Tipps für den Maschinenbau - ifm · munikation (im Sinne funktionaler Sicherheit, Safety) über öffentliche Netze betrieben werden, dann ist die Verwen-dung entsprechender Security-Maßnahmen

Elektrische Automation Kompass Steuerungstechnik 2007

Tipps für den Maschinenbau Der Maschinen- und Anlagenbau stellt besonders hohe Anforderungen an die Automatisierungstechnik. Anspruchsvolle Lösungen müssen schnell und mit hohem Funktionsumfang realisiert werden. Die richtige Auswahl und Beherrschung der Steuerungstechnik spielt dabei eine entscheidende Rolle, aber die Fülle der Angebote macht das Finden der richtigen Informationen nicht immer leicht.

Mit diesem „Kompass“ gibt der VDMA-Arbeitskreis Steuerungstechnik einen Überblick über die aktuellen Entwicklungen in der Automatisierung. Zu jedem Schwerpunkt werden kurz die technischen Grundlagen, Einsatzbedingungen, Chancen und Risiken erläutert, Ansprechpartner genannt. Die Beiträge sollen Anregung und Hilfestellung geben und die fachübergreifende Zusammenarbeit im VDMA fördern. Die Autoren freuen sich auf eine angeregte Diskussion und versorgen Sie gerne mit weiterführenden Informationen. Sprechen Sie uns an, wir freuen uns auf Ihre Meinung.

Service und Wartung Höhere Verfügbarkeit mit moderner Steuerungstechnik

Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen steigen. In einer von der Just-in-Time-Produktion geprägten Welt mit gleichzeitig individueller Fertigung kann sich niemand Ausfallzeiten leisten. Maschinen- und Anlagenbauer können ihren Kunden genau an dieser Stelle Wettbewerbsvorteile bieten. Moderne Steuerungstechnik verfügt über ein hohes technologisches Potenzial, das in der Praxis noch längst nicht ausgeschöpft ist.

Technologiepartnerschaft Steuerungsanbieter - Systempartner des Maschinenbaus

Die rasante Entwicklung von Elektronik und Software schafft ständig neue Möglichkeiten, effizient zu automati-sieren. Davon kann besonders der Maschinenbau für seine Innovationskraft profitieren. In vielen Fällen ist es aber ökonomisch nicht sinnvoll, das gesamte Know-how selbst aufzubauen und aktuell zu halten. Spezialisierte Unternehmen der Steuerungstechnik stehen ihm dafür als kompetente Technologiepartner zur Seite – eine Partnerschaft, die dem Maschinenbauer den Kopf freihält für seine Kernaufgaben.

Antriebssteuerung Integration von SPS-Logik und Motion-Control

Steuerungs- und Antriebstechnik wachsen immer mehr zusammen. Die Integration der Bewegungsführung in SPS-Steuerungen zum einen und die Integration der SPS-Funktionen in Antriebssystemen zum anderen sind Konzepte, die dieser Entwicklung Rechnung tragen. Ent-scheidend ist die logische Verschmelzung beider Ansätze. Eine standardisierte Lösung auf Basis der IEC 61131-3 bieten die PLCopen „Motion Control Function Blocks“. Safety Sicherheit für Mensch, Maschine und Umwelt

Der Betreiber haftet für alle Schäden, die Maschinen und Anlagen verursachen. So ist die aktuelle Rechtslage. Um dieses hohe Risiko auf ein tolerierbares Maß zu reduzie-ren und sich sinnvoll vor Schäden zu schützen, sind organisatorische, konstruktive und steuerungstechnische Maßnahmen notwendig. Dabei lösen programmierbare sicherheitsgerichtete Systeme zunehmend das Sicherheitsrelais ab.

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KOMPASS STEUERUNGSTECHNIK 2007

Drahtlose Kommunikation Daten, Signale und Energie durchgängig verbinden

„Drahtlos“ steigert die Produktivität: kein Verdrahtungs-aufwand mehr, die Konstruktion vereinfacht sich. Wenn fehleranfällige Kabel und Steckverbinder entfallen, kann sich die reale Maschinenverfügbarkeit merklich steigern. Zeiten für Errichtung und Inbetriebnahme verkürzen sich. Drahtlose Geräte mit drahtloser Energieversorgung kön-nen neue Funktionen realisieren – an Stellen, die mit Ka-beln nicht erreichbar wären. Drahtlose Technologien wer-den zunehmend industrietauglich.

Drahtlose Sensor-/Aktorverteiler in einer Roboterzelle für den Niederdruckguß von Aluminium-Motorblöcken bei der KS Aluminium-Technologie AG in Neckarsulm

Engineering und Entwicklungsmethodik Durchgängige Simulation von Maschinen und Anlagen

Simulationswerkzeuge können die Neuentwicklung von Maschinen und Anlagen – von der mechanischen über die elektrische Konstruktion, bis hin zur Steuerungssoftware – durchgängig unterstützen. Simulieren vereinfacht die Konzeptphase, verkürzt den Entwicklungsprozess und besonders die Inbetriebnahme. Viele Projektrisiken, wie Imageschäden und kostenintensive Nachbesserungen beim Kunden, reduzieren sich.

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Mechatronik Mechanik, Elektrik und Software unter einem Hut

Mechatronik führt alle an der Entwicklung von Maschinen und Anlagen beteiligten Disziplinen zusammen. Oft wird dabei aber nur die technische Seite betrachtet: das mechatronische Funktionsmodul. Mindestens ebenso interessant ist die mechatronische Umstellung der Entwicklungsabläufe oder die Modularisierung von Schalt-schrank und Software. Selbst mit geringen Anfangsinves-titionen ist schon ein großer Nutzen erzielbar, wenn mechatronische Ansätze konsequent verfolgt werden.

VDMA Elektrische Automation Arbeitskreis Steuerungstechnik [email protected] 069 6603-1670

ABB-STOTZ-KONTAKT • Bosch-Rexroth • ECKELMANN • Ferrocontrol-Steuerungssysteme

HARTING-Deutschland • HIMA-Paul-Hildebrandt • ifm-electronic • INTER-CONTROL

ISG-Industrielle-Steuerungstechnik • Janz-Automationssysteme • Jetter

OMRON-Electronics • Phoenix-Contact • Siemens • WAGO-Kontakttechnik • Wittenstein

Der „VDMA-Kompass Steuerungstechnik 2007“ (kostenfrei) kann angefordert werden bei [email protected], 069 6603 1849. 2

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Elektrische Automation Kompass Steuerungstechnik 2007 Service und Wartung

Höhere Verfügbarkeit dank moderner Steuerungstechnik Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen steigen stetig. In einer von der Just-in-Time-Produktion geprägten Welt mit gleichzeitig individualisierter Fertigung kann sich niemand Ausfallzeiten leisten. Maschi-nen- und Anlagenbauer können ihren Kunden genau an dieser Stelle Wettbewerbsvorteile bieten. Modernste Steue-rungstechnik verfügt über ein hohes technologisches Potenzial, das in der Praxis noch längst nicht ausgeschöpft ist.

Anwender im Maschinen- und Anlagenbau können besonders bei Inbetriebnahme, Service und Wartung von den technologischen Entwicklungen der letzten Jahre profitieren. Tatsache ist, dass die vielen neuen Chancen im Bereich der Automatisierungstechnik häufig gar nicht oder nur unzureichend genutzt werden. Die zunehmende Internationalisierung und der damit verbundene hohe Exportanteil deutscher Maschinenbauer machen intelligente Service- und Wartungskonzepte er-forderlich. Maschinen müssen bereits bei der Konstruktion "fernwartungsfreundlich" designed werden, da sich nie-mand die Zeit für eine Wartung vor Ort und die damit ver-bundenen Reisekosten leisten kann. Die bei der Konstruk-tion eventuell anfallenden Mehrkosten für eine service-freundliche Maschine werden durch geringere Stillstands-zeiten, Einsparungen bei Fahrtzeit und Reisekosten sowie durch höhere Kundenzufriedenheit mehr als kompensiert.

Einsatz Internet- und IT-Technologien bieten Möglichkeiten, die noch vor einiger Zeit undenkbar gewesen wären. Technologien wie Ethernet, WLAN, Browser-Zugriff, integrierte Gerätewebseiten, SMS- und E-Mailversand. ISDN, DSL, GPRS, GSM, die Kommunikation über das Internet und Ethernet bilden das Rückgrat für eine weltweite Kommunikation. Welcher Kommunikationsweg genutzt wird hängt von den Verhältnissen vor Ort ab.

