Fitnessprozessor für die Bahn

Die Russische Eisenbahn hat sich zum Ziel gesetzt, die Produktivität ihrer Instandsetzungswerke zu steigern. Wie macht man das? Durch Automatisierung. Vorreiter ist das Werk in Magnitogorsk. Nach der Modernisierung können dort jährlich mehr als 3.000 zusätzliche Eisenbahnwaggons gewartet und repariert werden. Steuerungstechnik von Mitsubishi Electric stellt den Betrieb der Instandsetzungslinie sicher. Die „iQ Platform“ steuert sämtliche Prozesse – vom Schweißroboter bis zum RFID-System.

Auch die Russische Eisenbahn will pünktlich sein und genügend rollendes Material bereit stellen. Und die Nachfrage nach betriebsbereiten Schienenfahrzeugen steigt. Deshalb hat die Russische Eisenbahn, seit 2003 eine im Staatsbesitz befindliche Aktiengesellschaft, ein ambitioniertes Programm zur Modernisierung gestartet. Ein Ziel ist es, die Produktivität der Instandsetzungswerke durch den Einsatz modernster Fertigungs- und Automatisierungstechnik deutlich zu erhöhen.

Vorreiter ist das Bahnbetriebswerk in Magnitogorsk. Hier setzten die beteiligten Firmen innerhalb von nur 15 Monaten das erste von der Russischen Eisenbahn in Auftrag gegebene Projekt zur Automatisierung einer kompletten Instandsetzungslinie für Fahrgestelle in die Praxis um. Das Werk gilt seitdem als Vorzeigeprojekt. Zwei ähnliche Fertigungslinien sollen noch 2010 in Betrieb gehen, über zwanzig weitere dann in den nächsten fünf bis sieben Jahren folgen.

Den Auftrag für die Modernisierung erhielt das weißrussische Unternehmen Baranovichevskiy Automated Lines Factory. Dessen Vorgaben stellten den Automatisierungsspezialisten Technikon Limited aus Minsk, Weißrussland, ein langjähriger Vertriebspartner und Systemintegrator für Automatisierungstechnik von Mitsubishi Electric, vor eine große Herausforderung. Alle Arbeitsschritte, die zur Wartung und Instandhaltung von Fahrwerkskomponenten notwendig sind, sollten automatisiert und effizient in den Gesamtprozess integriert werden. Die Steuerungstechnik des neuen, hoch automatisierten Reparaturwerkes musste einfach zu bedienen und dazu sehr robust und ausfallsicher sein. Denn aufgrund seiner geografischen Lage und des wirtschaftlichen Booms der letzten Jahre herrscht in Magnitogorsk ein eklatanter Arbeitskräftemangel. Ingenieure für Automatisierungstechnik fehlen ebenso wie gut ausgebildete Fachkräfte für die Anlagenbedienung und Wartung.

Technikon entschied sich für die „iQ Automation Platform“ von Mitsubishi Electric. Das Multiprozessorsystem vereint vier Steuerungstypen – Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), Bewegungssteuerung (Motion Control), computergestützte numerische Steuerung (CNC) und Robotersteuerung – auf einem Baugruppenträger und bringt auch noch MES-Funktionalität direkt auf die Automatisierungsplattform.

Im Multiprozessorbetrieb teilen sich eine SPS-CPU und bis zu drei weitere, flexibel kombinierbare Hochleistungsprozessoren die Steuerungs- und Kommunikationsaufgaben. Erstmals lassen sich damit auch CNC-Werkzeugmaschinen und Roboter über eine gemeinsame Automatisierungsplattform nahtlos in Maschinen- und Anlagenkonzepte einfügen. Der Daten- und Signalaustausch zwischen den Steuerungen geschieht über einen gemeinsamen Hochgeschwindigkeitsrückwandbus synchron zu den Berechnungszyklen der Prozessoren mit einer Zykluszeit von nur 0,88 Millisekunden.

Der Ausbau der Steuerung erfolgt mit anlagentypischen Erweiterungs- und Funktionsmodulen der modularen Steuerung MELSEC System Q. Nahezu 100 verschiedene E/A-, Sonder- und Kommunikationsmodule stehen zur Verfügung, darunter MES-Module (Manufacturing Execution System) zur direkten Anbindung der „iQ Automation Platform“ an die Unternehmensleitebene. Offene Netzwerke und Bediengeräte lassen sich ebenso in das Steuerungssystem integrieren wie PC- und Prozess-CPU-Module, etwa für den redundanten Betrieb und die Hochsprachenprogrammierung.

