Erschienen am: 08.02.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 1+2 2018

Grafcet EN60848 - Softwaretool für einen variablen Anlagenbetrieb

Einfach angepasst

Die hohe Fertigungsflexibilität einer Anlage ermöglicht es den Betreibern, Produkte herzustellen, die den Bedürfnissen der Kunden genügen. Viele Probleme im Produktionsprozess zeigen sich aber erst, wenn die Anlage bereits produziert. Mit einem auf der Programmiersprache Grafcet basierenden Softwaretool ist der Maschinenbauer in der Lage, den Ablauf der Anlage für den Anlagenbetreiber variabel zu gestalten. Dieser kann zudem später noch selbst Anpassungen vornehmen.


Die hohe Fertigungsflexibilität einer Anlage ist nicht erst seit Industrie 4.0 eine Eigenschaft, die ein Anlagenbetreiber bei einer Neuinvestition erwartet bzw. ihn überhaupt zu dieser Neuinvestition bewegt. Die Entwicklung einer flexiblen Anlage ist für den Maschinenbauer aber eine große Herausforderung. Trotz sorgfältiger Planung, früher Einbindung des Anlagenbetreibers in die Planung und intelligenter Weitsicht wird er die Bedürfnisse des Anlagenbetreibers nie zu 100 Prozent erfüllen. Denn viele Erkenntnisse stellen sich erst zu dem Zeitpunkt ein, wenn die Anlage bereits produziert. In diesem Stadium sind Anpassungen nur noch in einem engen Rahmen möglich. Weiterhin sind Veränderungen sowohl für den Maschinenbauer als auch für den Anlagenbetreiber sehr kostspielig, da diese oftmals zu Produktionsausfällen führen. Auch steht der Maschinenbauer vor dem Problem, dass er sein Fachpersonal zu diesem Zeitpunkt schon für andere Aufträge eingeplant hat. Es wäre also gut, diese Art von Anpassungen auf Seiten des Maschinenbauers zu vermeiden oder zumindest die Häufigkeit zu reduzieren. Hätte der Anlagenbetreiber selbst die Möglichkeit, den Anlagenvorgang zu verändern, könnte dies eine Lösung des Problems sein. Das scheitert momentan hauptsächlich daran, dass der Anlagenbetreiber nicht in der Lage ist, die meist sehr komplexen Steuerungsprogramme zu verändern. Denn er hat nicht das Fachpersonal und die Software-Ausstattung dazu. Meist ist es auch vom Maschinenbauer nicht gewünscht, da die Risiken bei Programmänderungen sehr hoch sind und bei einem etwaigen Anlagenstillstand die Schuldfrage nicht einfach zu klären ist.

Anlagenvorgang ohne

SPS-Programmierkenntnisse ändern

Bisher sind die Änderungsmöglichkeiten des Anlagenbetreibers, was das Verhalten der Anlage angeht, sehr limitiert. An einem HMI lassen sich z.B. Sollwerte anpassen oder Zeiten verändern. Änderungen am Ablauf der Anlage oder das Hinzufügen von Funktionen sind dabei nicht möglich. Eine Lösung des Problems würde darin bestehen, dass der Maschinenbauer bestimmte Anlagenvorgänge für den Anlagenbetreiber variabel gestaltet. Je höher dabei die Freiheitsgrade für Programmänderungen sind, desto eher ist der Anlagenbetreiber in der Lage, seinen Idealzustand selbstständig herzustellen. Die Veränderungen im Ablauf sollten dabei mit einer Programmiersprache möglich sein, deren Kenntnis mit hoher Wahrscheinlichkeit auch beim Personal des Anlagenbetreibers vorhanden ist. Weiterhin sollten die Programmänderungen mit einem einfachen Tool realisierbar sein, das keine spezifischen Kenntnisse der in der Anlage vorhandenen SPS-Steuerung voraussetzt. Diese Dinge sind mit der Software Grafcet-Studio und dem dahinterstehenden Konzept realisierbar. Dabei handelt es sich um ein Programmier-Tool, bei dem die Beschreibungssprache Grafcet als Programmiersprache zum Einsatz kommt. Mit dem Tool lässt sich das Steuerungsprogramm entwickeln, auf dem PC testen und in ein Steuerungssystem übertragen. Die verwendete Beschreibungssprache ist in fast allen Ausbildungsberufen mit technischem Bezug im Lehrplan enthalten. Bisher wird sie als Vermittler zwischen den verschiedenen Fachdisziplinen eingesetzt, damit diese gemeinsam kommunizieren können. Die Verbreitung der Grafcet Beschreibungssprache ist somit sehr hoch. Das Softwaretool ermöglicht es, die 'Grafcet Programmiersprache' plattformübergreifend zu nutzen. Das bedeutet, sie kann für unterschiedliche Steuerungssysteme verwendet werden, ohne dass dabei steuerungsspezifische Anpassungen notwendig sind. Diese Fähigkeit erlangt das Tool durch den Treiber Grafcet-Engine, der auf dem Steuerungssystem (z.B. SPS) zu installieren ist. Bei den gängigen SPS-Systemen wird das durch den Aufruf einer Funktion im Hauptzyklus (bei Siemens-Systemen der OB1) erreicht. Der mit dem Tool entwickelte Grafcet wird somit immer vom gleichen Treiber verarbeitet, was dazu führt, dass dieser auch immer das gleiche Verhalten zeigt. Wird das Tool mit einer Steuerung verbunden, die den Treiber verwendet, lässt sich der Grafcet laden, beobachten oder auch verändern. Die Vorgehensweise ist dabei unabhängig vom verwendeten Steuerungssystem.

