Das Unternehmen LPKF Laser & Electronics aus Garbsen bei Hannover hat sich seit der Firmengründung 1976 auf die Entwicklung und den Bau von Maschinen zur Leiterplattenherstellung und Laser-Mikromaterialbearbeitung spezialisiert. Mittlerweile hat das Unternehmen viel Know-how in den wichtigen Kernfeldern Laser und Optik erworben ebenso wie im Maschinenbau, Steuerungs- und Antriebstechnik sowie der Mikromaterialbearbeitung.
Produktionssteigerung muss sicher bleiben
Solche Produktionsmaschinen haben einen hohen Stellenwert für die Elektronikindustrie. Ein Hersteller von Mikrofonen bestückte zum Beispiel früher seine etwa DIN A3 großen Platinen mit rund 100 Bauteilen, die anschließend ausgestanzt wurden. Mit den modernen Maschinen aus Garbsen kann die gleiche Fläche nun mit etwa 1.000 Miniplatinen bestückt sein – herausgetrennt wird per Laser. Die Verbesserungen im Rahmen der Elektronikfertigung haben entsprechende Auswirkungen auf die Konstruktion der Maschinen, die natürlich auch bis in die Sicherheitstechnik reichen.
Aufgrund der hohen Produktionsleistung wird mit einer kürzesten Intervallzeit von 30 s gerechnet. Bei Dreischichtbetrieb müssten also Abschalthäufigkeiten für die Laser in der Größenordnung von einer Million kalkuliert werden. Thomas Nether, Produktmanager PCB Equipment (PCB, Printed Circuit Board) bei LPKF, kommentiert: „Ein derart häufiges Schalten überstehen weder der Laser noch andere Komponenten, wie Schütze, viel länger als ein Jahr.“ Da sich der Betreiber der Maschine nicht der Belastung der Schalthäufigkeit der im Laser integrierten Shutter zur sicheren ‚Verdunkelung‘ während des Automatikbetriebs sowie der Leistungsschütze aussetzen wollte, musste eine andere Lösung gefunden werden. Diese ist ein zusätzlicher externer Shutter, der den Lichtstrahl abdeckt, während die Maschinen neu bestückt werden.
Modulare Sicherheitslösung als wirtschaftliche Alternative
Bei der bis dahin konventionell aufgebauten Sicherheitstechnik gab es fünf Sicherheitsschaltgeräte – teils mit Zeitverzögerung -, mit denen die zwei Lade- und drei Wartungsklappen überwacht wurden. Sechs Schütze sorgten dabei für eine zweikanalige Absicherung aller risikobehafteten Bereiche. Für den zusätzlichen Shutter wären nun noch einmal Sicherheitsschaltgeräte plus mehrere Schütze hinzugekommen. „Der Aufwand hierfür wäre nicht mehr wirtschaftlich darstellbar gewesen, weshalb wir uns für eine komplett neue, wesentlich modernere Sicherheitslösung entschieden haben“, betont Nicole Niemeyer, Technikerin aus der Elektrotechnikentwicklung bei LPKF. Heute benötigt man für gewünschte Sicherheitsfunktionen bis Performance Level e gemäß EN ISO 13849-1 lediglich ein modulares Sicherheitssystem, das bei Bedarf mit bis zu sieben Erweiterungsmodulen ausgebaut werden kann. Das 3RK3-Basisgerät des modularen Sicherheitssystems Sirius MSS von Siemens besitzt acht sicherheitsgerichtete Sensoreingänge, einen sicherheitsgerichteten Relaisausgang bis SIL3/PLe und einen sicherheitsgerichteten elektronischen Ausgang bis SIL3/PLe. Ergänzend dazu gibt es mehrere unterschiedliche Zusatzmodule, von denen sich der Maschinenbauer für das Erweiterungsmodul 4/8F-DI mit acht sicherheitsgerichteten Sensoreingängen entschieden hat, und für Meldungen das Standard-Erweiterungsmodul 8 DO mit acht Ausgängen einsetzt.
Alles auf einer Plattform
Zur Datenübertragung lassen sich die einzelnen Module über ein vorkonfektioniertes Flachkabel einfach mit dem Basisgerät verbinden. Für die sicherheitsgerichtete Abschaltung der zwei Bereiche übernehmen jeweils zwei Schütze, die parallel angesteuert werden, die Notabschaltung: zwei für die Abschaltung des Lasers und zwei für die zeitverzögerte Abschaltung der 230-V-Versorgungsspannung der X-Y-Achsen. „Mehr ist nicht notwendig“, versichert Nicole Niemeyer. Um Standardmeldungen wie ‚Bestückklappe x wurde geöffnet‘ anzuzeigen, wurde an das Grundgerät noch ein zusätzliches Erweiterungsmodul mit acht digitalen Ausgängen angereiht. „Wir erachten es als großen Vorteil, Standardautomatisierung und Sicherheitstechnik auf der gleichen Plattform belassen zu können“, kommentiert Thomas Nether. Denn damit können dem Bediener wichtige Informationen einfach zur Verfügung gestellt werden.