Fernwartung Die Möglichkeit, eine Maschine aus der Ferne zu beobachten und Anlagenzustände zu analysieren bringt für Maschinen- und Anlagenbauer große Vorteile. Es kann schneller reagiert werden, Reisen entfallen und Stillstandszeiten sinken. Durch die beschriebenen neuen Technologien steigt die Bandbreite und es bieten sich eine Vielzahl neuer Möglichkeiten. Mit Hilfe von industriellen Kommunikationslösungen kann aus der Ferne direkt auf jedes einzelne Gerät der Maschine zugegriffen werden. Die Diagnosetiefe ist damit drastisch vergrößert.

Präventive Wartung Werden Fehler bereits behoben, bevor es zu Ausfällen kommt, kann die Verfügbarkeit einer Maschine merklich gesteigert werden. Vorbeugende Wartung (Condition Monitoring) macht nicht zwangsläufig teure und aufwändige Soft- und Hardware erforderlich; sie kann bereits mit einfachen Mitteln nach der 80-20-Regel effektiv realisiert werden. Bei der Vorbeugenden Wartung melden Maschinen sich anbahnende Probleme, bevor diese überhaupt auftreten und zu ungeplanten Maschinenstillständen führen. So kann man beispielsweise sicherstellen, dass Komponen-ten ihre individuelle Lebensdauer erreichen und nicht vorzeitig oder zu spät – nach einem unerwarteten Ausfall – getauscht werden müssen. Automatisierungsgeräte nähern sich immer weiter den PC-Systemen in Datenhaltung und Datenverarbeitung an. Industrie-PCs, SPS-Steuerungen, Antriebsregler, Remote-I/O-Systeme und intelligente Sensoren verfügen über integrierte Webserver, Datenspeicher und die Möglichkeit, Programme verarbeiten zu können. Viele Geräte können eine Datenvorverarbeitung im Gerät durchzuführen. Alle Daten lassen sich nichtflüchtig in den Geräten speichern und können ereignisgetrieben oder regelmäßig an eine zentrale Anlaufstelle gemeldet werden. Durch eine Auswertung der über einen längeren Zeitraum angefallenen Daten lässt sich somit eine Maschine auch konstruktiv optimieren.

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KOMPASS STEUERUNGSTECHNIK 2007 SERVICE UND WARTUNG

Vereinfachter Gerätetausch Dank der Intelligenz aktueller Automatisierungsgeräte, der Möglichkeiten der transparenten Vernetzung und intelligenter Kommunikationskonzepte ist ein einfacher Gerätetausch möglich. Dieser kann erfolgen, ohne dass Betriebssysteme, Programme oder Daten von einem Servicetechniker eingespielt werden müssen. Damit kann ein Gerätetausch auch von einem weniger qualifizierten Mitarbeiter des produzierenden Unternehmens durchgeführt werden.

Risiko: Unterschiedliche Tools Die Vielzahl von Software-Tools unterschiedlicher Herstel-ler von Automatisierungsgeräten sind uneinheitlich in der Bedienungsphilosophie, müssen auf dem jeweils aktuel-len Stand gehalten werden, ihre Datenhaltung ist spezi-fisch für jedes Gerät und ihre Anwendung erfolgt meist nur lokal am Gerät und nicht über Feldbusgrenzen hinweg.

Von der Prozessautomation kommend, bietet sich auch in der Fabrikautomation FDT/DTM als Lösung für das Asset Management an. FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager) ist ein offener Softwarestandard und spezifiziert die Integration von Gerätetools (DTM) in eine einheitliche Engineeringumgebung (FDT). Die Technolo-gie arbeitet vereinfacht wie ein Druckertreiber unter Windows: ein DTM als „Treiber“, beispielsweise eines Druckwächters, wird über eine definierte Datenschnittstel-le in eine zentrale Engineeringumgebung integriert. Dieser liefert sämtliche Informationen für das Feldgerät wie Parameter und Dialoge mit, optional auch die Kommuni-kationstreiber für unterlagerte Feldbusse. Damit wird die durchgängige Diagnose und Wartung von Feldgeräten, Austausch, Kalibrierung und Parametrierung, und damit das komplette Systemengineering aus einem Tool heraus Wirklichkeit. Folgende Feldbusse sind derzeit spezifiziert: Profibus, Interbus, HART, Foundation Fieldbus und jetzt auch CIP der ODVA für DeviceNet, ControlNet und EtherNet/IP. In 2007 folgen die Spezifikationen für AS-i, Profinet IO und Modbus.

Risiko: Datensicherheit Werden Maschinen an IT-Netze (Firmennetz, Telefonnetz, Internet) angebunden, müssen Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden. Ohne angemessene IT-Sicherheit kann es zu vermehrten Anlagenstillständen kommen. Das kann der Fall sein, wenn keine ausreichenden oder die falschen Maßnahmen getroffen wurden und die Anlage Opfer eines Angriffs wird. Soll sicherheitsgerichtete Kom-munikation (im Sinne funktionaler Sicherheit, Safety) über öffentliche Netze betrieben werden, dann ist die Verwen-dung entsprechender Security-Maßnahmen Pflicht.

Anwendungsbeispiele

• Erkennt ein Antrieb über einen gewissen Zeitraum ein überhöhtes Drehmoment, so kann dies auf Verschleiß oder eine mechanische Unregelmäßigkeit hinweisen. In einem solchen Fall kann der Antriebsregler eine SMS-Meldung oder auch eine E-Mail an einen Service-techniker schreiben oder eine Alarmmeldung auf einen Servicerechner geben.

• Eine Kompressorstation meldet via SMS das Abfallen des Druckes an einen Servicetechniker. Der hat dann die Möglichkeit, den Fehler zu beheben, bevor der Druck-abfall zu einem Anlagenstillstand führt.

• Bei der Fahrzeugfertigung werden Sicherheitssteue-rungen eingesetzt. Diese werden über Ethernet sicher vernetzt, programmiert und diagnostiziert. Durch einen Fernzugriff über DSL ist es möglich, die Verfügbarkeit der Fertigung massiv zu erhöhen.

• Mobile Geräte wie Baumaschinen und landwirtschaftli-che Maschinen können beispielsweise mit Hilfe von GPS positionsabhängig gesteuert werden.

Zusammenfassung Für Maschinen- und Anlagenbauer bietet die moderne Steuerungstechnik ein großes Potenzial für Verbesserung bei Service und Wartung. Vorbeugende Wartung, Fernwartung und der einfache Gerätetausch reduzieren die Stillstandzeiten, minimieren Kosten und erhöhen die Kundenzufriedenheit. Grund genug, sich mit ihren Möglichkeiten intensiv auseinanderzusetzen.

Ansprechpartner

ABB STOTZ-KONTAKT www.abb.de • Rita Stockmann-Fuchs, [email protected]

Bosch Rexroth www.boschrexroth.de • Norbert Sasse und Dr. Roland Steffan, [email protected]

ECKELMANN www.eckelmann.de • Roland Simon, [email protected]

HARTING Deutschland www.harting.de • Guido Selhorst, [email protected]

HIMA Paul Hildebrandt www.hima.com • Stefan Ditting, [email protected]

ifm electronic www.ifm-electronic.com • Dietmar Brüss, [email protected]

INTER CONTROL www.intercontrol.de • Dr. Thomas Pohlmann, [email protected]

Jetter www.jetter.de • Martin Buchwitz, [email protected]

OMRON Electronics www.omron.de • Robert Hölczl, [email protected]

WAGO Kontakttechnik www.wago.com • Burkhard Brandt, [email protected]

4 Der „VDMA-Kompass Steuerungstechnik 2007“ (kostenfrei) kann angefordert werden bei [email protected], 069 6603 1849.

Elektrische Automation Kompass Steuerungstechnik 2007 Antriebssteuerung

Integration von SPS-Logik und Motion-Control Mit steigenden Anforderungen an die Maschinenautomation wächst parallel die Leistungsfähigkeit moderner Steuerungssysteme. Als Ergebnis wachsen Steuerungs- und Antriebstechnik immer mehr zusammen. Die Integration der Bewegungsführung in SPS-Steuerungen zum einen und die Integration der SPS-Funktionen in Antriebssysteme zum anderen sind Konzepte, die dieser Entwicklung Rechnung tragen. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die logische Verschmelzung beider Funktionen. Eine standardisierte Lösung auf Basis der IEC 61131-3 bieten die PLCopen „Motion Control Function Blocks“.

Integrierte Motion-Logic-Steuerungen ersetzen schritt-weise herkömmliche SPS-Systeme und dedizierte Motion Control-Lösungen. Der Markt bietet heute dem Anwender Lösungen für unterschiedliche Plattformen und Topologien – von IPC- und Embedded- über controllerbasierte bis zu antriebsbasierten Systemen. Selbst komplexe Bahn-steuerungen werden heute bereits in die Ablaufsteuerung integriert.