Die Möglichkeit, alle in die Fertigungslinie zu integrierenden Komponenten, wie zum Beispiel Werkzeugmaschinen, Schweißroboter, Transport- und Handhabungssysteme sowie ein RFID-System (Radio Frequency Identification) zur Teileverfolgung, über eine Plattform zu steuern, war ein entscheidendes Kriterium für die Auswahl der robusten und kompakten Steuerungstechnik. Die einheitliche Technologie verkürzt Planung, Installation und Inbetriebnahme, erleichtert die Diagnose und Wartung und reduziert den Programmier- und Schulungsaufwand. Das senkt die Installations- und Betriebskosten, während gleichzeitig Zuverlässigkeit und Effizienz der Fertigungssysteme nicht zuletzt durch die durchgängige vertikale und horizontale Integration steigen. Die von Technikon in Zusammenarbeit mit den Produktspezialisten von Mitsubishi Electric aus den Bereichen Mechatronics, CNC und Industrieautomation in Deutschland konzipierte Komplettlösung sorgt im Bahnbetriebswerk in Magnitogorsk für einen schnellen und sicheren Datenaustausch. Sie trägt außerdem zur vollständigen Transparenz der Maschinen und Anlagen bei und schließt ein Feldbusnetzwerk und Bediengeräte der GOT1000-Serie mit ein.

Per RFID indentifiziert

Bevor stark beanspruchte und überholungsbedürftige Fahrwerksteile die neue Fertigungslinie durchlaufen, werden sie aus den Waggons ausgebaut und vermessen. Auf Basis dieser Messdaten werden die zur Instandsetzung notwendigen Bearbeitungsschritte sowie spezifische Werte für das Schweißen festgelegt. Jedes Bauteil erhält einen RFID-Transponder, auf dem alle Informationen für den Transportweg und die maschinelle Bearbeitung gespeichert werden. Empfangsgeräte an jeder Bearbeitungs- und Transportstation der Linie lesen die Daten der ankommenden Teile aus. Schritt für Schritt werden so die Fahrwerksteile gemäß den technischen Spezifikationen wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht. Störendes Material wird zum Beispiel an zwei Stationen maschinell abgefräst, wobei zwei verschiedene CNC-gesteuerte Fräsmaschinen zum Einsatz kommen. Auch der Transport ist vollständig automatisiert. Über Förderbänder und Portalsysteme passieren etwa drei Fahrwerksteile pro Stunde die Anlage.

Insgesamt sieben Hochleistungssteuerungen, die über ein exakt auf die Produktpalette von Mitsubishi Electric abgestimmtes Netzwerk verbunden sind, teilen sich die Steuerung der gesamten Anlage. Jede „iQ Automation Platform“ ist mit zwei Prozessoren ausgestattet, einer SPS-CPU für die Ablaufsteuerung und einer CNC-CPU für die numerische Steuerung. Das Steuerungskonzept ermöglicht eine parallele Verarbeitung analoger und digitaler Signale. Die C70-Serie, so die Typenbezeichnung der speziell für Fertigungslinien entwickelten CNC-Steuerung mit Dual-Prozessor-Konfiguration, basiert auf bewährten Mitsubishi-Steuerungen für Werkzeugmaschinen. Zusätzlich ist sie jedoch für eine noch schnellere Datenkommunikation mit anderen Automatisierungskomponenten über den gemeinsamen Rückwandbus des Baugruppenträgers optimiert.

Alle CNC-Funktionen in einer Einheit

Zwei C70-CNC-Steuerungen koordinieren die Bewegungsabläufe der Fräsmaschinen, eine mit zwei Spindeln und sechs Servoachsen, die zweite mit einer Spindel und sieben Servoachsen. Die fünf anderen Steuerungen kontrollieren die Handhabungssysteme mit insgesamt 28 Achsen, die Förderbänder, die im Bearbeitungsprozess auch als Teilezwischenspeicher dienen, und die Schweißroboter. Der Datenaustausch mit den Servo- und Spindelantrieben der Fräsmaschinen und dem Identifikationssystem erfolgt über serielle Schnittstellen (RS232), ebenso die Kommunikation mit den Schweißrobotern (RS485). Die „iQ Automation Platform“ unterstützt zahlreiche Kommunikationsprotokolle, eine wichtige Voraussetzung für die gestellte Aufgabe.

Die nahtlose Integration aller Komponenten und die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit innerhalb des Steuerungssystems sorgen auch im Betriebswerk in Magnitogorsk für eine optimale Leistung der gesamten Fertigungslinie. Um die bestmögliche Produktivität zu erreichen, mussten die Spezialisten von Technikon jedoch zunächst die bestehenden Steuerungen der Werkzeugmaschinen durch C70-Einheiten ersetzen.

