Zukünftige Montagesysteme müssen in ihrem Lebenszyklus mit geringem Aufwand und in kurzer Zeit an neue Anforderungen angepasst werden. Die derzeit bestehenden Modulkonzepte bieten nicht die erforderliche Wandlungsfähigkeit. Insbesondere in der Automatisierungstechnik fehlen hinreichend skalierbare sowie plug&play-fähige Lösungen.
Aufgrund der allgemeinen wirtschaftlichen Entwicklungs-Trends ist davon auszugehen, dass sich die Anforderungen an die Anpassungsfähigkeit automatisierter Produktionssysteme dauerhaft erhöhen werden. Der Maschinenbau wird jedoch mit den spezifischen Bedürfnissen und Forderungen seiner Kunden konfrontiert, die sich deutlich unterscheiden können. Strategisch darf sich ein Maschinenbauer daher nicht nur auf eine maximal mögliche Wandlungsfähigkeit in seinen Anlagen- und Maschinenkonzepten fokussieren. Vielmehr ist ein breites Lösungs-Portfolio erforderlich, das auch eingeschränkt änderbare, aber kostengünstige Konzepte beinhaltet.
Die Gestaltung der Automatisierungstechnik muss diesen Rahmenbedingungen Rechnung tragen. Dabei bedarf es einer durchgängigen Gesamtarchitektur für Hard- und Software sowie der elektrotechnischen Installation, um eine schnelle und funktional abgesicherte Projektierung von Maschinen und Anlagen zu ermöglichen. Dies lässt sich anschaulich am Beispiel typischer Geräte-Montagelinien aufzeigen, wie sie in der Elektroindustrie häufig zum Einsatz kommen. Strukturell bestehen die Linien aus folgenden funktionalen Kernbereichen:
- Werkstückträger-Transport und -Positioniersystem mit applikationsspezifischen Trägern und
- einzelnen Arbeitsstationen in unterschiedlichen Automatisierungsgraden sowie mit verschiedenen Prozessinhalten.
Dabei kann eine Arbeitsstation ein oder mehrere unterschiedliche, parallele oder sequenzielle Prozesse umfassen, die seitens des Maschinenbauers oder eines Lieferanten erstellt werden. Bei der Erarbeitung einer durchgängigen Automatisierungs-Architektur für eine hohe Varianz von Maschinen gilt analog zur Produktion, dass die zu variierenden Merkmale am besten am Ende der Prozesskette umgesetzt werden. Die Varianz in der elektrotechnischen Installation soll in einem relativ eng standardisierten Rahmen erfolgen, damit der Schaltschrank frühzeitig und produktiv aufgebaut werden kann. Demgegenüber bietet die Software-Technik bessere Möglichkeiten einer effektiven und effizienten Individualisierung auf Basis definierter Framework-Strukturen.
Die eigentliche steuerungstechnische Funktion – also Logik oder Motion – ist durch Software definiert, die auf einer Hardware-Infrastruktur realisiert wird. Die Gestaltung der Software-Architektur sollte in möglichst hohem Maße wandlungsfähig sein. Auf der Hardware-Seite lässt sich die Anzahl und Verteilung der Steuerungen anlagenspezifisch variieren. Kostengünstige Lösungen zeichnen sich durch eine Konzentration der Software-Funktionen auf wenige Steuerungen aus. Ist Wandlungsfähigkeit gefragt, können dezentrale plug&play-fähige Installationen umgesetzt werden, bei denen die gleiche Software auf viele Einzelsteuerungen verteilt wird. Grundsätzlich ist im Software-Bereich die Reduzierung der Entwicklungs-Umgebungen und Zielplattformen von hoher Bedeutung, um keine zusätzlichen Software-bedingten Einschränkungen in der Hardware-technischen Gestaltung zu haben. Im Motion-Control-Bereich ist daher zum Beispiel die Realisierung von Steuerungsfunktionen auf einer eigenen Steuerung einer Implementierung auf intelligenten Servoverstärkern vorzuziehen.
Zur Maschinen-Bedienung und -Überwachung sind klassische Taster sowie Software-basierte Benutzer-Schnittstellen zu betrachten. Tasterpulte erlauben eine sichere Bedienung und sind kostengünstig, erfordern jedoch einen vergleichsweise hohen Verdrahtungsaufwand. Eine Erweiterbarkeit ist nicht gegeben. Deshalb kann ein Wechsel auf Touch-Screen-Displays sinnvoll sein, die zunehmend günstiger werden sowie hinsichtlich der Software erweiter- und veränderbar sind. Auf diese Weise setzt der Maschinenbauer individuelle Bedienlösungen um, ohne die elektrotechnische Installation anpassen zu müssen. Die Gesamtkosten-Bilanz einer durchgängig Display-gestützten Bedienphilosophie kann daher günstiger als eine klassische tasterbasierte Lösung sein.