PLCopen

Um eine durchgängige Anwendbarkeit zu erreichen, wurde 1992 die Interessensgemeinschaft PLCopen zur Erarbeitung von Lösungen auf Basis von Programmie-rungsstandards gegründet. Diese verabschiedete in einem Arbeitskreis von Steuerungs- und SPS-Herstellern die überarbeitete Spezifikation „ Part 1 – PLCopen Motion Control Function Blocks“ und den „Part 2 – PLCopen Motion Control Extensions“ zur Einbindung von Motion-Funktionen in IEC 61131-3-Systeme. Diese definieren

• eine „Status-Maschine“ mit Betriebsverhalten und -zuständen von Antrieben

• 39 standardisierte Funktionsbausteine zur Verwendung mit der IEC 61131-3 (Part 1 und 2)

• Regeln und Anweisungen zum Einhalten des Funktionsbaustein-Standards

Die PLCopen Funktionsbausteine kapseln die system- und meist herstellerspezifische Schnittstelle zum Antrieb und sind in der Anwendung unabhängig vom verwendeten Feld- oder Antriebsbus.

Steuerungshersteller bieten in der Regel eine kostenfreie PLCopen-Bausteinbibliothek mit ihren Programmiersys-temen an. Die Einhaltung der Spezifikation wird durch das von der PLCopen vergebene Zertifikat bestätigt und von den Systemherstellern über das PLCopen-Logo vermark-tet.

Einsatz

Motion Control-Funktionsbausteine werden über eine PLCopen-Bibliothek in das SPS-Programmiersystem ein-gebunden. Der Anwender kann damit Einzelantriebsbe-fehle, wie beispielsweise zur Referenzierung, Absolut- und Relativpositionierung, oder Elemente für synchroni-sierte Multiachsbewegungen, wie elektronische Getriebe und Kurvenscheiben, herstellerneutral in seine Ablaufpro-gramme implementieren.

Befehle zur Bewegungsführung werden mit den identi-schen Sprachmitteln nach IEC 61131-3 wie für die Ablauf-logik des Maschinenprogramms verwendet, unabhängig vom verwendeten Antriebstyp und Kommunikationsbus. Einfaches Beispiel einer Bewegungssequenz: Mit dem Baustein „MC_Power wird die Leistung einer Achse zuge-schaltet, mit „MC_MoveVelocity“ mit definierter Ge-schwindigkeit verfahren und mit „MC_Stop“ angehalten.

Durch die applikationsneutrale Definition und Implemen-tierung von Antriebsgrundfunktionen ist der Einsatzbe-reich von „PLCopen Motion Control“ nicht auf bestimmte Anwendungsbereiche beschränkt. Durch die exakte Spe-zifikation des zeitlichen Verhaltens und der SPS als zent-rale Instanz zur Kommandierung der Motion-Funktionen kann der Anwender seinen Maschinenprozess system-neutral beschreiben, übersichtlich implementieren und testen.

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KOMPASS STEUERUNGSTECHNIK 2007 ANTRIEBSSTEUERUNG

Chancen Motion-Logic-Systeme vereinfachen die Integration der Bewegungsabläufe in mechatronischen Lösungen, die Umsetzung der Maschinenprozesse werden im Engineering transparenter: Integrierte Systeme ermöglichen den Aufbau neuer Automatisierungskonzepte auf Basis unterschiedlicher Topologien und Lösungen mit zentralem oder dezentralem Ansatz. Auf die Verwendung dedizierter Motion Control-Steuerungen oder SPS-Steuerungen ohne Motion-Funktionalität kann zunehmend verzichtet werden.

Dem Wunsch von Maschinenbauern nach Standardisie-rung und herstellerunabhängigen Lösungen kommt die PLCopen einen großen Schritt entgegen: Der Maschinen-bauer profitiert bei Verwendung derer Standards von ver-einfachter Erstellung seiner Maschinensoftware und ein-heitlich verwendbaren Funktionsbausteinen für Motion-Control-Aufgaben.

Die Wiederverwendbarkeit dieser Bausteine ermöglicht die Modularisierung der Software und die beschleunigte Umsetzung von Applikationsaufgaben, auch über größere Projektteams. Erhöhte Übersichtlichkeit und Effizienz re-duzieren die Fehleranfälligkeit und damit Kosten und Auf-wände für Training, Inbetriebnahme und Wartung.

In Verbindung mit modularen Maschinenkonzepten kön-nen schnelle Reaktionszeiten durch eine direkte Verarbei-tung der Prozesssignale erreicht werden.

Anwendungen, die bisher aus Aufwandsgründen nicht mit koordinierten oder synchronisierten Bewegungen realisiert wurden, erhalten kostenneutral eine höhere Bewegungs-funktionalität: Werden Bewegungsfunktionen in das Programm der zentralen Motion-Logic-Steuerung verlagert, können so komplexe Antriebe durch einfache Antriebe ersetzt werden. Bei einfacheren Anwendungen kann die Ablauflogik direkt im Masterantrieb von Multiachs-Lösungen ablaufen.

Risiken Die PLCopen „Function Blocks for Motion Control“ verein-fachen die Verwendung von Antriebsgrundfunktionen, un-abhängig von der tatsächlichen Implementierung in Steue-rung und/oder Antrieb. Der Portierbarkeit auf Systeme anderer Hersteller sind aber Grenzen gesetzt: hersteller-spezifische Bausteinerweiterungen über zusätzlich zu

verschaltende Signale sind nach der Spezifikation grund-sätzlich erlaubt, erschweren aber die direkte Wiederver-wendung der Programme in anderen Steuerungssyste-men. Hier ist der Anwender gefordert, die grundsätzliche Struktur seines Maschinenprogramms herstellerneutral zu definieren und systemspezifische Funktionen über einheitliche Datenschnittstellen zu verwenden. Für komplexere Motion-Anwendungen, zum Beispiel in der Robotik, verwenden heutige Lösungen in der Regel herstellerspezifische Laufzeiterweiterungen und Editoren mit entsprechenden Funktionsbibliotheken, um den hohen Bedarf an speziellen Zusatzfunktionen bereitzustellen. Systemzugang sowie Art und Umfang der Diagnosen sind dabei von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Deshalb erarbeitet der PLCopen-Arbeitskreis aktuell die Spezifikation „Part4 – Interpolation“ mit Statusmaschine und Motion-Bausteinen für Mehrachsapplikationen mit Bahninterpolation im Raum (Coordinated Motion), die auf dem bisher verabschiedeten Standard aufbaut und diesen ergänzt.

Anwendungsbeispiele Integrierte Motion-Logic-Systeme sind seit einigen Jahren erfolgreich im Einsatz. Mit der breiten Unterstützung von Automatisierungsherstellern und der hohen Verfügbarkeit der heutigen Steuerungslösungen ist der PLCopen-Standard für Motion Control den Kinderschuhen entwach-sen und allgemein etabliert. Insbesondere Hersteller von Serienmaschinen, z.B. in der Verpackungstechnik, setzen auf vereinheitlichte Schnitt-stellen auf Basis offener Softwarestandards und wieder-verwendbarer Softwaremodule. Weitere mit PLCopen um-gesetzte Anwendungen finden sich beispielsweise in der Umform-, Förder- und Handhabungstechnik.

Ansprechpartner

ABB STOTZ-KONTAKT www.abb.de • Rita Stockmann-Fuchs, [email protected]

Bosch Rexroth www.boschrexroth.de • Norbert Sasse, [email protected]


Ferrocontrol Steuerungssysteme www.ferrocontrol.de • Werner Düpjohann, [email protected]

ISG–Industrielle Steuerungstechnik www.isg-stuttgart.de • Dieter Scheifele, [email protected]


Phoenix Contact www.phoenixcontact.com • Klas Hellmann, [email protected]


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Elektrische Automation Kompass Steuerungstechnik 2007 Technologiepartnerschaft

Steuerungsanbieter als Systempartner des Maschinenbaus Die rasante Entwicklung in der Elektronik- und Softwarebranche schafft ständig neue Möglichkeiten Maschinen und An-lagen effizient zu automatisieren. Darin liegen große Chancen für den innovativen Maschinenhersteller. In den meisten Fällen ist es ökonomisch nicht sinnvoll, dass der Maschinenbauer das gesamte Know-how selbst aufbaut und aktuell hält. Dafür stehen ihm spezialisierte Unternehmen der Steuerungstechnik als kompetente Technologiepartner zur Verfü-gung. Eine Partnerschaft, die dem Maschinenbauer den Kopf freihält für seine Kernaufgaben.

