die nahtlose Integration der funktionalen Sicherheit in die Standardautomatisierung und Maßnahmen zur Minimierung der Gefahr von Cyber-Angriffen auf Netzwerke und Anlagen. In zwei Projekten für schwedische Bahn-Betriebswerke hat sich der Anlagenbauer aus Rheine für den Umstieg auf einen neuen Automatisierungsstandard entschieden. Grundlage des Standards sind das TIA Portal, neueste dafür weiterentwickelte Produktfamilien und die Kommunikation via Profinet. Durch diesen Schritt und die durchgängig aufeinander abgestimmten Automatisierungskomponenten konnten Zeit- und Kosteneinsparungen erzielt werden. Mit Standards zu individuellen Anlagen Zur schnellen und kosteneffizienten Realisierung seiner Unterflur-Hebeanlagen nach Kundenwunsch hat Windhoff eine Art modularen Baukasten für Mechanik und Automatisierung entwickelt. Daraus lassen sich bis zu 85 % aller Anforderungen mit bewährten, standardisierten Komponenten zügig und kosteneffizient umsetzen. Basis jeder Anlage bilden zwei oder mehr Hebestände. Üblicherweise ist jeder dieser Hebestände mit vier Hebern ausgestattet, die mittels Getriebemotoren und Spindeln angetrieben werden. Die Heber können mit einem zentralen oder mit vier Einzelantrieben ausgerüstet und entweder schützgesteuert oder frequenzgeregelt betrieben werden. In Sichtweite zu den Hebeständen befindet sich ein Bedienpult mit Touchdisplay. Für die Arbeiten auf der gegenüberliegenden Waggonseite sind verschiedene tragbare Bediengeräte verfügbar. Über Op tionspakete lassen sich Funktionalität und Komfort individuell ausbauen. Modulare Automatisierung vernetzt über Profinet Dem mechanischen Aufbau der jeweiligen Anlage folgend, ist auch die Automatisierungsstruktur modular aufgebaut. Als Zentralsteuerung dient eine fehlersichere Simatic S7 1517F PN/DP, die im Bedienpult platziert ist. Per managed Industrial-Ethernet-Switch Scalance X208 sind via Profinet dezentrale Peripherie-Stationen vom Typ Simatic ET200SP angeschlossen sowie ein www.openautomation.de 19
Enterprise Resource Planning Product Lifecycle Management Management Product Design Product Data Management Production Planning Operations Manufacturing Execution System Totally Integrated Automation Portal Control Scada-System Engineering Framework Energy Management Field Controller HMI Communication Motion Control CNC Power Supply Industrial Identification Distributed-IO Drive Systems Industrial Controls Totally Integrated Automation (TIA): Durchgängige Automatisierung von Siemens und performante Profinet-Kommunikation sind für Windhoff entscheidende Faktoren für höchste Effizienz im Engineering, beim Bau, der Inbetriebnahme, im Betrieb und beim (Tele-)Service von Unterflur- Hebeanlagen Windhoff-Geschäftsführer Manfred Schmitz über Erfahrungen und Optimierungspotenziale Herr Schmitz, was waren Ihre Beweggründe, gerade bei den beiden genannten Projekten einen neuen Automatisierungsstandard einzuführen? M. Schmitz: Mit dem neuen Automatisierungsstandard verfügen wir nun über ein gemeinsames Tool, mit dem wir alle unsere Automatisierungsaufgaben effizient und kostengünstig abbilden können. Die Bedienoberfläche entspricht in der Usability den von Windows gewohnten Mechanismen, ist intuitiv und für alle Anwendungen gleich. Zudem haben wir in den Automatisierungsstandard die neuen Simatic- S7-1200-Steuerungen integrieren können, um kostengünstig auch in einfacheren Anwendungen die Effizienz steigern zu können. Was waren die größten Herausforderungen und belief sich der Aufwand Manfred Schmitz ist Geschäftsführer der Windhoff Bahn- und Anlagentechnik GmbH in Rheine bei der Umsetzung in dem von Ihnen im Vorfeld erwarteten Rahmen? M. Schmitz: Die größte Herausforderung war, unsere bewährten und bereits vorhandenen Projekte zu migrieren und dabei die Software so zu strukturieren, dass wir die erweiterten Funktionalitäten der neuen CPU-Generationen nutzen konnten. Hierbei hat uns Siemens unterstützt und die Aufwendungen blieben erfreulicherweise in dem von uns geplanten Rahmen. Wo sehen Sie Optimierungspotenziale im Siemens-Portfolio mit Blick auf zukünftig zu erwartende Herausforderungen? M. Schmitz: Wünschenswert wäre eine Integration der Servoumrichter in das TIA Portal. Auch könnte Siemens die Ladezeiten noch optimieren, und die S7-1200-Steuerung dürfte gerne Federzugklemmen haben, damit wir zusätzlich Kosten bei der Verdrahtung sparen können. 20 3/15
Simatic Comfort Panel TP1500, das ebenfalls in das Bedienpult integriert ist. In den Gruben verteilt befinden sich Schaltschränke mit der dezentralen Standard- und fehlersicheren Peripherie sowie mit kompakten Sinamics-G120C-PN-Umrichtern nebst Profinet-Anschluss. Letztere treiben über Simo gear-getriebemotoren im Wechsel die Spindeln der vier Drehgestell- beziehungsweise der Wagenkastenheber an. Das wesentlich Neue ist hierbei, dass das TIA Portal das Engineering und die Vernetzung sämtlicher Komponenten integriert und vereinheitlicht. Treibende Kraft an den Unterflur-Hebern sind wahlweise schützgesteuert oder frequenzgeregelt betriebene Simogear-Getriebemotoren von Siemens hier in der Montage bei Windhoff Sicher heben im Takt Safety Integrated Die Kernaufgabe aller Hebestände einer Linie ist es, gemeinsam einen Zugverband gleichmäßig anzuheben und zu senken. Dabei müssen Schrägstellungen durch Lastunterschiede und daraus resultierende Gefahren sicher vermieden werden. Um den vorgeschriebenen Performance Level (PL d) nach DIN EN ISO 13849-1 zu erreichen, sind an den Heberspindeln Impulsgeber montiert, deren Signale zweikanalig über fehlersichere Eingänge zur Simatic S7-1500F gelangen. Die Steuerung überwacht den Hubvorgang und schaltet bei einem Fehler in einen sicheren Zustand. Ist die Störung behoben und quittiert, kann weiter www.openautomation.de 21
TIA-Marketing-Manager Thomas Kreuzer über die Vorteile von TIA Herr Kreuzer, was waren für Sie die Highlights bei den aktuellen Windhoff-Projekten? T. Kreuzer: Highlight und Herausforderung zugleich waren die Konzeption und Implementierung des neuen Automatisierungsstandards samt Visualisierung basierend auf dem TIA Portal sowie die Umstellung von Profibus auf Profinet. Dabei sollten auch die neusten Möglichkeiten für sicheren Remote-Service einbezogen und der Aufwand für den Umstieg möglichst gering gehalten werden. Deshalb wurden zum Einstieg vorhandene Projekte migriert und optimiert, anstatt diese von Grund auf neu aufzusetzen. Die Integration der Antriebstechnik über das Engineering mit dem TIA Portal und in die Profinet-Kommunikation hat unserem Kunden schon beim ersten Projekt viel Zeit und damit Kosten gespart. Für zukünftige Anwendungen im unteren Leistungsbereich wurden die Simatic-S7-1200-Controller bereits in den neuen Standard aufgenommen. Das Projekt konnte in enger und vertrauensvoller Zusammenarbeit der beteiligten Windhoff- und Siemens-Mitarbeiter erfolgreich abgeschlossen werden. Siemens hat sein TIA-Portfolio sowie das TIA-Portal in den letzten Jahren wesentlich weiterentwickelt. Bitte nennen Sie die aus Ihrer Sicht Top-3- TIA-Innovationen. T. Kreuzer: Mit der Einführung des TIA Portals 2010 haben wir den erfolgreichen Ansatz von