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Änderung des Anlagenvorgangs

Es wird z.B. eine Flüssigkeit in den Behälter gepumpt, bis ein Füllstand von 900l erreicht ist. Anschließend wird die Flüssigkeit erwärmt und zeitgleich gerührt. Danach erfolgt der Abpumpvorgang. Bei einer solchen Anlage wird dem Anlagenbetreiber typischerweise die Möglichkeit gegeben, den Sollwert für die Temperatur der Flüssigkeit und die Rührzeit über ein HMI zu verändern. Nun wird beim Betrieb der Anlage festgestellt, dass es von Vorteil wäre, wenn die Flüssigkeit nur zur Hälfte aufgefüllt wird und danach das Erwärmen bis auf 80 Prozent der Solltemperatur stattfindet bei gleichzeitiger Ausführung des Rührens. Anschließend ist die Restmenge an Flüssigkeit in den Behälter zu pumpen, die Erwärmung auf die Solltemperatur auszuführen und gleichzeitig der Rührvorgang zu starten. Am Ende steht dann das Abpumpen der Flüssigkeit aus dem Behälter. Eine solche Änderung des Ablaufs ist über das HMI nicht möglich. Diese Änderung kann bisher nur vom Maschinenbauer durch Anpassung des Steuerungscodes ausgeführt werden. Ist der Anlagenvorgang allerdings über Grafcet-Studio in der Steuerung abgelegt, dann lässt sich dieser den neuen Bedingungen anpassen. Um die oben beschriebenen Änderungen des Vorgangs zu erreichen, müsste der Grafcet abgeändert werden. Diese Änderung ist für ein Fachpersonal mit entsprechenden Kenntnissen kein Problem und in wenigen Minuten mit dem Tool ausgeführt. Dabei könnte der Grafcet auf dem PC simuliert werden, bevor er in die Steuerung übertragen wird. Auch das Beobachten in der Steuerung mit den Statusinformationen ist mit dem Tool möglich. Das Beispiel zeigt, dass man durch den Einsatz des Programmier-Tools dem Anlagenbetreiber eine Flexibilität bietet, die bisher nur durch Abändern des Steuerungscodes möglich war. (siehe auch: Fotostrecke, unten)

Vorteile für Maschinenbauer und Anlagenbetreiber

Auf Seiten des Maschinenbauers ergeben sich durch den Einsatz von Grafcet-Studio einige Vorteile: Der Maschinenbauer ist in der Lage, einen bestimmten Ablauf der Anlage für den Anlagenbetreiber variabel zu gestalten. Der Anlagenbetreiber kann dabei nur den Teil des Anlagenvorgangs verändern, der vom Maschinenbauer zugänglich gemacht wurde. Der Maschinenbauer schreibt sein übliches SPS-Programm und ruft zusätzlich den Treiber auf. Die Kommunikation mit dem Treiber funktioniert über definierbare Datenbereiche in der SPS. Der Maschinenbauer stellt dem Anlagenbetreiber die Programmiersprache für wiederkehrende Abläufe zur Verfügung. Damit wird die Flexibilität der Anlage gesteigert. Außerdem kann der Maschinenbauer bereits von seinen Konstrukteuren den Ablauf der Anlage definieren lassen. Der Grafcet muss nun nicht mehr in ein SPS-Programm umgesetzt werden, sondern wird direkt in die Steuerung übertragen. Der Maschinenbauer selbst kann Grafcets entwickeln, die seinem Servicepersonal ohne SPS-Kenntnisse helfen, im Servicefall eine Analyse zu betreiben. Dabei müssen diese nicht mit dem Tool des Steuerungsherstellers (z.B. TIA Portal) ausgestattet sein. Der Maschinenbauer ist zudem beim Realisieren der Zusatz-Features nicht an ein bestimmtes Steuerungssystem gebunden. Denn das Konzept hinter Grafcet-Studio ist bezogen auf das Steuerungssystem plattformunabhängig. Doch auch für den Anlagenbetreiber ergeben sich einige Vorteile. Er kann selbst Änderungen am Anlagenvorgang vornehmen und so die Anlage auch nach der Inbetriebnahme noch anpassen. Dabei ist er nicht auf die Mithilfe des Maschinenbauers angewiesen. Der Anlagenbetreiber benötigt zudem kein Fachpersonal, das über spezifische Kenntnisse des in der Anlage eingesetzten Steuerungssystems verfügt. Kenntnisse in Grafcet genügen. Der Anlagenbetreiber benötigt für die Änderungen nicht die meist kostspieligen und schwergewichtigen Tools des Steuerungsherstellers. Der Maschinenbauer kann spezielle Seiten bauen, die bei Anlagenstillstand dem Anlagenbetreiber eine bessere Diagnose ermöglichen. Hier lässt sich oftmals ein Serviceeinsatz vermeiden. Möchte der Anlagenbetreiber bei neuen Anlagen andere Steuerungssysteme vorschreiben, dann besteht auch dort die Möglichkeit, das Tool zu verwenden. Bei neuen Anlagen kann dem Maschinenbauer ein Grafcet vorgegeben werden, der den Anlagenvorgang beschreibt. Diesen kann der Maschinenbauer direkt als Steuerungsprogramm für das eingesetzte Steuerungssystem verwenden.

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Fazit

Der Einsatz des Tools Grafcet-Studio in Verbindung mit dem Treiber Grafcet-Engine bietet sowohl für den Maschinenbauer als auch den Anlagenbetreiber Vorteile. Dabei werden auch Dinge ermöglicht, die bislang als kaum realisierbar galten. Dazu gehört z.B. die unkomplizierte Anlagenanpassung durch den Anlagenbetreiber selbst.

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