Maschinen differenzieren sich im Wettbewerb durch Leis-tung, Funktionalität, Bedienkomfort sowie dem gebotenen Service. Alle diese Kennzeichen sind eng mit der einge-setzten Steuerungstechnik verbunden. Um die gewünsch-ten Merkmale zu realisieren, sind aus funktionellen und preislichen Gründen häufig kundenspezifische Anpassun-gen in der Steuerungs- und Antriebstechnik erforderlich.

Partnerschaft optimiert die Wertschöpfung

Das Potential steckt in maschinen- und applikationsge-rechten Steuerungskonzepten. Besonders für Neuent-wicklungen braucht man aktuelles Know-how, einen brei-ten Erfahrungsschatz und ein Gespür für die technologi-schen Trends in der Automatisierungs- und Informations-technik. Für die meisten Maschinenhersteller ist es unökonomisch, diese Kompetenzen komplett selbst aufzubauen und zu pflegen. Sie setzen daher auf spezialisierte Unternehmen als ihre Steuerungspartner.

Der Steuerungsspezialist ist in dieser Partnerschaft mehr als bloßer Komponentenlieferant. Er ist Technologiebera-ter in allen Phasen eines Maschinenlebens. Durch seine strategische Planung trägt er auf unterschiedlichen Ebenen zur Wertschöpfung für den Maschinenbauer bei:

• 1. Die Projektierung

Noch vor den ersten Entscheidungen über konkrete Steu-erungsaufgaben berät der Steuerungsspezialist zu Fragen der Infrastruktur, der Segmentierung oder Modularisierung einer Maschine bzw. Anlage. Basis ist die genaue Analyse der Kundenanforderungen und die Definition separater funktionaler Maschinen-Segmente. Im Ergebnis lassen sich zeitintensive Tätigkeiten, wie die Auswahl der Komponenten oder Kompatibilitätsfragen, an kompetente Lieferanten übertragen.

Ein ganzheitlicher Lösungsansatz garantiert, dass alle Segmente den Anforderungen des Maschinenbauers angepasst sind und sich problemlos in die weitere Struktur seiner Anlage integrieren lassen.

• 2.Kompetente Auslegungsplanung

Steuerungs- und Antriebslösungen dürfen nicht überpro-portioniert sein. Es gilt, die Parameter Funktion, Leistung und Preis wechselseitig zu optimieren.

Dazu wird der Steuerungspartner das Angebot an Standardprodukten sorgfältig prüfen, gegebenenfalls aber auch die Potentiale einer kundenspezifischen Entwicklung analysieren.

• 3. Kompatibel und flexibel

Eine Steuerungslösung muss kompatibel zu Industrie-standards sein. Das sichert die Möglichkeit zur Vernet-zung und zur Anbindung an übergeordnete Systeme wie Leitstände, MES oder kaufmännische Software.

Der Steuerungspartner wird eine Lösung entwerfen, die langfristige Flexibilität in der Maschinenauslegung gewährleistet. Das umfasst eine fein skalierbare Hardware und eine transparente Programmierung mit Standard-Werkzeugen, die bei Bedarf einen Hardware-Plattformwechsel leicht machen.

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KOMPASS STEUERUNGSTECHNIK 2007 TECHNOLOGIEPARTNERSCHAFT

• 4. Kundenbindung durch

maßgeschneiderte Bedienung

Von der partnerschaftlichen Kooperation zwischen Maschinenbauer und Steuerungsspezialist wird auch die Gestaltung ergonomischer Mensch-Maschine-Schnittstellen profitieren. Der Steuerungspartner kann aufbauend auf den Wünschen und Branchenkenntnissen des Maschinenbauers eine Bedienung umsetzen, die dem Nutzer das Gefühl intuitiver Sicherheit vermittelt. Das schafft 100prozentige Kundenbindung des Endanwenders an seinen Maschinenhersteller.

• 5. Partnerschaft mit Liefertreue

Eine für die Gesamtwertschöpfung des Maschinenbaus immer wichtigere Phase ist der After-Sales-Service. Die wettbewerbsstärkende Technologiepartnerschaft zwischen Maschinenhersteller und Steuerungsspezialist wird diesem Umstand insbesondere durch die Bereitstellung intelligenter Lösungen für die (Fern)Wartung Rechnung tragen. Hier kann kluge Automatisierungstechnik große Einsparpotentiale mit verbessertem Kundenservice verbinden. Auch die langfristige Liefergarantie für Ersatz-teile aus dem schnelllebigen Markt der Elektronik-Komponeten gehört zu den Wertschöpfungsangeboten des Steuerungspartners.

Flexibles Modell mit freier Wahl

Selbstverständlich ist es für den Maschinenbauer wichtig, die Kooperationstiefe dieser Partnerschaft nach eigenen Bedürfnissen bestimmen zu können. Der flexible Steue-rungsspezialist wird daher ein skalierbares Leistungsan-gebot bereithalten:

Im einfachsten Fall kauft der Maschinenhersteller lediglich das Produkt, sprich die Geräte, und realisiert Applikation und Implementierung völlig selbstständig. Zusätzlich hat er die Möglichkeit, Dienstleistungen wie System- und Antriebsauslegung, Schaltschrankplanung und/oder Schaltschrankbau, Programmierung, Inbetriebnahme und Service in Anspruch zunehmen. Er kann aber darüber hinaus Entwicklungsleistungen für kundenspezifische Anpassungen bei den Produkten einkaufen oder ein

festes Team an Applikations-Ingenieuren des Steuerungs-partners unter seiner Leitung engagieren.

Der Kunde aus dem Maschinebau kann sich bei derart ausgerichteten Steuerungsherstellern sämtliche Dienst-leistungen individuell und situationsabhängig zusammen-stellen. Entscheidend dabei ist, dass der Maschinenbauer die prinzipielle Möglichkeit hat, nach festgelegten Regeln auch auf die Entwicklungsressourcen des Steuerungs-herstellers zuzugreifen. Solch eine enge Zusammenarbeit kann auch temporärer Art sein, beispielsweise wenn es darum geht, eine neue Maschinengeneration zu ent-wickeln. In Form von konkreten Vereinbarungen kann das dabei gemeinsam erworbene Know-how auch geschützt werden.

Sorgenfreiheit für den Maschinenbau

Die Partnerschaft mit dem Steuerungsspezialisten entlastet den Maschinenhersteller von voraussetzungs- und folgenreichen Technologieentscheidungen. Tritt der Steuerungspartner als Generalunternehmer mit möglichst hoher Leistungstiefe auf, reduzieren sich die Schnitt-stellen und damit auch die Prozesskosten für die Ent-wicklung und Produktion des Maschinenbaus. Der Maschinenhersteller erhält langfristige Lösungssicherheit und den effektiven Schutz seiner Investitionen im Bereich der Entwicklung der Maschinensteuerungen.

Durch die enge Verzahnung von maschinenbaulichem und steuerungstechnischem Know-how entstehen beson-ders wettbewerbsfähige Produkte, die den Bedürfnissen des Endkunden entsprechen. Jeder Partner konzentriert sich auf seine Kernkompetenzen., Eine vertrauensvolle und möglichst direkte Kommunikation fördert technische Synergie- und Rückkopplungsprozesse.

Diese Effekte werden umso nachhaltiger, je langfristiger die Kooperation zwischen Maschinenhersteller und Steue-rungsspezialist besteht. Durch den konsequenten Rück-griff auf industrieübliche Steuerungsstandards bleiben dem Maschinenbau selbstverständlich alle Optionen offen. So verbinden sich für den Maschinenhersteller die Vorteile einer gemeinsam optimierten Wertschöpfung mit garantierter Offenheit und Flexibilität.

Ansprechpartner


Ferrocontrol Steuerungssysteme www.ferrocontrol.de • Werner Düpjohann, [email protected]

HARTING Deutschland www.harting.de • Guido Selhorst, [email protected]

Janz Automationssysteme www.janz.de • Michael Rennerich, [email protected]



Elektrische Automation Kompass Steuerungstechnik 2007 Safety

Sicherheit für Mensch, Maschine und Umwelt Der Betreiber haftet für alle Schäden, die Maschinen und Anlagen verursachen. So ist die aktuelle Rechtslage. Um die-ses hohe Risiko auf ein tolerierbares Maß zu reduzieren und sich sinnvoll vor Schäden zu schützen, sind organisatori-sche, konstruktive und steuerungstechnische Maßnahmen notwendig. Dabei lösen programmierbare sicherheitsgerich-tete Systeme (beispielsweise Steuerungen und Antriebe) zunehmend das Sicherheitsrelais ab.