Totally Integrated Automation aus dem Jahr Thomas Kreuzer ist Marketing Manager Totally Integrated Automation bei der Siemens AG in Nürnberg 1996 fortgeführt: Die bisher einzelnen Engineering-Tools für unterschiedliche Automatisierungsaufgaben, etwa HMI, Steuerungs- oder Antriebstechnik, haben wir in eine Engineering-Umgebung, das TIA Portal, integriert. Mit dieser Integration reduzieren unsere Kunden signifikant ihren Zeit-, Kosten- und Arbeitsaufwand für das Engineering für eine leistungsfähigere Produktion und Steigerung ihrer Wettbewerbsfähigkeit. Mit Markteinführung des TIA Portals haben wir in Schritten nahezu unser gesamtes Hardwareportfolio darauf abgestimmt und erneuert von den HMI-Geräten über die Controller bis hin zur dezentralen Peripherie. Jüngste Beispiele dafür sind die fehlersicheren Steuerungen Simatic S7-1500F, die Simatic Comfort Panels und die Umrichter Sinamics G120. Wo sehen Sie gerade auch in Bezug auf die Industrie 4.0 weiteren Handlungsbedarf in der Neu- und Weiterentwicklung Ihres TIA-Angebots für die nächsten Jahre? T. Kreuzer: Totally Integrated Automation bildet in Verbindung mit leistungsstarker Siemens-PLM(Product- Lifecycle-Management)-Software die Basis zum Digital Enterprise das Lösungsangebot von Siemens für die Umsetzung von Industrie 4.0. Aus der durchgehenden digitalen Unterstützung des gesamten industriellen Wertschöpfungsprozesses ergeben sich vielfältige Vorteile, wie kürzere Entwicklungszeiten, mehr Flexibilität, höhere Verfügbarkeit, Qualität und Benutzerfreundlichkeit sowie signifikante Produktivitätssteigerungen und eine kürzere Markteinführungszeit. Auf der Hannover Messe konnte man dies unter anderem am Multi Carrier System sehen, einem innovativen Maschinenkonzept für Abfüll- und Verpackungsmaschinen. Siemens unterstützt Anwender bereits in der Design- und Konstruktionsphase durch Industriesoftware für die Modellierung und Simulationen des funktionellen Maschinendesigns. Das ermöglicht die Realisierung einer durchgängigen digitalen Prozesskette, angefangen beim Produkt- und Maschinendesign über das Engineering bis hin zur Produktionsautomatisierung. gehoben werden, sagt Harald Lühring, Elektrokonstrukteur und Programmierer bei Windhoff. Integrierte Sicherheitsfunktionen wie Safe Torque Off (STO) im Umrichter und die Kommunikation über Profinet und Profisafe vereinfachen die Einhaltung der Vorschriften weiter, da zusätzliche Sicherheitshardware und deren Verdrahtung entfällt. Effizient vom Engineering bis zum Teleservice Schon bei den ersten Anwendungen konnten die Potenziale des vereinheitlichten Engineerings etwa hinsichtlich Look-and-feel sowie die der grafischen Vernetzung per Drag-and-drop im TIA Portal gehoben werden. Die automatische Nachführung von Variablen über alle Komponenten und Editoren hinweg, beispielsweise für PLC, HMI und Antriebe, gestaltet die Programmieren komfortabel und minimiert Eingabefehler. Für den Umstieg wurde ein vorhandenes Projekt migriert und anschließend für die neue Steuerung optimiert, um deren Funktionalität und Geschwindigkeitsvorteile voll auszunutzen. Die Zeiteinsparung einer Migration gegenüber einer 22 3/15
