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Industrie 4.0

Elektronik und Software aus dem Baukasten

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Neben der Mechanik müssen auch Software und Elektronik modularisiert werden. Damit Maschinen unterschiedlicher Hersteller später zu einem Netzwerk verbunden werden können, sind offene Schnittstellen unerlässlich.
Die Modularisierung im Maschinenbau zählt nicht unbedingt zu den Trends, die den Anspruch erheben, besonders neuartig zu sein. Produktionsmittel modular zu konzipieren – diese Zielsetzung gibt es seit über 20 Jahren. Dennoch konnte sich der Trend nicht wirklich durchsetzen. Aktuell bekommt das Thema jedoch einen ganz neuen Drive, nämlich durch die Ansätze der Industrie 4.0. „Es geht jetzt richtig los“, sind die Experten für Motion Centric Automation bei Lenze überzeugt. Um Modularisierung ganzheitlich zu betrachten, sind neben Mechanik auch Software und Elektronik tiefgreifend zu modularisieren. Genau die zwei Ebenen, bei denen dieser Ansatz bis dato noch nicht mit der gebotenen Konsequenz verfolgt wurde. Deshalb ist hier das Potenzial für Verbesserungen nach wie vor hoch.
Wachstum in der Produktion resultiert vor allem aus der Herstellung modularer Maschinen
Modulare Maschinen laufen monolithischen Maschinen immer mehr den Rang ab. Das belegt eine Strukturanalyse von Quest Technomarketing aus dem Jahr 2014 – mit dem Ziel, eine Prognose abzugeben über die Entwicklung des Engineerings der Maschinenautomation bis 2017. Demnach resultiert das Wachstum in der Maschinenproduktion vor allem aus der Herstellung modularer Maschinen. Dieser Bereich wird in den nächsten Jahren mit einem Anteil von rund 50 % den Maschinenbau dominieren. Der Anteil modular aufgebauter Lösungen am Wachstum insgesamt steigt. Während der überwiegend modular aufgebaute Maschinenbau starkes Wachstum zeigt, sinkt der Anteil monolithischer Lösungen. Welche Rahmenbedingungen liegen dieser Entwicklung zugrunde?
Die Antwort findet sich weniger in einem „Was hat sich verändert?“ als vielmehr im „Was ist hinzugekommen?“. Hierbei ist zu beachten, dass Modularisierung sehr lange ein mechanisch geprägtes Thema war. Parallel dazu hat sich schließlich der mechatronische Ansatz entwickelt, der eine gleichzeitige Betrachtung von Mechanik, Hardware und Software beinhaltet. Es ist jetzt die konsequente Übertragung dieses mechatronischen Gedankens, der zum Durchbruch bei der Modularisierung führen wird – weil damit endlich alle drei Ebenen einfließen.
Einmal Baukasten, immer Baukasten
Modularisierung von A bis Z zu betreiben heißt, sich von Anfang an eines Baukastens zu bedienen. Baukästen haben aber den Nachteil, dass ihr Inhalt eine fest definierte Funktion besitzt – was die Flexibilität entsprechend eingrenzt. Zudem sieht das Ergebnis aus demselben Baukasten nun einmal wie aus einem Baukasten aus. Dieser Effekt macht es schwieriger, sich gegenüber dem Wettbewerb zu differenzieren. Standardisierung bringt darüber hinaus den Effekt mit sich, dass beispielsweise Funktions- und Maschinenmodule fest umrissene Produkteigenschaften haben – und folglich immer das Risiko besteht, dass mehr drin ist, als für eine Applikation eigentlich erforderlich. Deshalb ist es so wichtig, die Module in sich zu skalieren. Und wenn man bei der eingeschränkten individuellen Anpassungsfähigkeit bleibt: Standardisierung auf Modulebene birgt in der Praxis immer das Problem, dass es eigentlich zu wenig unterschiedliche Module gibt.
Angesichts der eingangs genannten Entwicklungen, die moderne Fertigungen heute mit den Mechanismen einer Industrie 4.0 nehmen, wirken sich auch die Schnittstellen limitierend auf die Freiheit im Maschinenbau aus. Hier ist einerseits Sorgfalt geboten, um Schnittstellen bei der Kommunikation durchgängig und normkonform zu programmieren. Andererseits sind wirklich offene Schnittstellen gefragt. Nur so lassen sich Maschinen unterschiedlicher Hersteller später zu einem Netzwerk verbinden – unabhängig davon, welches Label auf den Antriebsregler oder einer Steuerung klebt.
Vorteile der Modularisierung für OEM
So streng letztlich die Anforderungen bei der Konzeption von Modulen vor allem bei den Schnittstellen und der Software sind und so eng das Korsett im Engineering angelegt ist: Modularisierung lohnt sich – vor allem bei Standardfunktionen. OEM tun deshalb gut daran, ihre Maschinen schlüssig in Funktionseinheiten zu zerlegen, weil sie nur so in der Lage sind, wiederkehrende Aufgaben mit einer Lösung aus der Schublade zu bedienen. Diese Vorgehensweise spart Zeit für die Entwicklung und Testläufe. Zudem sinkt die Fehlerrate, weil standardisierte Funktionseinheiten fertig entwickelt und erprobt sind.
Diese Arbeitsweise spart also Zeit – was sich in sinkenden Kosten genauso widerspiegelt wie in einer höheren Wettbewerbsfähigkeit, weil Maschinen schneller zur Auslieferung kommen. Lenze fördert diese Arbeitsweise, indem die für die Maschinenmodule in Frage kommende Antriebs- und Automatisierungslösung ebenfalls modularisiert und skaliert ist. Modularisiert wird auf drei Ebenen: Mechanik, Hardware und Software.
Modularisierung im Bereich der Hardware bedeutet im Wesentlichen, Technik in einem Baukasten bereit-zuhalten, die sich möglichst fein skaliert miteinander kombinieren lässt, um die Nachteile der genannten Überdimensionierung zu begrenzen. Die Studie von Quest Technomarketing belegt diese Aussage, indem die Mehrheit der Maschinenbauer Lieferanten bevorzugen, die eine komplette skalierbare Angebotspalette bieten, sich dabei auf Standardkomponenten fokussieren und beim Support auch die anwendungsspezifische Anpassung von Hard- und Software erwarten. Der letzte Punkt macht klar, dass Software ebenfalls zur Modularisierung zählt, zumal laut der Studie 92 % der befragten Maschinenbauer Softwarelösungen als wichtigen Wettbewerbsvorteil ansehen.
Welche Rückschlüsse lassen sich daraus für Hersteller von Antriebs- und Automatisierungstechnik ziehen? Lenze geht zum Beispiel mit Fast den Weg, Standardfunktionen von Antrieben wie elektrische Welle, Positionieren oder Heben in miteinander kombinierbare Technologiemodule zu gießen. Was auf Seiten des Maschinenbauers gilt, zählt auch hier: Es geht darum, häufig wiederkehrende Standardfunktionen zu modularisieren und wiederverwendbar zu gestalten. Kein OEM wird sich in seinem Markt mit Standardfunktionen differenzieren können. Diese Aussage lässt den Rückschluss zu, Antriebstechnik einzusetzen, mit der sich der Standard schnell erledigen lässt – um damit mehr Zeit für die wirklich wichtigen Arbeiten zu erhalten. Lenze hat die Technologiemodule innerhalb von Fast zudem so aufgestellt, dass der Maschinenbauer diesen Freiraum nutzen kann, um sich eigene Module schreiben zu können. Das führt letztlich zu einer durchgängigen Programmierung und erleichtert später die Kombination von Maschineneinheiten zu einer Gesamtanlage.