Sicherheitsgerichtete Systeme überwachen die sicher-heitskritischen Funktionen und Schutzeinrichtungen einer Anlage. Im Fehlerfall oder bei einer gefährlichen Situation schalten sie entsprechend ganz oder teilweise ab. „Sicherheitsgerichtete“ Geräte sind genau für diesen Zweck ausgelegt, sie unterscheiden sich von „gewöhnlichen“ Systemen, zum Beispiel:

• Sicherheitsgerichtete Systeme sind zertifiziert.

• Fehleraufdeckungs- und Diagnosegrad sind hoch.

• Sollte ein sicheres System ausfallen oder einen Fehler in sich selbst feststellen, schaltet es ab.

• Ein- und Ausgänge sind speziell überwacht.

Die Beurteilung der Risiken einer Anlage und die sich daraus erge-benden Schutzmaßnahmen sind mit den zuständigen Prüfstellen abzustimmen. Grundsätzlich muss die gesamte Anlage sicher-heitstechnisch abgenommen werden, nicht nur die Steuerung.

Grundlagen für den Maschinenbau sind:

• die spezifischen Maschinenrichtlinien,

• die EN/ISO 13849 (ehemals EN 954) bzw.

• die EN/IEC 62061

EN 954 definiert Kategorien (KAT); ihr Nachfolger EN/ISO 13849 definiert Performance Level (PL). Die höchste übliche Kategorie KAT4 entspricht ca. PLe.

EN/IEC 62061 und 61508 definieren Safety Integrity Level (SIL1-SIL4). Der höchste Sicherheitslevel für sicherheits-gerichtete Steuerungen ist typischerweise SIL3.

Integrierte Steuerung mit einem Prozessor Hard- und Software eines Standardsystems werden sicherheitsgerichtetet aufgerüstet. Sichere und nicht-sichere Teile der Anwendung werden mit der gleichen Hardware ausgeführt und in derselben Umgebung programmiert. Beide Systemteile sind nahtlos integriert.

Mehrprozessor-Steuerung Die sichere und nicht sichere Steuerung sind getrennt. Eine schnellere Reaktion, erhöhte Verfügbarkeit und unabhängige Zykluszeiten (Rückwirkungsfreiheit) sind zu erwarten. Diese Lösung betont die in der IEC 61508 geforderte Trennung der Sicherheitsfunktion von den nicht sicheren Funktionen. Sicherheitsgerichtete Steuerungen gibt es für den einfachen Ersatz eines Sicherheits-relais, über Steuerungen mit beschränktem Funktionsumfang, bis hin zu vernetzbaren Systemen die gemäß der SPS-Norm IEC 61131-3 frei programmiert werden können. Meistens werden Bausteine angeboten, die komplette Sicherheitsfunktionen beinhalten (z.B. Not-Aus). Die Anwendungen reichen von der Absicherung einer Einzelmaschine bis hin zur großen Fertigungslinie.

Sichere Kommunikation Die sichere Vernetzung von Sensoren, Aktoren und Steuerungen spielt eine wichtige Rolle. Dabei werden über dieselbe Leitung sichere Daten ausgetauscht und „normal“ kommuniziert. Alternativ können Bussysteme redundant ausgelegt und überlagert werden. Vorausset-zung für eine sichere Kommunikation ist, dass die Teil-nehmer die sicherheitsrelevanten Daten mit dem geforderten Niveau (z.B. KAT4, SIL3) erzeugen und einlesen. Tritt ein Fehler in der Kommunikation auf, muss in ausreichend kurzer Zeit reagiert, und die Maschine in den sicheren Zustand gebracht werden.

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Foto: Bosch Rexroth

KOMPASS STEUERUNGSTECHNIK 2007 SAFETY

Abschalten ist selten die beste Lösung Überall, wo es Gefahr durch Bewegung zu vermeiden gilt, bieten sichere Antriebe Vorteile, zum Beispiel die direkte Auswertung von Zustimmung und Not-Stopp. Sichere Antriebstechnik ermöglicht den Zugang zum Gefahren-bereich um einen Materialstau zu beheben oder umzurüsten. Die Verfügbarkeit der Anlage bleibt erhalten und bietet Einsparpotentiale in der Mechanik. Mögliche Funktionen sind: • Sicherer Halt • Sicher reduzierte Geschwindigkeit • Sichere Bewegungsrichtung • Sicher begrenzte Maximalgeschwindigkeit • Sicheres Bremsen und Halten Antriebsintegrierte Sicherheit steht auch für kürzeste Reaktionszeiten. Alle notwendigen Komponenten sind integriert, es werden gekapselte Funktionen angeboten, wie es der Anwender von Sicherheitsschaltgeräten kennt. Bei komplexeren Anlagen, die eine flexible Verknüpfung der Peripheriesignale erfordern, erfolgt die Zusammenar-beit mit sicherheitsgerichteten Steuerungen über eine si-cherheitsgerichtete Kommunikation – das ist vor allem für die sichere Bahnbewegung zunehmend von Bedeutung.

Chancen Die Wiederverwendbarkeit von Programmen und damit der Einsatz in Serienmaschinen reduziert den Zeitaufwand und die Fehlerwahrscheinlichkeit. Das Programm altert nicht im Gegensatz zu elektromechanischen Lösungen. Der Prüf- und Dokumentationsprozess kann von der Programmieroberfläche unterstützt werden; ist somit stets aktuell und korrekt. Die verbesserte (Fern-)Diagnose ermöglicht das soforti-ge Auffinden des betätigten Not-Aus oder das Erkennen fehlerhafter Schalter durch Zeitüberwachung. Diese In-formationen können direkt an andere Steuerungen oder Visualisierungssysteme weiter gegeben und von beliebigen Orten innerhalb oder außerhalb der Firma ge-nutzt werden. Bereiche einer Anlage können gezielt in den sicheren Zustand gebracht werden, ohne sie vollständig abschalten zu müssen; der definierte Prozesszustand bleibt erhalten. Die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine wird vereinfacht. Beispielsweise können Schutzgitter durch Laserscanner ersetzt werden, die den Arbeitsraum mit dynamisch anpassbaren Schutzfeldern überwachen.

Sobald der Werker den Gefahrenbereich betritt, wird die Anlage in einen sicheren Zustand gebracht, nach Verlassen des Schutzfeldes und einer Quittierung kann die Maschine weiter produzieren. An komfortabel bedienbaren Maschinen werden Sicherheitsfunktionen nicht umgangen. Durch vernünftige Konzepte sind überbrückte Sicherheitsschalter (hoffent-lich) bald Vergangenheit.

Risiken Für den sachgerechten Umgang mit Sicherheitstechnik sind Fachwissen und eine entsprechende Ausbildung zum Programmieren, Inbetriebnehmen und Warten notwendig. Außerdem erfordern die Maschinenrichtlinien sehr spezifisches Wissen über die jeweilige Anlage. Es sollte jedoch nicht überreagiert werden. Für einfache Anwendungen, in denen ein Sammel-Not-Aus völlig ausreichend ist, bringt eine Sicherheitssteuerung wenig Vorteile. Hier fördern pragmatische Ansätze den Einsatz von Sicherheitssystemen. Die individuelle Auswahl erfordert eine gute Kenntnis der Systeme.

Anwendungsbeispiele Bei Daimler Chrysler wird der gesamte Rohbau in der Sprinterfertigung von sicherheitsgerichteten Steuerungen überwacht. Für das übergeordnete Sicherheitskonzept werden diese über Standard Ethernet TCP/IP miteinander vernetzt. Die Kommunikation der übrigen Automatisie-rungskomponenten findet über das gleiche Netzwerk statt.

Die schweizer Firma Mikron setzt bei linearen und Rundtakt-Transfermaschinen konsequent auf antriebsin-tegrierte und zertifizierte Sicherheitsfunktionen in Servo-antrieben. Insgesamt verkürzte Mikron die Nebenzeiten im Vergleich zum Vorgängermodell um rund 40%, nicht zuletzt durch die antriebsintegrierte Sicherheitstechnik.