Durch die vereinfachte hardwareseitige Sicherheitstechnik lässt sich nicht nur die Verdrahtung schneller durchführen, sondern auch Verdrahtungsfehler gibt es seither kaum noch. Auch der Platzbedarf im Schaltschrank ist gesunken. Darüber hinaus ist die neue Lösung für die Lebensdauer von Laser und Schalttechnik geradezu ein ‚Wellness-Programm‘ wie Thomas Nether bestätigt: „Heute müssen die Laser höchstens noch, wenn überhaupt, wenige Male pro Tag für Einrichtungsarbeiten abgeschaltet werden.“
Diagnosefähigkeit ist wichtig
In den Maschinen gibt es sechs Sicherheitsfunktionen, die alle möglichen Risikoszenarien abdecken. Diese wurden gemäß EN ISO 12100 definiert und in die Risikobetrachtung mit aufgenommen. Das Ergebnis der Sicherheitseinstufung war Performance Level ‚d‘. Denn im Gegensatz zur früheren Auslegung nach EN 954-1, die Ende 2011 ausläuft, fließen heute in die Risikobewertung zeitabhängige Komponenten mit ein. Hierzu zählt zum Beispiel die Schalthäufigkeit von elektromechanischen Komponenten. Komponentenhersteller müssen deshalb sogenannte B10-Werte und den Anteil gefahrbringender Ausfälle für ihre Produkte angeben, wie sie Siemens in den Katalogen zum Beispiel LV 1 angibt. Im Internet stellt Siemens ein Softwaretool kostenlos zur Verfügung, mit dem sich die Berechnung des erreichten beziehungsweise notwendigen Sicherheitslevels einfach nachweisen lässt.
Für die Parametrierung, Programmierung und Diagnose des modularen Sicherheitssystems gibt es von Siemens eine eigene Software MSS ES. Alle Funktionselemente lassen sich per Drag and Drop platzieren. Mithilfe des Grafikeditors sind Sicherheitssysteme einfach, schnell und übersichtlich erstellt. Das System erkennt zum Beispiel den angeschlossenen Hardwareausbau, unterstützt bei der Adressenvergabe und man braucht für die Bedienung keine Step7-Programmierkenntnisse, wie sie für die Siemens-Steuerung notwendig sind. Das Sicherheitsprogramm selbst kann durch ein Passwort geschützt werden.
Testen vor der Inbetriebnahme
Nicole Niemeyer ergänzt: „Praktisch dabei ist das Forcen, also das bewusste Setzen von Ausgängen in der Software, um die Sicherheitsapplikation schon vor der Inbetriebnahme komplett testen zu können.“ Damit lässt sich nicht nur Zeit sparen, sondern auch einfach ein entsprechendes Protokoll über die Funktionen der Sicherheitstechnik erstellen.
Die Daten des Sicherheitssystems befinden sich auf einem Speichermodul im
Basisgerät des MSS. Sollte es einmal zu einem Gerätetausch kommen, wird dieser Speicher ohne Einsatz eines PC gewechselt und das Gerät läuft wie vorher. Denn beim Hochlauf des Geräts werden die Daten aus dem Speichermodul in den Arbeitsspeicher des Basisgeräts geladen. Auch der Gerätewechsel ist aufgrund der stehenden Verdrahtung entsprechend einfach und schnell durchzuführen. Thomas Nether kommentiert: „Ein solcher Serviceaspekt ist für unsere Kunden aus Sicht der Verfügbarkeit ein ebenso wichtiger Punkt wie moderne Sicherheit.“ Eine moderne Sicherheitslösung hat auch an anderer Stelle spürbare Auswirkungen auf die Produktivität, wie Thomas Nether bestätigt: „Wir haben dadurch sogar die Taktzeiten mancher Maschinen verkürzen können.“ Mit jeder Betätigung der Bestückungsklappen wurde früher die Spannungsversorgung des Lasers über Leistungsschütze abgeschaltet. Durch das Verwenden eines Shutters, der pneumatisch betätigt wird, und die Endlagen, die über das Sicherheitssystem eingelesen werden, schalten die Leistungsschütze nur im Fehlerfall. Dadurch konnte die Schalthäufigkeit auf ein Minimum reduziert werden.
Die Überwachung des sicheren Zustands erfolgt durch das MSS. Das bedeutet, die mögliche Taktrate wird durch die Sicherheitstechnik nicht mehr beeinflusst. Lediglich eine Mindest-Handling-Zeit bleibt. Nicole Niemeyer resümiert: „Durch Einsatz des modularen Sicherheitssystems von Siemens sind wir in der Maschinenplanung erheblich flexibler geworden.
Deniz Isik und Ludger Burhorst
(hw)