Modularisierung standardisiert verknüpfen
Während der geschilderte Ansatz sich auf vergleichsweise eng umrissene Maschinenfunktionen konzentriert, besteht die zukünftige Herausforderung der Modularisierung darin, diese ebenfalls standardisiert miteinander zu verknüpfen. Auf der horizontalen Ebene greifen hier Kommunikationsstandards wie Ethercat oder Canopen. In vertikaler Richtung greifen Standards der PLCopen sowie Pack ML der Omac. Die Modularisierung im Maschinenbau kann erst dann ihre gesamten Vorteile zeigen, wenn die Datendurchgängigkeit innerhalb einer Produktion sichergestellt ist – wie bei Industrie 4.0.
Hierbei wird es darum gehen, wie sich modulare Projekte künftig ohne aufwändige Softwareanpassungen realisieren lassen. Damit ein „Mal kurz raus – und dann wieder schnell rein“ eines Maschinenmoduls in der Praxis mit wenigen Klicks möglich ist, sind konfigurierbare Maschinenkonzepte gefragt. Je nach Ausführung eines Maschinentyps wird die endgültige Ausbaustufe durch einen Konfigurator festgelegt, in dem bestimmte Funktionalitäten und damit Module wahlweise zusammenstellbar sind. Auch Busarchitekturen müssen darauf vorbereitet sein, dass hier bestimmte Module und damit Busteilnehmer optional hinzugefügt oder eliminiert werden können.
Aus- und Abwahl von Teilnehmern ermöglicht eine kundenindividuelle Variante
Die Funktion „Optionale Teilnehmer“ hat Lenze in Ethercat integriert. Bei klassischen Feldbussystemen müssen Entwickler vorher wissen, welche Teilnehmer an Bord sind und auf welchem Platz sie sitzen. Das widerspricht aber der geforderten Flexibilität in einem modularen Maschinenbau. Fehlt ein Teilnehmer, geht der Bus auf Fehler, wenn er nicht neu konfiguriert wurde. Das macht die Modularisierung hier so aufwendig. Mit dem Prinzip der optionalen Teilnehmer sind Maschinenbauer in der Lage, die größte Grundkonfiguration anzunehmen – und daraus durch Aus- oder Abwahl eine kundenindividuell abgespeckte Variante zu definieren. Dieses Verfahren spart Zeit und macht den Weg frei für virtuelle Maschinen inklusive virtueller Inbetriebnahme.
Und wenn in einem Bus alle an ihrem Platz sitzen, bliebe noch die Frage des Fahrers zu klären, der sowohl die Richtung als auch die Abfahrtszeiten vorgibt. Modularität bei Industrie 4.0 heißt, dass es Stellen geben muss, die den Takt samt dem einzig gültigen Zeitstempel vorgeben. Diese für eine synchrone Produktion unerlässliche Funktion wird bei Lenze über die Verwendung einer Ethercat-Bridge gelöst. Die auf Ethercat basierende technische Einheit synchronisiert die Uhren unterschiedliche Teilnehmer, die für sich zwar ebenfalls in Echtzeit arbeiten, deren Verbund es aber an einer Masteruhr fehlt. Die Sync-Bridge wird damit zur Instanz, die für alle auf die Uhr schaut.
Kay Willerich, Leiter Profit Center Controls, Lenze SE, Hameln

Ausblick
Die Zukunft der Modularisierung besteht darin, Technologiefunktionen zu größeren Funktionseinheiten zu verbinden. So bilden antriebstechnische Einzeltechnologien im Verbund universell einsetzbare Maschinenmodule. Liegt der Fokus aktuell noch darauf, Motion-Control-Funktionen wie Kurvenscheiben, Fliegende Sägen oder elektrische Wellen als individuell anpassbare Standardbausteine ins Engineering zu integrieren, gehört die Zukunft den Maschinenmodulen. Es wird fertige Lösungen für ein Förderband, eine Siegelstation, einen kompletten Wickler oder eine Stanzeinrichtung geben. Wenn bei der Modularisierung größer gedacht wird, können zeitfressende Standardtätigkeiten eingespart werden.
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