Ansprechpartner HIMA Paul Hildebrandt www.hima.com • Stefan Ditting, [email protected] Bosch Rexroth www.boschrexroth.de • Jochen Ost, [email protected] WAGO Kontakttechnik www.wago.com • Helmut Börjes, [email protected] INTER CONTROL www.intercontrol.de • Dr. Thomas Pohlmann, [email protected] ifm electronic www.ifm-electronic.com • Dietmar Brüss, [email protected]


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Elektrische Automation Kompass Steuerungstechnik 2007 Drahtlose Kommunikationstechniken

Drahtlos verbinden – Daten, Signale und Energie bis zum Sensor / Aktor Auch auf dem Gebiet der Industrieautomatisierung finden drahtlose Technologien zunehmend Anwendung, denn sie tra-gen zu einer Steigerung der Produktivität und Flexibilität bei: Aufwändige Verdrahtungen entfallen, die Konstruktion von Maschinen und Anlagen wird vereinfacht. Im Betrieb ist durch Wegfall fehleranfälliger Kabel- und Steckverbindungen oft eine merkliche Steigerung der realen Maschinenverfügbarkeit oder Qualität der Produkte erreichbar. Die für die Errich-tung und Inbetriebnahme ganzer Systeme erforderliche Zeit wird verkürzt und drahtlose Geräte mit drahtloser Energie-versorgung können an mit Kabeln nicht erreichbaren Positionen neue Funktionen realisieren.

Heute industriell eingesetzte digitale drahtlose Techno-logien konzentrieren sich auf das weltweit lizenzfrei zur Verfügung stehende 2,45 GHz Band. Der Frequenz-bereich liegt gerade oberhalb industrieller Störer, aber ermöglicht noch gute Reichweiten und ausreichend Bandbreite für viele parallele und unterschiedliche Funksysteme. Einige Funksysteme arbeiten auch im 5GHz Band oder in regional Bereichen 866MHz (EU) und 900 MHz (USA).

Heute sind auch für schwierige industrielle Aufgaben und Umgebungen Funktechnologien verfügbar, mit einem Grad der Leistungsfähigkeit, Handhabbarkeit und Zuverlässigkeit, der bis vor kurzem noch undenkbar war.

Zur sicheren und schnellen Datenübertragung in indus-trieller Umgebung spielen neben der Wahl des Frequenz-bandes und geeigneter Antennen insbesondere spezielle Frequenzsprungverfahren die entscheidende Rolle. Dann kann unabhängig von Umgebungsbedingungen und unbekannten anderen Frequenznutzern eine Mindest-leistungsfähigkeit sichergestellt werden.

Für die sehr verschiedenen Einsatzfälle sind unterschied-liche, angepasste Funktechnologien zwingend notwendig (ähnlich wie im leitungsgebundenen Bereich nur Spezial-kabel anspruchsvolle Aufgaben übernehmen).

Für allgemeine industrielle Anwendungen in der Sensor-/ Aktorebene, mit vielen Funkknoten und oft unzugänglichen Einbaupositionen, sind Batterien keine Option. Zur Energieversorgung stehen neben Kabeln auch neue, industriell erprobte Verfahren zur Verfügung, zum Beispiel:

• Drahtlose Energieübertragung (magnetisches Prinzip wie bei RFID Anlagen),

• Nutzung von Prozess- oder auch Umgebungsenergie (beispielsweise Betätigungsenergie eines Schalters oder Umgebungslicht).

Einsatz

Funktechnologien, die ihren Ursprung in der IT oder Gebäudeautomation haben, eignen sich zum Beispiel für

• reine Datenübertragung oder

• Anzeige, Bedienung, einfache Sensorik.

Fernbedienung, Ferndiagnose und vor allem zeitkritische Automatisierungsaufgaben in der Sensor-/ Aktorebene lassen sich nur mit speziell an die Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsbereiches angepassten Technolo-gien realisieren:

• Fabrikautomation: Steuersignale können über kurze Entfernungen mit vielen Teilnehmern sehr zuverlässig ausgetauscht werden. Auch unter rauen industriellen Umgebungsbedingungen mit Echtzeitschranken im Millisekundenbereich.

• Infrastruktur- und Gebäudeautomation: Großflächige Sensornetzwerke können zeitlich unkritische Daten im Sekundenbereich auch über größere Entfernungen zentral zur Verfügung stellen.

Drahtlose Sensor-/Aktorverteiler in einer Roboterzelle für den Niederdruckguß von Aluminium-Motorblöcken bei der KS Aluminium-Technologie AG in Neckarsulm

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KOMPASS STEUERUNGSTECHNIK 2007 DRAHTLOSE KOMMUNIKATION

Chancen

Drahtlose Geräte eignen sich für Maschinen und Anlagen, wo heute aufwändige Kabel- und Steckverbindungen zu hohen Installationskosten und verringerter Flexibilität füh-ren, insbesondere bei Relativbewegungen, Werkzeug-wechseln oder anderer Beanspruchung. Zusätzlich lassen sich ganz neue Anwendungen realisieren, die mit kabel-gebundenen Sensoren/ Aktoren nicht möglich wären. Bewegliche Teile einer Anlage können zuverlässig in das Steuerungs- und Überwachungskonzept integriert werden.

Beim Bau oder der Umrüstung einer Maschine verringert der Einsatz dieser Technologien Installationskosten und -zeiten durch die deutlich erhöhte Flexibilität bei der Platzierung bzw. Ergänzung. Vermiedene Ausfälle durch Kabelbrüche und defekte Steckverbinder führen zu einer höheren Verfügbarkeit und verringertem Serviceaufwand.

Risiken

Für die genannten unterschiedlichen Anwendungen gibt es noch keine verfügbaren Automatisierungsstandards. Es gibt aber bereits eine Reihe von Produkten einzelner Hersteller deren Funk-Technologien speziell für die Anforderungen der Industrie entwickelt sind und als erprobte Basis für Standards dienen können.

Abgesehen von der Erfüllung der Anforderungen ist bei der Produktauswahl darauf zu achten, wie robust die verwendete Funk-Technologie bezüglich sich ändernder Umgebungsbedingungen ist. Dazu zählt zum Beispiel zu erwartender Parallelbetrieb derselben oder anderer Technologien im gleichen Frequenzband (Koexistenz). Falls sensitve Daten übertragen werden, ist auch „Security“ ein Auswahlkriterium.

Wichtig für den absolut störungsfreien Einsatz von Funksystemen in der Sensor-/ Aktorebene sind:

• Maschinen und Anlagenbauer: Auswahl der für den Einsatzfall geeigneten Technologie (Zuverlässigkeit, Erfüllung der momentanen und eventuell auch der zukünftigen Anforderungen)

• Endanwender: Durchführung einer Frequenzplanung (entsprechend der Elektroplanung, Erfassung und Abstimmung aller Funktechnologien, sowie der IT-Infrastruktur und Gebäudeautomatisierung)

• Anwendung: Fertigungsautomation, Ersatz von kritischen, beanspruchten Kabel- und Steckverbindungen mit Echtzeitfunksystemen

Im Sekundentakt wiederholte Bewegungen und ständige Werkzeug-/Vorrichtungswechsel führen trotz hoher mechanischer Aufwände (Kabelschlepp, Schleifringe) oft zu Ausfällen, aufwändiger Fehlersuche und -behebung. Mit Echtzeitfunktechnologien lassen sich praktisch alle Sensoren und Aktoren in einer Maschine/Anlage drahtlos an die Steuerung anbinden. Konkretes Beispiel: Erhöhung der Verfügbarkeit einer Anlage/Produktionseinrichtung.

• Anwendung: Anlagen mit Sensornetzwerken, kostengünstige Erfassung zusätzlicher Daten

In ausgedehnten Anlagen erfordert die Verkabelung zusätzlicher Sensoren/ Instrumente zu zentralen Stellen einen hohen Aufwand bei Planung, Dokumentation und Durchführung, der durch drahtlose Technologien deutlich verringert werden kann. Konkrete Beispiele: Condition Monitoring, Infrastrukturoptimierung, Asset Management.

• Anwendung: Mobile Anlagenteile, stationäre oder mobile Anzeige- und Bediengeräte

Mit Funktechnologie ausgestatte mobile oder tragbare Geräte ermöglichen die Identifikation, Überwachung, (Fern-) Bedienung bzw. Anzeige, Parametrierung oder Programmierung von Anlagen, Maschinen oder einzelnen Geräten an unterschiedlichen Orten ohne jedes Mal eine Kabelverbindung herstellen zu müssen. Auch sichere Daten sind bei geeigneten Gesamtsystemen übertragbar. Konkrete Beispiele: Bediengeräte/ -terminals (Fern-bedienung), Scanner, fahrerlose Transportsysteme.