Hinsichtlich der Installation von Elektrik und Pneumatik müssen folgende Aspekte definiert oder standardisiert werden:
- Funktionale Modularisierung der Komponenten im Sinne von Verschaltungs-Einheiten auf Schaltschrank-Platten, die in zentralen oder dezentralen Schaltschrank-Einheiten zum Einsatz kommen,
- Schnittstellen zur elektrotechnischen Verknüpfung solcher Module zum Beispiel durch steckbare Reihenklemmen,
- Definition der Schaltschrank-Typen und -Positionen sowie der Orte für die Feldinstallationen (IP 67) und
- Festlegung der wesentlichen Kabeltrassen inklusive der Wanddurchführungen.
Die Sicherheitstechnik ist ein integraler Bestandteil der Automatisierungs-Architektur und bestimmt die Wandelbarkeit einer elektrotechnischen Projektierung. Einfache, kostengünstige Sicherheitskreise schalten Not-Aus oder Türschalter in Reihe, wodurch die Anzahl der benötigten Komponenten minimiert werden kann. Allerdings ist die Lokalisierung einer auslösenden Komponente nicht möglich. Daher bieten sicherheitsgerichtete Bussysteme mit den entsprechenden Relais und Steuerungen eine höhere Flexibilität. Die im Maschinenbau erforderliche Flexibilität und Skalierbarkeit bezieht sich dabei auf folgende Aspekte:
- Durchgängige Lösungen von der Parametrierung eines Sicherheitsrelais bis zur Programmierung einer sicheren Steuerung,
- Skalierung in der Anzahl und örtlichen Verteilung von zu verschaltenden sicheren Ein- und Ausgängen und
- Verknüpfung oder Integration sicherer Feldbussysteme mit konventionellen Bussystemen.
Häufige Produktwechsel und begrenzte Platzverhältnisse führen schnell zur Forderung nach plug&play-fähigen Verschaltungskonzepten, in denen einzelnen Montagezellen zur Laufzeit des Montagesystems an- und abgekoppelt werden sollen. Derartige Lösungen bedürfen konfigurierbarer Steckverbinder mit standardisierten Belegungsmustern zur Weiterleitung von I/O-Signalen, der Ethernet-/Feldbus-Kommunikation sowie der Safety-Signale. Darüber hinaus muss eine Übertragung von Spannung (400 V) und Druckluft möglich sein. Über die definierte Schnittstelle kommuniziert die mit einer eigenen Steuerung ausgestattete Montagezelle mit der übergeordneten Leitsteuerung. Darüber hinaus kann die Montagezelle über die Plug&Play-Schnittstelle vor der Integration in eine Anlage systematisch getestet werden.
Die Wandelbarkeit eines Steuerungskonzepts lässt sich durch die Vielfalt der Anwendungen bemessen, die mittels eines festgelegten Baukastens bedient werden können. Dabei steht neben der verwendeten Hard- und Software der anlagenspezifische Engineering-Prozess im Fokus. Im ECAD-System können geeignete Templates und Makros definiert werden. Eine Durchgängigkeit des Steuerungskonzepts auf elektrotechnischer Ebene ist gegeben, wenn sich die Anzahl der notwendigen Templates und Makros auf ein Minimum reduzieren lässt und einzelne Funktionseinheiten nicht redundant in unterschiedlichen Konfigurationen spezifiziert werden müssen. Nur so kann der dauerhafte Aufwand zur Pflege und Weiterentwicklung der Steuerungsarchitektur in wirtschaftlich vertretbaren Dimensionen gehalten werden.
Mit den heute verfügbaren Automatisierungs-Technologien in Hard- und Software ist der Aufbau durchgängiger und skalierbarer Lösungsplattformen für die Montagetechnik grundsätzlich möglich. Dabei lassen sich kostengünstige, eher zentralistisch aufgebaute Lösungen mit dezentral strukturierten, plug&play-fähigen Projektierungen in einen einheitlichen Framework integrieren, der ein schnelles Engineering kundenspezifischer Anlagen erlaubt. Voraussetzung dafür ist eine mechatronische Modularisierung von Maschinen-Systemplattformen.
Dr.-Ing. Frank Possel-Dölken, Friedrich Capelle, Phoenix Contact, Blomberg
Phoenix Contact auf der SPS/IPC/DRIVES in Halle 9, Stand 310
Unsere Webinar-Empfehlung
Der Summit richtet sich an Entscheider aus den Bereichen Fertigung, Instandhaltung, Fabrikautomatisierung, Automatisierung, Intralogistik und Fabrikplanung, Netzplanung, Netzwerkinfrastruktur, Innovationsmanagement. Daneben sind Hersteller aus den Bereichen Maschinenbau, Sensorik,…
Teilen:
