Die Maschine von morgen 1

Steuerungstechnik auf dem Sprung in die digitale Zukunft
Die Anforderungen einer globalisierten Welt an die industrielle Fertigung wachsen rasant. Prozesse, Kommunikations-strukturen und die Normungs- und Standardisierungswelt werden immer komplexer, der Kostendruck steigt kontinuierlich, gleichzeitig wächst die Erkenntnis, dass Rohstoffe und Energie nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen. Was bedeutet dieser Wandel für die Automatisierungsstrukturen der Maschinen von morgen?

Der Automatisierungsmarkt befindet sich derzeit sozusagen auf dem Sprung von einer Vielfalt unterschiedlicher Lösungs- und Umsetzungsansätze hin zu einem ausgereiften Technologieangebot, das die genannten Anforderungen versteht und umsetzt.

Der Lebenszyklus einer Maschine beginnt beim Entwickler des Maschinenbauers, der zukünftig vereinfachte Programmierungsmöglichkeiten nutzen wird. Für zukunftssichere Maschinengenerationen ist es zum Beispiel wichtig, dass er bestimmte Funktionen aus bisherigen Maschinen wiederverwenden kann. Das gilt besonders für Funktionen, die mittels Software abgebildet worden sind, da diese eine erhebliche Investition darstellen. Für die Einbindung verschiedener Hersteller in seine Maschine braucht er kompatible Steuerungshard- und -software. Standardisierte Schnittstellen wie die Programmierung nach IEC61131 oder genormte ethernetbasierte Feldbusse wie Sercos III und Profinet bieten ihm sogenannte Profilschnittstellen.

So stellt Sercos III unter anderem ein Antriebsprofil für elektrische und hydraulische Antriebe bereit, mit dem sich beide Antriebsarten auf genau die gleiche Weise ansteuern lassen. Für die Anbindung an ERP und MES nutzt er zum Beispiel die standardisierte OPC-Schnittstelle in der jeweils neuesten Ausprägung. Moderne Steuerungen bringen auch bereits fertige Funktionsbausteine mit, die er innerhalb seines Programms verwenden kann. Auch ihre Einbindung wird durch Nutzung standardisierter Schnittstellen wie FDT/DTM unterstützt.

Während der Entwurfsphase beginnt Simulation
Ein Beispiel aus der Praxis von morgen: Noch während des Entwurfsprozesses beginnt der Maschinenhersteller mit der Simulation seiner Maschine, um die Inbetriebnahmezeit in der Werkhalle zu reduzieren. Dabei simuliert er nicht nur wie heute die mechanische Belastung, sondern die gesamte Maschine komplett im Computer – von der mechanischen Auslegung bis hin zum Verhalten des Steuerungsprogramms. Die Daten, die er dazu in jedem Schritt der Entstehungsgeschichte (CAD, CAE, Softwareentwurf) seiner Maschine erzeugt, kann er im nächsten Schritt nutzen und miteinander verknüpfen. So kann er während der Simulation die Maschine optimal in Bezug auf Energieverbrauch und Taktzeit abstimmen. Dazu verwendet er wieder die Daten und die Software-Programme, die die einzelnen Geräte mitbringen, wie zum Beispiel den Energieanalysator für eine Werkzeugmaschine. Damit kann er schon im Entwurfstadium das NC-Programm auf optimale Einschaltpunkte der Nebenaggregate einstellen. So könnte der Einschaltpunkt für Späneförderung zum Beispiel in Zeiten geringen Energieverbrauchs der Hauptantriebe platziert werden.

Auf ähnliche Weise können auch andere Parameter der kompletten Maschine optimiert werden. In einem der letzten Schritte wird der Entwicklungsingenieur per Knopfdruck eine Dokumentation der Maschine erstellen, die den Anforderungen beispielsweise der neuen Maschinenrichtlinie genügt und somit eine Abnahme oder die Erlangung eines Sicherheitszertifikates unterstützt. Der per Simulation ermittelte Satz von Konfigurationsdaten wird gespeichert, um später während des Betriebes der Maschine einen ständigen Abgleich gegen diese ursprünglichen Daten durchführen zu können. So können Abweichungen entdeckt und analysiert werden. Werden eingestellte Toleranzen überschritten, wird eine Warnung an der Maschine ausgegeben und im Leitstand kann die notwendige Maßnahme eingeleitet werden.

Da ein großer Teil der Arbeit schon während der Simulation erledigt wurde, kann die Parametrierung und Programmierung aus dieser Simulation aktiviert werden. Eine speziell für den „power user“ geschaffene Bedienoberfläche ermöglicht es ihm, sich von der zentralen Bedienstation aus auf jedes einzelne Gerät in der Maschine aufzuschalten und sich die Zustände anzeigen zu lassen. Um eine Gefährdung von Menschen oder eine Zerstörung von Teilen der Maschine zu vermeiden, kann er dazu per Knopfdruck ganze Maschinenteile aktivieren und deaktivieren. Auf diese Weise wird Aggregat für Aggregat in Betrieb genommen bis die Gesamtmaschine arbeitstüchtig und abnahmefähig ist. Parameter, die während dieses Zeitraums angepasst werden, werden im letzten Sicherungsschritt in die Datenmenge aus der Simulation zurück gespeichert.