Ansprechpartner

ABB STOTZ-KONTAKT www.abb.de • Wolfgang Zimmermann, [email protected]

HIMA Paul Hildebrandt www.hima.com • Stefan Ditting, [email protected]

INTER CONTROL www.intercontrol.de • Dr. Thomas Pohlmann, [email protected]

Phoenix Contact www.phoenixcontact.com • Jürgen Weczerek, [email protected]

WAGO Kontakttechnik www.wago.com • Burkhard Brandt, [email protected]


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Elektrische Automation Kompass Steuerungstechnik 2007 Entwicklungsmethodik, Engineeringprozess, Simulation

Durchgängige Simulation von Maschinen und Anlagen Der Einsatz von Simulationswerkzeugen in der Konzeptions- und Entwicklungsphase ermöglicht Maschinen- und Anla-genherstellern zeitliche und finanzielle Einsparmöglichkeiten. Die simulationsgestützte Verifikation von Neuentwicklun-gen kann von der Mechanik-Konstruktion über die Elektro-Konstruktion bis hin zur Steuerungs-Softwareentwicklung durchgängig eingesetzt werden. Dadurch werden der Entwicklungsprozess und insbesondere die Inbetriebnahmezeit verkürzt und die Wahrscheinlichkeit von imageschädigenden sowie kostenintensiven Nachbesserungen beim Kunden reduziert.

Maschinen- und Anlagenbauer müssen aufgrund der sich verschärfenden Wettbewerbssituation neben den bisherigen Anforderungen an Qualität, Preis und garantierten Stückzah-len bzw. Ausstoß zunehmend Anforderungen an Lieferzeit und total cost of ownership (TCO) ihrer Produkte befriedigen. Somit muss starkes Augenmerk auf Möglichkeiten zur Ver-besserungen im Konzeptions-, Entwicklungs- und Inbetrieb-nahmeprozess gelegt werden. Dadurch kann einesteils der möglicherweise über einen Auftragseingang entscheidende zeitliche Vorteil bis zum Produktionsbeginn der Anlage reali-siert, andererseits Fehler und Optimierungspotentiale früher im Entwicklungsprozess erkannt und somit mit geringeren zeitlichen und finanziellen Aufwendungen korrigiert werden.

Gelingt es, die meist sequentiell aufeinanderfolgenden Ent-wicklungsdisziplinen (Mechanik-Konstruktion, Elektro-Konstruktion, Steuerungs-Softwareentwicklung) zu parall-elisieren, können zu spät erkannte Fehler und damit zeitauf-wendige Korrekturschleifen verringert werden.

Steuerungssoftware-Simulation unterstützt Inbetriebnahme

Innerhalb der einzelnen Disziplinen setzt sich der Entwickler auch mit komplexen Strukturen auseinander. Anwendersoft-ware für Systeme mit verteilter Intelligenz zu simulieren lohnt sich nur, wenn die Simulation möglichst alle intelligenten Ge-räte erfasst.

Vielfach werden Softwaretests noch mit Steuerungshardware praktiziert, da der Aufwand für Simulation als zu hoch einge-schätzt wird. Für umfangreiche Steuerungssoftware-Simulation trifft dies jedoch immer weniger zu.

Grundlage für die Vereinfachung bilden ein durchgängiges Kommunikationssystem und eine integrierte Entwicklungs-plattform. Die einzelnen Programmier- und Konfigurations-tools sind eng miteinander verzahnt und kommunizieren über einen gemeinsamen Server. Die Integration der Simulations-software ist einfach und kostengünstig. Die Bedienung erfolgt in vielen Fällen ähnlich wie bei der Erprobung mit Steue-rungshardware.

Arbeitsumgebung eines simulationsbasierten Engineerings:

„Homag 5-Achs-Holzbearbeitungszentrum an realer Steuerung“

Die Simulation findet mit der gleichen Hardware (PC) statt, die auch für die Softwareentwicklung benutzt wird, dadurch entstehen keine zusätzlichen Kosten. Für den Softwareent-wickler muss für die Erprobung keine Steuerungshardware „ausgeliehen“ oder zusätzlich eingekauft werden. Darüber hinaus sind archivierte Simulationsprogramme später sehr hilfreich bei Ferndiagnosen. Bei der Entscheidung für ein neues Steuerungssystem ist es nicht nur wichtig die primäre Funktion und den Bedienungskomfort der Entwicklungssys-teme zu beurteilen, sondern auch die Kosten, Aufwand und Leitungsfähigkeit der optional angebotenen oder integrierten Simulationstools zu berücksichtigen.

Einsparpotentiale durch Simulationsunterstützung

Derzeit benutzen die Ingenieure der unterschiedlichen Ent-wicklungsabteilungen verschiedene Software-Werkzeuge, die auf den jeweiligen Einsatzzweck optimiert wurden. Die Ver-knüpfung der Werkzeuge gestaltet sich kompliziert und somit fehleranfällig. Zudem stellen die hohen Investitionskosten, um für jede Disziplin die Werkzeuge und das Know-How be-reitzustellen, vor allem für kleine und mittelständische Unter-nehmen eine starke Belastung dar. Dies führt häufig dazu,

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KOMPASS STEUERUNGSTECHNIK 2007 ENTWICKLUNGMETHODIK, SIMULATION

dass keine oder nur vereinzelt disziplinspezifisch Simulation in den Unternehmen eingesetzt wird. Stünde hingegen eine Plattform bereit, die ausgehend von einem von allen Beteilig-ten genutzten Basismodell disziplinspezifische Ausprägungen einer Anlage beinhaltet, könnte dieses durchgängig im Ent-wicklungsprozess eingesetzt und somit wertvolle zeitliche Einsparungen in der Entwicklungsphase erzielt werden.

Das dadurch realisierte Basismodell kann darüber hinaus zur automatisierten Verifikation und vorgezogenen gefahrlosen Teilinbetriebnahme (virtuelle Inbetriebnahme) der Steuerung genutzt werden. Somit wird eine wesentlich breitere und tiefe-re Testabdeckung erzielt. Dadurch kann die Gesamtzahl der Fehler reduziert und kostspielige Nachbesserungen an der Anlage oder Maschine im Feld vermieden werden. Zudem sinkt das Risiko von Schadensersatzforderungen, die auf-grund unerkannter Anlagenfehler entstehen können. Weiter-hin wird dadurch die Dauer der personal- und kostenintensi-ven Inbetriebnahme beim Kunden stark reduziert.

Die bei der Verifikation der Anlage gewonnenen Erkenntnisse können ihrerseits wieder in das Basismodell integriert wer-den, wodurch die Vorteile bezüglich reduzierter Entwick-lungszeit und Fehlerminimierung bei Folgeprojekten weiter gesteigert werden können.

Ablaufsimulation auf Basis von Zustandsgraphen:

„Virtuelle Handhabungseinheit“

Durchgängige Simulationsplattform

Eine moderne Simulationsplattform bietet ein durchgängiges Werkzeug zur Abbildung des gesamten Maschinenverhaltens über den kompletten Entwicklungsprozess hinweg. Durch die Integration der verschiedenen Disziplinen in einer Plattform verläuft die Maschinenentwicklung Hand in Hand zwischen den Entwicklungsabteilungen.

Visualisierung der Achsbewegungen und der Maschinendynamik:

„Virtueller Schütte-Mehrspindeldrehautomat mit 55-Achsen an 2 realen NCs“

• Dem Mechanik-Konstrukteur bietet sich die Möglichkeit,

3D-Daten der Maschine zu einer Kinematik zusammenzu-setzen und zu visualisieren. Außerdem kann er die ge-samte Maschinendynamik von der Mechanik bis hin zum geschlossenen Regelkreis modellieren und Vorhersagen über das Verhalten der einzelnen Maschinenkomponenten treffen.

• Elektrokonstrukteur kann den Regelkreis des elektrischen Antriebs inklusive der Regelstrecke analysieren. Die zur Bewegung der Komponenten notwendigen aktorischen und sensorischen Eigenschaften lassen sich durch Aktor- und Sensor-Bausteine modellieren und im Bedarfsfall durch Logik- und Regler-Bausteine selbst aufbauen.

• Dem Steuerungs-Softwareentwickler steht mit dem integ-rierten Zustandsgraphen ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem er den Maschinenablauf in AWL frei programmieren kann.

Die Maschinenbewegungen können direkt durch die Modell-Komponenten der Mechanik- und Elektro-Konstruktion er-zeugt werden. Durch ein frei konfigurierbares virtuelles Be-dienfeld kann der Anwender mit der Simulation interagieren und Zustände graphisch anzeigen und beeinflussen. Eine in-tegrierte Kollisionserkennung ermöglicht, den Ablauf auf Ba-sis von CAD-Daten zu verifizieren. Zeitliche Ablaufoptimie-rungen sind schon während der Entwicklung möglich.