Mit den kompakten Umrichtern Sinamics G120C PN hat der Maschinenbauer eine leistungsfähige und kosteneffiziente Antriebslösung für die Heber gefunden Modulare Automatisierung folgt modularem Maschinenbau: Zentrales Bedienpult mit Simatic Comfort Panel und dezentrale Schaltschränke für die Hebestände hier in der Montage bei Windhoff kompletten Neuprogrammierung sei erheblich, berichten die Automatisierer von Windhoff. Weitere Einsparungen erwarten sie vom neuen Bibliothekskonzept im TIA Portal. Damit lassen sich einmal getestete Funktions- oder Bildbausteine, Funktionsgruppen oder ganze Module, zum Beispiel ein Hebestand, in projektbezogenen oder globalen Bibliotheken speichern und einfach aus einer Maximalkonfiguration auswählen und wiederverwenden. Dies betrifft auch sicherheitsgerichtete Programmteile samt F(ailsafe)-Signatur. Das unterstützt den modularen Ansatz der Anlagen und verkürzt das Engineering sowie die Dokumentation. Antrittszeiten von 24 Stunden erfordern einen intelligenten Fernzugriff auf die Systeme, den der Anlagenbauer künftig mit dem Mobilfunk-Router Scalance M874-3 realisieren wird. Er verbindet hohe IT-Security mit der erforderlichen Durchgängigkeit der Netze. Die integrierte, per Mausklick aktivierbare Systemdiagnose aller Komponenten beschleunigt dabei die Fehlersuche ganz ohne Engineering-Aufwand. Inbetriebnahmezeiten optimiert Die Vorteile aller Einzelkomponenten verknüpft Windhoff mit der durchgängigen Standard- und fehlersicheren Kommunikation mittels Profinet und Profisafe über eine Leitung. So können wir ein Netzwerk aufbauen, wie wir es benötigen sei es linien-, stern-, oder ringförmig und redundant. Dank der hohen Performance von Controllern und Netzwerk brauchen wir uns bei durchschnittlich 70 Profinet-Teilnehmern über Signallaufzeiten keine Gedanken mehr zu machen, so der Programmierer. Damit erübrige sich die vorherige Kalkulation der Zykluszeit, die bei vergleichbar großen Profibus-Installationen oft einen ganzen Arbeitstag eines Engineers in Anspruch genommen habe. Einen weiteren Tag spare das nicht mehr erforderliche Einstellen der Busadressen über DIP-Schalter ein. Nicht zu ermessen sei die Zeitersparnis bei der Fehlersuche. Diese konnte früher Stunden bis Tage dauern. Im Topologie-Editor des TIA Portals kann dagegen die gesamte Topologie vorprojektiert und danach per Soll-Ist-Vergleich auf Fehler geprüft werden. Außerdem erübrigt sich die Namens-/ Adressvergabe an Profinet-Teilnehmer, was den Austausch ohne Software-Tools ermöglicht. Im Vergleich zu Profibus-Inbetriebnahmen hat sich der Zeitaufwand mit Profinet halbiert. Nach meinem Empfinden laufen die neuen Installationen nicht nur schneller, sondern auch dauerhaft stabiler und störungsfreier als frühere Lösungen, so H. Lühring. Integration schafft Mehrwert auch für weitere Anwendungen Mit dem neuen Automatisierungsund Kommunikationsstandard konnte der Anlagenbauer Windhoff die Komplexität seiner Steuerung von Unterflur-Hebeanlagen reduzieren. Totally Integrated Automation und Profinet bilden die Basis zur Erschließung weiterer Optimierungspotenziale für noch flexiblere und (kosten-)effizientere Lösungen. Derzeit entwickelt Windhoff bzw. Windhoff gemeinsam mit Siemens unter anderem innova tive WLAN-Konzepte auf der Basis bestehender Profinet-Topologien. Andreas Hellweg, Leiter Elektrotechnik und verantwortlich für Produktinnovationen bei Windhoff, resümiert: Mit der Simatic S7-1200 im TIA Portal lässt sich künftig auch bei einfacheren Anwendungen die Effizienz weiter steigern. Damit kommen wir unserem Ziel näher, alle Aufgaben mit nur einem Software-Tool unter einem Dach zu erledigen und auch die Zahl der Hardwarekomponenten gering zu halten. So müssen wir nicht mehr verschiedene Systeme erlernen und pflegen beziehungsweise viele unterschiedliche Komponenten bevorraten, was immer mit erhöhtem Aufwand verbunden ist. www.siemens.de/tia www.siemens.de/tia-portal www.siemens.de/profinet www.windhoff.de www.openautomation.de 23