Die CNC-CPU ist für die Montage auf einem Steckplatz des Baugruppenträgers ausgelegt. Sie ist, so heißt es, mit Abmessungen von 98 Millimetern Höhe, 27,4 Millimetern Breite und 119,3 Millimetern Tiefe eine der kleinsten und leistungsstärksten CNC-Prozessoren der Welt. Alle CNC-Funktionen sind in der kompakten Einheit integriert. Die hohe Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig geringer Baugröße ist das Ergebnis einiger Neuentwicklungen von Mitsubishi Electric, wie zum Beispiel eines Hochgeschwindigkeits-RISC-Prozessors (Reduced Instruction Set Computer) mit zwei integrierten Cache-Speichern sowie einem ebenfalls sehr schnellen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis. Weitere technische Merkmale sind Speicher mit Double-Data-Rate-Technik und ein Hochgeschwindigkeitszugriff auf periphere Einheiten.

Alle Steuereinheiten der Anlage sind über das redundante Netzwerk MELSECNET/H von Mitsubishi Electric verbunden, das über einen Lichtwellenleiterring einen schnellen zyklischen Datenaustausch unterstützt und die störungsfreie Kommunikation sicherstellt. Das Floating-Master-Prinzip garantiert eine einwandfreie Netzwerkfunktion, selbst wenn der Manager des Feldbussystems ausfallen sollte. Das Netzwerk ist zudem unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern. Dies ist wichtig, weil in der Anlage elektrische Schweißmaschinen mit hohen Strömen betrieben werden, deren Schaltströme in benachbarten Steuerleitungen Fehlimpulse erzeugen können. Für die Datenübertragung mit bis zu 25 Megabits pro Sekunde reicht ein Kabel, das auch die Spannungsversorgung beinhaltet. Die einfache Verbindungstechnik reduziert den Installationsaufwand und senkt die Kosten für die Verdrahtung.

Zugriff per Netzwerk

Das Netzwerk hat eine Schlüsselfunktion in der Fertigungslinie. In Kombination mit der „iQ Automation Platform“ ermöglicht es die Steuerung und Überwachung sämtlicher Maschinen und Prozesse. Zudem macht es das Steuerungssystem transparent. Integrierte Diagnose- und Überwachungsfunktionen erkennen Kommunikationsprobleme und erlauben dem Wartungspersonal des Werks die schnelle Fehlersuche und Diagnose aller angeschlossenen Komponenten ohne zusätzliche Software oder Programmiergeräte. Über das Netzwerk lässt sich jede Steuerung von einer beliebigen Station aus programmieren und überwachen, auch ein Fernzugriff über das Internet ist möglich. Denn im Lastenheft der Ingenieure stand Ausfallsicherheit ganz oben – und der störungsfreie Betrieb muss auch gewährleistet sein, wenn an diesem etwas abgelegenen Standort gerade kein hoch qualifizierter Automatisierungsspezialist zur Verfügung steht.

Manager immer informiert

Der reibungslose Informationsfluss endet nicht in der Fertigungslinie. Zur Anbindung an übergeordnete Managementsysteme bietet Mitsubishi Electric zum Beispiel für seine modulare Steuerung ein MES Interface Modul an, das teure und störungsanfällige Gateway-Rechner und deren aufwändige Programmierung komplett ersetzt. Die direkte Kommunikation mit einer Oracle-Datenbank erfolgt über diese genormte Schnittstelle bidirektional und in Echtzeit.

Die einfache Diagnose und Bedienung vor Ort, ergänzt um den Netzwerkzugriff über das Internet, für den kein separater Host-Controller zur Datensammlung erforderlich ist, tragen erheblich zur Anlagenverfügbarkeit des modernisierten Werks in Magnitogorsk bei. Dank des dezentralen Aufbaus und der modularen Steuerungstechnik konnte der Umbau der Anlage schrittweise im laufenden Betrieb erfolgen.

Nach Abschluss des Projekts zieht Eugene Klebanov, leitender Ingenieur bei Technikon, eine positive Bilanz: „Die auf der ‚iQ Automation Platform’ basierende Automatisierungslösung mit zwei über einen gemeinsamen Rückwandbus verbundenen leistungsstarken SPS- und CNC-Prozessoren war aus unserer Sicht der einzig gangbare Weg, um alle Anforderungen des Kunden in möglichst kurzer Zeit zu erfüllen. Die Fertigungslinie ging nur 15 Monate nach dem Entwicklungsstart in Betrieb.“

Während in Magnitogorsk vor der Automatisierung der Instandsetzungslinie etwa 4.300 Eisenbahnwaggons jährlich überholt wurden, ist die Kapazität des Bahnbetriebswerks mit Abschluss der Umbauarbeiten und mit Implementierung der neuen Technologien auf rund 7.500 Waggons pro Jahr gestiegen. Dieser Erfolg ist nicht zuletzt auch auf die Automationslösung von Mitsubishi Electric zurückzuführen.

Eugene Klebanov blickt voller Zuversicht in die Zukunft: „Die erfolgreiche Modernisierung des Bahnbetriebswerks ist ein Projekt mit Modellcharakter und wir hoffen, noch viele ähnliche Projekte in die Praxis umzusetzen.”

www.mitsubishi-automation.de