Durch die Echtzeitfähigkeit der Plattform und die Unter-stützung von gängigen Feldbussen kann anschließend eine virtuelle Inbetriebnahme auf Basis der realen Steuerungs-technik durchgeführt werden. Dies ermöglicht die Minimie-rung von Inbetriebnahmezeiten an der realen Anlage und ver-lagert diese zu großen Teilen von der Halle in das Büro. Dar-aus resultieren bessere Planbarkeit der Inbetriebnahme an der Anlage und Steigerung der Softwarequalität durch höhere Testtiefe.

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Ansprechpartner

ISG-Industrielle Steuerungstechnik • Ulrich Eger, [email protected]

OMRON Electronics • Robert Hölczl, [email protected]


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Elektrische Automation Kompass Steuerungstechnik 2007 Mechatronik

Mechanik, Elektrik und Software unter einem Hut Mechatronik führt alle an der Entwicklung von Maschinen und Anlagen beteiligten Disziplinen zusammen. Oft wird dabei aber nur die technische Seite betrachtet: das mechatronische Funktionsmodul. Mindestens ebenso interessant ist aber auch die mechatronische Umstellung der Entwicklungsabläufe oder die Modularisierung von Schaltschrank und Soft-ware. Selbst mit geringen Anfangsinvestitionen ist schon ein großer Nutzen erzielbar, werden mechatronische Ansätze konsequent verfolgt.

Mechatronische Modularisierung

Die Modularisierung von Maschinen und Anlagen ist weit fortgeschritten: Mechanische Konstruktionen werden unverändert oder nur leicht angepasst in verschiedenen Maschinen eingesetzt, die Elektrik wird bei der Konstruk-tion modular ausgelegt und selbst die Software besteht aus Funktionsbausteinen und modularen Programmteilen. – Leider verfolgt dabei jede Disziplin vorrangig nur ihr eigenes Optimum mit dem Ergebnis, dass die Schnitt-stellen jeweils an anderen Stellen liegen: Mehrere mechanische Module werden von einem elektrischen Verteilerkasten versorgt oder von einem Funktionsbau-stein bearbeitet. Das Wiederverwenden einer Maschinen-funktion führt dann dazu, dass in der Elektrokonstruktion ein Verteilerkasten geändert werden muss oder Software durch Kopieren und Anpassen entsteht. Solche Prozesse kosten Zeit sowie Geld und sind fehleranfällig.

Die mechatronische Modularisierung fordert die Konstruk-teure aller Fachrichtungen auf, Ihre Modulschnittstellen zu harmonisieren. Vorteil ist die einfache Wiederverwendung. Dafür werden keine neuen Komponenten benötigt, sondern lediglich die Neuorganisation der vorhandenen Elektrik und Software; das Modularisieren der CAD-Daten und Steuerungsprogramme.

Mechatronische Komponenten

In vielen Maschinen werden heute einfache pneumatische oder elektromechanische Antriebe eingesetzt. Diese Akto-ren sind oft preiswert und in vielen verschiedenen Bau-formen am Markt vorhanden. Der Nachteil dieser Lösung ist ihre geringe Flexibilität. Die Umbauzeiten einer Ma-schine bei Produktumstellungen sind oft hoch.

Antriebe eignen sich ideal als Plattform für mechatroni-sche Komponenten. Deshalb hat sich der Integrations-trend in den letzten Jahren vom Motor über den Umrich-termotor bis zur kompletten mechatronischen Einheit fort-gesetzt.

Vor allem bei elektromechanischen Aktuatoren ist der Trend zu beobachten, da hier mechatronische Module mit wenig Integrationsaufwand eingesetzt werden können.

• Intelligente Antriebsregler werden direkt mit Motoren verschmolzen und durch den geringeren Bauraum bedeutend einfacher in die Mechanik integriert.

• Direktantriebe bieten unterschiedliche Leistungen und Bauformen sowie einschaltfertige elektromechanische Funktionsmodule.

Komplette mechatronische Funktionseinheiten sind flexibel und bieten eine höhere Funktionalität gegenüber klassischen Lösungen. Sie eignen sich besonders für Maschinen mit wenig Platz oder hohen Anforderungen an die Regelung. Mechatronische Greifer zum Beispiel vereinen alle benötigten mechanischen und elektrischen Bauteile in einem Gerät und sind flexibel einsetzbar..

Durch den Einsatz von Feldbussen wird das Modularisie-ren von elektrischen, mechanischen und Software-Komponenten stark vereinfacht. Das Wiederverwenden technologischer Module spart Zeit und Kosten bei Engineering, Konstruktion und Inbetriebnahme.

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KOMPASS STEUERUNGSTECHNIK 2007 MECHATRONIK

Mechatronische Organisation

In vielen Maschinenbau-Unternehmen sind mechanische und elektrische Konstruktion sowie Software getrennt organisiert. Die mechanische Konstruktion ist beendet, bevor die elektrische Konstruktion beginnt; die Software wird zuletzt eingebunden. Gewachsene Hierarchien und eine nach Gewerken getrennte Organisation verzögern die Abläufe und führen zu kostenintensiven Änderungen kurz vor Projektabschluss.

• Die mechatronische Konstruktion verändert den Projektablauf: Alle Disziplinen werden von Anfang an in das Projekt einbezogen und Konstruktionsentschei-dungen gemeinsam getroffen.

Probleme werden in der Disziplin gelöst, in der sie am ein-fachsten gelöst werden können. Die parallelen Entwick-lungsmöglichkeiten verkürzen die Durchlaufzeiten, Prob-leme werden früher erkannt und behoben.

• Die mechatronische Organisation, das Anpassen der Hierarchien, führt zu einer effizienteren Zusammen-arbeit und erweitert den kreativen Spielraum der Mitarbeiter.

Ein Beispiel ist die funktionsorientierte Konstruktion, die aus Teams besteht. Die Teams beschäftigen sich mit Teil-aufgaben, die sie ganzheitlich – also mechanisch, elekt-risch und softwaretechnisch – lösen. Das Ergebnis sind mechatronische Maschinenfunktionen, die einfach in die Maschine integriert werden können.

Abgerundet werden Angebote rund um Mechatronik und Antriebstechnik durch Mechatronik Support Dienst-leistungen: Bei der Neuentwicklung werden zum Beispiel Maschinen per Simulation auf ihr Schwingungsverhalten untersucht. Durch Modifizierung in der Antriebstechnik sind Optimierungen möglich, bevor der erste Prototyp entsteht. Das spart Zeit und Kosten bei der Neuentwick-lung. Bei bestehenden Maschinen ist eine Optimierung durch Analyse des Zusammenwirkens von Mechanik und elektrischen Antrieben möglich.

Risiken

Das Risiko beim Einsatz mechatronischer Komponenten, der mechatronischen Modularisierung oder beim Wechsel zu einer mechatronischen Konstruktion liegt vor allem in der Anpassungsfähigkeit der Mitarbeiter auf die neue Situation sowie in der Neugestaltung bestehender Entwicklungsprozesse. Dabei treten in der ersten Phase oft Reibungsverluste auf. Um diese zu minimieren, sollten Änderungen des organisatorischen Ablaufs in einem Un-ternehmen disziplin- und schrittweise in Form eines Integrationsprojektes erfolgen.

Chancen

Die Mechatronik als Vereinigung von Mechanik, Elektrik und Software bietet ein hohes Potential an Entwicklungs-rationalisierung und Qualitätssteigerung bei vergleichs-weise geringem Risiko.

Die mechatronische Modularisierung erfordert lediglich eine Neuorganisation von Elektrik und Software und bietet hohes Nutzenpotential bezüglich Entwicklungsrationalisie-rung und Qualitätssteigerung.

Der Einsatz mechatronischer Komponenten erlaubt neue Lösungsansätze bei hohen Anforderungen an Flexi-bilität und Geschwindigkeit.

Die mechatronische Entwicklungsorganisation kann die Abläufe stark verkürzen und eine schnelle Auftrags-abwicklung bei kleinerer Fehlerzahl ermöglichen.

Ansprechpartner

Bosch Rexroth www.boschrexroth.de • Norbert Sasse, [email protected]

Phoenix Contact www.phoenixcontact.com • Claus Kühnl, [email protected]

Siemens www.siemens.com • Jochen Christ, [email protected]

Wittenstein www.wittenstein.de • Sascha Giese, [email protected]


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Tipps für den Maschinenbau - ifm · munikation (im Sinne funktionaler Sicherheit, Safety) über öffentliche Netze betrieben werden, dann ist die Verwen-dung entsprechender Security-Maßnahmen