Der Endkunde fordert in unserem Beipiel zu diesem Zeitpunkt das Hinzufügen eines zusätzlichen Sensors, der direkt während der Inbetriebnahmephase in der Maschine verbaut werden soll. Der Hersteller des Sensors hat für die Installation durch einen Servicemitarbeiter den Sensor inklusive der notwendigen Steuerungssoftware geliefert. Da es sich um die neueste Generation eines Wireless-Sensors handelt, ist keinerlei Verkabelung notwendig. Nicht einmal Stromversorgung muss angeschlossen werden, da der Sensor sich auf Basis des „power harvesting“ selbst mit Energie zum Messen und Übertragen der Messwerte versorgt. Nach Installation der Software auf dem Steuerungsrechner wird der Funktionsbaustein in die Engineering-Software der Steuerung eingebunden. Dabei identifiziert die Programmierumgebung der Steuerung die neue Sensorsoftware automatisch, ähnlich wie heute ein USB-Speichermedium am PC erkannt wird. Danach muss der Mitarbeiter nur noch den Sensor parametrieren. Dazu wird ein Kurz-Video gestartet, das dem Mitarbeiter die notwendigen Schritte wie „Setzen der Wiederholrate der Messung und der notwendigen Messwerte“ zeigt.

Produktivität wird sichtbar
Nachdem die weiterverarbeiteten Messwerte in der Steuerung über den mitgelieferten Funktionsbaustein in die Steuerung eingebunden worden sind, wird der neue Messwert zur weiteren Verarbeitung noch dem ERP und dem MES zur Verfügung gestellt. Hierzu genügt es, einen Haken in der Konfiguration des Sensors zu setzen. Im letzten Schritt wird die veränderte Konfiguration und Parametrierung wieder gesichert und auf dem zentralen Server gespeichert. Mit Hilfe eines Versionsverwaltungssystems kann die ursprüngliche Einstellung jederzeit wieder hergestellt werden. Nach Auslieferung und Aufbau vor Ort wird auf Knopfdruck die landesspezifische Einstellung der Maschine aktiviert. Diese umfasst neben der Einstellung der Landessprache auch ein entsprechendes Layout der Bedienoberfläche, da beispielsweise bestimmte Farben in den jeweiligen Ländern unterschiedlich wahrgenommen werden.

Im produktiven Betrieb schließlich werden die Maschinendaten ständig gegen den ursprünglichen Datensatz der Simulation verglichen. Abweichungen werden gemeldet, sodass der Betreiber rechtzeitig nachjustieren oder weitere Maßnahmen einleiten kann. Mittels Condition Monitoring werden Lebenszeitdaten aller Aggregate erfasst und mit den typischen Kennlinien verglichen. So können Schäden an den Komponenten frühzeitig entdeckt und Ersatzteile rechtzeitig beschafft werden.

Da die Maschine mit Notlaufeigenschaften wie reduzierter Taktzeit ausgestattet ist, kann sie bis zur Verfügbarkeit des Ersatzteiles weiter produzieren und der Ausfall wird minimiert. Ruht die Produktion, kann die Maschine komplett ausgeschaltet werden. Für das Ab- und das spätere wieder Anschalten ist im Steuerungsprogramm eine entsprechende Unterstützung hinterlegt, sodass die Einschaltreihenfolge automatisch berücksichtigt wird.

Standardschnittstellen reduzieren Implementierung
Bevor die Maschine den optimalen Arbeitspunkt gefunden hat, kann die Maschine mit reduzierter Geschwindigkeit produzieren, wobei sie aber mit gleicher Genauigkeit arbeitet wie bei optimalem Arbeitspunkt und optimaler Taktrate. Ebenso können abweichende Umweltbedingungen wie Temperatur und Luftdruck mit den Simulationswerten verglichen und automatisch nachjustiert werden. So bleibt die Genauigkeit trotz unterschiedlicher Maschinenaufstellorte erhalten.

Die Maschine von morgen wird mit Automatisierungtechnik realisiert, die aktuell bereits entwickelt und weiterentwickelt wird. Viele Vereinfachungen sind schon heute Stand der Technik, aber erst mit der durchgängigen Nutzung werden Maschinenhersteller und alle Beteiligten in der Wertschöpfungskette voll von den Vorteilen profitieren: Für den Maschinenhersteller verkürzen sich die Inbetriebnahmezeiten und er kann seine time-to-market verbessern. Für den Betreiber der Maschine reduzieren sich durch die optimale Auslegung zwischen Energieverbrauch und Taktzeit die Verbrauchskosten und durch die Unterstützung von Condition Monitoring in den Komponenten werden Serviceeinsätze reduziert. Die Komponentenhersteller reduzieren durch die Verwendung von Standardschnittstellen den Implementierungsaufwand und verkürzen damit die time-to-market.