Strukturen für Maschinen von morgen

Jüngere, die in Kontakt mit der Maschinenwelt kommen, haben eine völlig andere Herangehensweise an die Technik als ihre Väter. Die Generation der „digital natives“ ist selbstverständlich mit PC, iPhone und iPod und dem „Überall“-Internet aufgewachsen. Das bedeutet Wandel für moderne Automatisierungstechnik.

Der Markt befindet sich auf dem Sprung von einer Vielfalt unterschiedlicher Lösungs- und Umsetzungsansätze hin zu einem ausgereiften Technologieangebot. So beginnt etwa der Lebenszyklus einer Maschine beim Entwickler des Maschinenbauers, der zukünftig vereinfachte Programmierungsmöglichkeiten nutzen wird. Für zukunftssichere Maschinengenerationen ist es wichtig, dass bestimmte Funktionen aus bisherigen Maschinen wiederverwendet werden können. 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 Profinet, Sercos III oder Ethernet/IP bieten ihm sogenannte Profilschnittstellen. Hier wird deutlich, wie auch eine Tendenzbefragung des VDMA zeigt, dass bereits jeder vierte Mitarbeiter in den Entwicklungs- und Konstruktionsabteilungen des Maschinenbaus Software-Entwickler oder Automatisierungstechniker ist. In den Mittelpunkt gerückt haben diese Disziplinen nicht nur der Ersatz mechanischer Komponenten durch Software, sondern insbesondere die deutlich gestiegenen Ansprüche der Endkunden.

Doch welche Steuerungssysteme kommen heute in Maschinen und Anlagen bevorzugt zum Einsatz? Aus welchem Grund bevorzugen Anwender bestimmte Technologien, während sie andere eher ablehnen? Oder welche Ethernet-Lösungen genießen die größte Akzeptanz? Diesen Fragen auf den Grund zu gehen, war Ziel einer Studie von Michaela Griesenbruch zum Thema „SPS-Systeme im Maschinenbau“. Einige interessante Ergebnisse der Befragung, die mit fachlicher Unterstützung des Arbeitskreises Steuerungstechnik im VDMA entstanden ist, ergaben, dass Ethernet von 86 % der Maschinenbauer zur Anbindung von SPS-Systemen eingesetzt wird. Das hatte zur Konsequenz, dass mittelständische Steuerungshersteller wie Beckhoff Automation und B&R ihren Bekanntheitsgrad auf Kosten großer Konzerne – mit Ausnahme von Siemens – gegenüber der letzten Befragung nahezu verdoppelten. Für über zwei Drittel der Anwender ist die funktionale Sicherheit und die Maschinenbedienung (HMI) erforderlich.

Nahezu alle Befragten erachten zudem hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Verfügbarkeit verschiedener Kommunikationsschnittstellen als sehr wichtig. Auch das Thema neue Technologien stand bei den Anwendern hoch im Kurs. Entscheidend dabei sei das „richtige“, auf die Problemstellung abgestimmte Auswählen und Umsetzen der passenden Technologie. Kurzum: Die eingesetzte Technik muss die Aufgabe möglichst punktgenau erfüllen. Viel Zukunftspotenzial steckt nach VDMA-Angaben nach wie vor in der verteilten Intelligenz. Treiber sind die Entwicklungen in der industriellen Kommunikation – vom Feldbus über High-Speed-Ethernet bis hin zu Wireless-Technologien. Zudem werden die Sensoren und Aktoren immer intelligenter mit dem Ziel, sich weitgehend selbst zu steuern. Was die Anwenderseite betrifft, so fordert diese immer stärker die Kombination von Steuerungs-, Antriebs-, Visualisierungs- und I/O-Komponenten in einem System. Die passenden individuellen Lösungen ergeben sich dabei aus überschaubaren, in Hard und Software zusammenspielenden Modul- Sortimenten.

Ein Beispiel aus der Praxis von morgen soll zeigen, dass noch während des Entwurfsprozesses der Maschinenhersteller mit der Simulation seiner Maschine beginnt, um die Inbetriebnahmezeit in der Werkhalle zu reduzieren. Anbieter wie Siemens oder Bosch Rexroth haben dazu Programme entwickelt, die die gesamte Maschine komplett im Computer – von der mechanischen Auslegung bis hin zum Verhalten des Steuerungsprogramms – abbilden. Die Daten, die der Anwender 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 den Energieanalysator für eine Werkzeugmaschine. Damit kann er schon im Entwurfstadium das NC-Programm auf optimale Einschaltpunkte der Nebenaggregate einstellen. In einem der letzten Schritte wird der Entwicklungsingenieur „per Knopfdruck“ eine Dokumentation der Maschine erstellen. 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. Produktivität wird sichtbar, wenn die Maschinendaten mit dem Datensatz der Simulation verglichen werden. 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. Ein Notlaufprogramm sorgt für reduzierte Taktzeiten. Für „Stand by“ ist im Steuerungsprogramm eine Unterstützung hinterlegt, so dass die Einschaltreihenfolge automatisch berücksichtigt wird.

Die Maschine von morgen wird mit Automatisierungstechnik realisiert, die aktuell bereits entwickelt und weiterentwickelt wird. Viele Vereinfachungen sind heute Stand der Technik, aber erst mit der durchgängigen Nutzung werden Maschinenhersteller und alle Beteiligten in der Wertschöpfungskette voll von den Vorteilen profitieren. Motion Control bleibt beispielsweise eines der Topp-Themen im Maschinenbau. Und auch hier ist die Entwicklung vom weiteren Zusammenwachsen der SPS- und Bewegungssteuerung geprägt. Enorm an Gewicht gewinnt das Thema „Sicherheit“ zudem aus dem Blickwinkel Safety. Mit der Einführung von sicherheitsgerichteten Steuerungssystemen in den letzten Jahren hat das Thema Funktionale Sicherheit einen Quantensprung erlebt (siehe rechts).

Immer mehr Maschinenhersteller setzen vor diesem Hintergrund auf leistungsfähige Seriengeräte, die in der Lage sind, die durchsetzungsstärksten Technologien zu integrieren und außerdem ein „Mitwachsen“ mit den zukünftigen Trends sicherstellen. Was generell noch unterschätzt wird, ist nach Überzeugung von Experten das Thema Fernwartung. Trotzdem nutzen noch immer zu wenige Maschinenbauer das heute verfügbare Potenzial und verschenken damit einen Mehrwert, den sie ihren Kunden bieten könnten.

Werner Möller werner.moeller@konradin.de