Integriertes Automations-system für FTS bei BMW - Siemens
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FERTIGUNGS- & MASCHINENAUTOMATION
01 In der Montage der Hybrid-Fahrzeuge bei BMW in Leipzig wurde das Fahrerlose Transportsystem einem Retrofit unterzogen.
Die Antriebstechnik folgt dabei dem Konzept, das auch schon in der Montage des Elektroautos „i3“ verwendet wird
Integriertes Automations-
system für FTS bei BMW
Im BMW-Werk in Leipzig kommen seit Jahren Fahrerlose Transportsysteme zum
Einsatz. Nun galt es, die Fahrzeuge antriebs- und steuerungstechnisch zu moder-
nisieren. Bei dem Retrofit-Projekt stand vor allem der Wunsch im Vordergrund,
aus Standardkomponenten ein optimal aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem
zu entwickeln und damit die langfristige Verfügbarkeit zu sichern. Mittels der
„Totally Integrated Automation“-Lösungen von Siemens wurde dieses Ziel erfolg-
reich umgesetzt.
Text: Johanna Gebhardt, Heiko Bender
Espruch
ine wesentliche Anforderung von BMW [1] lautet, Son-
derlösungen möglichst zu vermeiden. Mit diesem An-
startete Dipl.-Ing. Heiko Bender als Verantwortlicher
anderem, die Antriebstechnik zukunftssicher und mit hoher
Verfügbarkeit zu erneuern. Als FTS-Hersteller und langjäh-
riger Partner von Siemens für FTS wurde die DPM Daum
bei Siemens in Leipzig, um einen wichtigen Montageprozess + Partner Maschinenbau GmbH [3] mit der mechanischen
bei der BMW Group Werk Leipzig für die weitere Zukunft Modifikation der Fahrzeuge beauftragt.
neu anzupassen. Siemens [2] erhielt den Auftrag zum kom- „Dabei wurde das Rad nicht neu erfunden“, erklärt
pletten Retrofit von drei Dutzend Fahrerlosen Transport- Helmut Pflieger, FTS-Spezialist bei Siemens in München.
systemen (FTS) innerhalb der Montagelinien für Fahrwerk So kam bereits im Jahr 2013 bei 90 Fahrzeugen ähnlicher
und Motoren der Pkw (Bild 1). Aufgabenstellung war unter Bauart in der Produktion des Elektrofahrzeugs „BMW i3“
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cher Antriebskomponenten zu einem
optimal aufeinander abgestimmten
Gesamtsystem nennt, erfüllt vor al-
lem in Bezug auf die Regelgenauigkeit
und Sicherheitsanforderungen hohe
Ansprüche.
„Die Regelgenauigkeit war bei die-
ser Aufgabenstellung besonders ent-
scheidend, weil die Fahrzeuge mithilfe
einer Art Überlagerungslenkgetriebe
als ,Panzerantrieb‘ manövriert werden
und so sicher der vorgegebenen FTS-
Bahn folgen“, berichtet H. Pflieger. In
der Tat erhalten die beiden Räder der
Vorderachse die notwendige Drehzahl
einzeln durch die frequenzgeregelten
Antriebe. Die Hinterachse folgt der
Lenkbewegung synchron über zwei
mechanische Lenkscheiben (vorne/
hinten), die mit einer Lenkstange
02 Die Servogetriebemotoren Simotics S-1FG1 treiben die Räder der Transportfahrzeuge schlupflos verbunden sind. „Die Fines-
direkt an. Gelenkt wird über die Drehzahlregelung, die aufgrund des geringen se dabei ist, dass die beiden Radantrie-
Verdrehspiels eine exakte Positionierung in jedem Betriebsfall sichert be mechanisch am Drehschemel mon-
tiert sind und vollkommen separat
– also ohne Zwischengetriebe wie bei
Überlagerungslenkgetrieben üblich –
angetrieben bzw. geregelt werden“,
erläutert der Antriebsexperte. Kurz
gesagt: Differiert die Drehzahl der
beiden Vorderräder, fährt das FTS eine
Kurve.
Exakte Drehzahlregelung
verhindert unerwünschte
FTS-Bewegungen
Dieser einfache Zusammenhang muss
in der Praxis allerdings präzise umge-
setzt werden. So konnte es vor dem
Umbau vorkommen, dass Fahrzeuge
die Spur verlassen und so eine Störung
im Montageprozess verursachen. Mit
der neuen Antriebslösung existiert
dieses Risiko nicht mehr. Denn: Beim
Motor Simotics S-1FG1, den es in vier
03 Die fehlersicheren Frequenzumrichter Sinamics S120 sind kompakt und passen Getriebeausführungen gibt, handelt es
deshalb gut in den Schaltkasten der FTS. Durch die außen liegenden Kühlkörper des sich hier um einen Kegelrad-Servo-
Sinamics S120, die hinten aus dem Schaltkasten ragen, ist ein ungehinderter Wärme Getriebemotor mit einer Nennleis-
abfluss ohne zusätzliche Maßnahmen möglich tung von 1,24 kW. Die Ausführungen
gibt es optional in einer spielreduzier-
ten Variante, „was bei dieser Applika-
tion nicht notwendig war“ betont
die Antriebstechnik von Siemens zum Einsatz. Aufgrund der H. Bender. Als Grund gibt er an, dass die Standardausfüh-
guten Erfahrungen entschieden sich die Verantwortlichen rung dieser Antriebslösung über ein so geringes Verdrehspiel
beim Retrofit-Projekt in der Montagehalle der konventio verfügt, dass die bordeigene Steuerung, eine Simatic
nellen Fahrzeuge nun ebenfalls für die drehzahlgeregelte ET 200SP F (CPU 1512SP F-1 PN) von Siemens, die Fahr-
Antriebslösung Simotics S-1FG1 (Servogetriebemotor,
zeuge in der Spur hält.
Bild 2) plus Sinamics S120 (Frequenzumrichter, Bild 3). Mit Geschwindigkeiten von bis zu 60 m/min bewegen
Diese Kombination eines „Integrated Drive Systems“ (IDS), sich die Fahrzeuge durch die einzelnen Montageschritte in
wie Siemens seine Strategie der Anpassung unterschiedli- den Hallen, bis sie schließlich das Fahrwerk zur sogenannten
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„Hochzeit“ bringen – dem Zusammenführen von Fahrwerk Nebenanlagen deren Zustand für Fahrfreigaben des FTS
und Karosserie. Während der Fahrt liefert die Steuerung an ausgewertet werden müssen.
Bord die Sollwerte an die beiden Frequenzumrichter Zusätzlich ist in der Front jedes FTS ein Sicherheits-
Sinamics S120 im Schaltkasten des Fahrzeugs. Interessant Laserscanner als Personenschutz verbaut, da die Fahrzeuge in
dabei ist die Energieversorgung der Geräte: Diese erfolgt der Produktionshalle auch auf allgemein begehbaren Fahr-
über die im Hallenboden eingelassenen Induktionsbahnen. wegen unterwegs sind. Erkennt die FTS-Steuerung, dass
Kontaktlos werden so 560 V Spannung auf die FTS- sich ein Hindernis bzw. eine Person im Fahrweg befinden,
Fahrzeuge induziert, die direkt in den Zwischenkreis der führt dies zum sicheren Halt des Fahrzeugs. Über Profisafe
Frequenzumrichter gespeist werden. H. Pflieger: „Ganz ab- schaltet die Steuerung den Frequenzumrichter fehlersicher
gesehen davon, dass die Siemens-Lösung extrem kompakt ab und aktiviert dabei die Sicherheitsfunktion Safety Torque
ist, hat sich diese Zwischenkreis-Einspeisung bewährt – und Off (STO). Das bedeutet, die Antriebseinheiten des Fahr-
damit Platz sowie Investitionskosten gespart.“ zeugs bleiben aufgrund der sicheren Drehmomentabschal-
tung sofort stehen. „Diese Funktionalität der fehlersicheren
Sicherheitstechnik ist mit an Bord Abschaltung der Frequenzumrichter war bei der vorher ge-
Die Induktionsschleifen im Hallenboden zur berührungs- wählten Antriebstechnik nicht möglich“, stellt H. Bender
losen Energieversorgung werden auch als Leitlinie für die heraus. „Das spart Platz sowie Engineering- und Verdrah-
Spurführung verwendet. Zusätzlich gibt es Identifikations- tungsaufwand“, fasst er zusammen.
punkte entlang der Wegstrecke, die über zwei Reader von Daneben spielt die Kompaktheit der S120 eine weitere
der Fahrzeugsteuerung detektiert werden. Durch Verwen- wesentliche Rolle bei der modernen Antriebslösung des Re-
dung zweier unterschiedlicher Reader mit unabhängigen trofit-Projekts. Im Gegensatz zur früheren Lösung, bei der
Kommunikationswegen zur SPS, sind diese in der Safety- die Frequenzumrichter offen im Schaltkasten verbaut und
SPS zu einer sicheren Positionserkennung nutzbar. Damit mit einem Berührungsschutz versehen waren, sind die nun
werden von der Leitsteuerung Teilbereiche in der Anlage eingesetzten Sinamics S120 in einem kompakten Gehäuse
sicher über Profisafe steuer- und überwachbar. Dies ist unter verbaut. H. Pflieger betont: „Vor allem in mobilen Anwen-
anderem dann notwendig, wenn in Streckenabschnitten mit dungen wie hier zeigt sich, wie robust diese Schaltschrankge-
räte sind.“ Einen weiteren Vorteil
bringt die neue Kühllösung: Die
Geräte sind so kompakt, dass sie
in die Tiefe des Schaltkastens pas-
sen und die rückseitig montierten
IWLAN- Kühlkörper aus dem Fahrzeug
Antenne S300 PN Handsteuerbirne
Scalance Simatic ET200SP-F CPU Schnellfahrt Notstrategie ragen. So kann die Wärme ohne
Switch CPU 1512SP F-1 PN KTP400 Taktstrecken Not-Halt Weiteres nach oben abströmen.
IWLAN-
Stop H. Pflieger weiß: „Dadurch konn-
im Heck
Client te auf aufwendige Konstruktionen
Stop links bzw. zusätzliche Kühlmaßnahmen
verzichtet werden, was den Engi-
Bedien- Profinet Stop rechts
feld-Buchse neering-Aufwand, aber auch die
F-DI Betriebskosten spürbar reduziert.“
DC 560 V/ Simanics DI
DC 24 V S120 RS-232
Netzgerät- CU320- RS-422 Intergriertes Gesamtkonzept
Puffer-
modul DC 24 V
2 PN Analog
erhöht Verfügbarkeit
Drive Cliq
DC 560 V und Nachhaltigkeit
Simanics Eine komplette Antriebs- und
S120
PM240-2 Steuerungslösung aus einem Guss
Bremsw. Bremsw. Bremsw.
DC 560 V 14,4 V SBR SBR SBR
Reader Reader Ini Bumper
fasst Siemens unter dem Begriff
DC 5 A
Fließbetrieb „Totally Integrated Automati-
on (TIA)“ zusammen. Erstmals
Pick-Up DC/DC- Fahrantrieb Fahrantrieb Hubantrieb Spur- Positionserkennung Position
DC 560 V Wandler links rechts (bei Bedarf ) sensor kam bei dieser Anwendung in der
Fremdbestromung Leipziger BMW-Montage auch
1 PLS-Scanner 73 9 8 11 7 das Engineering-Framework TIA
2 Warnblinkleuchten
3 RFID-Antenne 01
2
10 Portal zum Einsatz. Die Software
4 RFID-Antenne 02
5 Spursensor Vorwärtsfahrt
5 6 bündelt Programmierung, Para-
6 Hubsäule (bei Bedarf ) 1
7 IWLAN-Antenne metrierung, Visualisierung und
8 Fahrantrieb links/rechts
9 Pick-Up Sicherheitstechnik auf einer ein-
2
10
11
Bedienfeld hinten
Not-Halt-Taster 11
heitlichen Plattform. Die dabei
4 8
genutzte gemeinsame Datenbasis
04 Übersichtsgrafik des neuen Antriebskonzepts der Fahrerlosen Transportsysteme vereinfacht so auch den weite-
(FTS) bei der BMW Group in Leipzig ren Datentransfer. Signale, die
26 www.etz.de 7/2017per Profinet bzw. Profisafe auf den Fahrzeugen verarbeitet hinaus die Ersatzteilversorgung und vermeidet dadurch
werden, lassen sich über das in den Produktionshallen in- weitere Investitionskosten. „Systemdenken unterstützt
stallierte 5-GHz-IWLAN weiterverarbeiten. So liefern die Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit – zwei wichtige Säulen
Fahrzeuge Status- und Diagnoseinformationen, die sich auf der Automobilproduktion“, bringt es H. Bender auf den
der Leitebene bedarfsabhängig auswerten lassen. „Das er- Punkt.(ih)
höht die Verfügbarkeit weiter, weil Störungen sofort erfasst,
lokalisiert und damit in kürzester Zeit behoben werden kön- Literatur
nen“, fasst H. Bender zusammen. Denn Verfügbarkeit ist [1] BMW Group: www.bmwgroup.com/de
neben dem hohen Qualitätsanspruch die oberste Prämisse [2] Siemens AG, Nürnberg: www.siemens.de/sinamics,
in der Automobilindustrie. www.siemens.de/simotics
[3] DPM Daum + Partner Maschinenbau GmbH, Aichstetten:
Fazit www.daumundpartner.de
Letztendlich hat das Retrofit-Projekt bei BMW in L eipzig
gezeigt, wie hoch der Nutzwert einer modernen Antriebs- Autoren
technik in Verbindung mit einer ganzheitlichen Automa- Johanna Gebhardt ist in der Siemens-Division
tisierung ist. Durch die kompakten Antriebseinheiten, Digital Factory als Marketing Managerin tätig.
bestehend aus den Servogetriebemotoren Simotics S-1FG1
und den fehlersicheren Frequenzumrichtern Sinamics S120,
kombiniert mit einer fehlersicheren SPS konnte eine opti-
male Gesamtlösung entwickelt werden (Bild 4). Heiko Bender ist in der Siemens-Division
Bessere Regelbarkeit, geringerer Platzbedarf und inte am Standort Leipzig als Vertriebs- und
grierte Sicherheitstechnik haben sich als Vorteile erwiesen. Projekt-Ingenieur tätig.
Durch die Tatsache, dass die Systemlösung nur aus Stan-
dardkomponenten aufgebaut ist, sichert dies auf viele Jahre
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