27.05.2014

Maschinen-Automation 4.0

Im weltweiten Wettbewerb um eine führende Stellung in der Wirtschaft ist Innovation die beste Strategie. Die produzierende Industrie ist dabei die Basis für den wirtschaftlichen Erfolg von Industrienationen wie Deutschland. Dies bedeutet, dass genau hier angesetzt werden muss, um die erworbene Spitzenstellung zu halten und weiter auszubauen.

Autor: Dipl.-Ing Andreas Kling, Keba Industrial Automation Germany GmbH.


Bild 1: Moderne Systeme integrieren viele Automatisierungs- und Antriebsfunktionen und sorgen so für Vereinfachung und schaffen Platz im Schaltschrankbild.
Bild: LTi Drives GmbH

Die immer kürzeren Innovationszyklen innerhalb der Produktionstechnik und der kontinuierlich steigende Bedarf an Flexibilität in der Fertigung lassen Ingenieure nach innovativen Lösungen suchen. Der sicher wichtigste Wandel baut auf der zunehmenden Durchdringung von Fabriken durch das Internet und damit verbundenen Kommunikationstechnologien auf. Frühzeitiges Erkennen dieses Trends und die Ausrichtung neuer Produkte, gemäß der zukünftigen Bedürfnisse der Maschinen- und Anlagenbauer, sind von größter Bedeutung für die Zulieferer der produzierenden Industrie. Nur Produktionsanlagen und Fabrikstrukturen, die in der Lage sind, den hoch flexiblen Änderungen von Produkten und Prozessen mit gleichbleibender Qualität zu folgen, werden den zukünftigen wirtschaftlichen Erfolg unterstützen. Die Wirtschaft steht damit vor der Stufe zur nächsten, der vierten, industriellen Revolution. Das Zukunftsprojekt 'Industrie 4.0' greift genau diese Themen auf, weist auf die nötigen Veränderungen hin und fördert die Industrie in der Entwicklung intelligenter Prozesse und Wertschöpfungsketten. Ziel ist es, die intelligente Fabrik (Smart Factory), die sich durch Anpassungsfähigkeit, Effizienz und Unterstützung der Menschen bei ihrer komplexen Tätigkeit auszeichnet, zu stärken. Fertigungsstrukturen sind oftmals sehr komplex. Es gibt viele Ansatzpunkte und Ebenen, auf die diese industrielle Revolution Einfluss nehmen kann. Von unternehmensübergreifender Produktionslogistik über intelligentes Monitoring bis hin zur Mensch-Maschine-Integration bestehen auf Grundlage der verfügbaren Vernetzbarkeit Optimierungsmöglichkeiten, um eine Steigerung der Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit gerade bei Hochlohnländern zu erreichen. Die eigenen Möglichkeiten muss jeder Betreiber einer Produktionsfabrik für sich selbst bewerten. Bei der Umsetzung ist er allerdings auf die Innovation seiner Lieferanten von Kernkomponenten seiner Produktionsanlage oder -maschine angewiesen. Betrachtet man z.B. die einzelne Maschine innerhalb einer Produktionshalle, ist schon diese dezentrale Automatisierungslösung ein Baustein im Vernetzungssystem des Unternehmens.

Maschinenautomatisierung als Baustein im Vernetzungskonzept

Produktionsmaschinen haben immer etwas mit Maschinensteuerung und Bewegung zu tun. Bewegung innerhalb von Maschinen kann auf vielfältige Weise erzeugt werden: von pneumatischen oder hydraulischen Systemen, aber auch von elektrischer Antriebstechnik. In vielen Fällen bietet die elektrische Antriebstechnik nicht nur eine leicht an die Produktionsprozesse anpassbare, sondern auch eine wirtschaftliche und energieeffiziente Lösung. Automations- und Antriebslösung bilden heute in Maschinen eine stark verzahnte Einheit, die maßgeblich am Nutzen für den Betreiber beteiligt ist. Die fortschreitende Vernetzung durch Internettechnologien bietet heute die Grundlage, durch alle Ebenen der Vernetzung bis zu einem beliebigen Aktor innerhalb einer Produktionsmaschine durchzugreifen. Auch moderne elektrische Automatisierungssysteme werden hier miteinbezogen. Flexibilität, Qualität und Effizienz von Produktionsabläufen lassen sich immens steigern, wenn die in Produktionsmaschinen eingesetzte Automationslösung in der Lage ist, nicht nur die lokalen Prozesse zu beherrschen, sondern auch mit überlagerten Systemen einfach und flexibel zu kommunizieren.

Produktionsprozesse im Griff

Auf Maschinenebene ist es wichtig, Produktumstellungen automatisiert, das heißt ohne Eingriff eines Maschinenbedieners, schnell über eine Leitebene gesteuert durchführen zu können. Standardisierte Ethernet-Kommunikation bildet auf dieser Prozessebene die Basis. Über den Status der Fertigstellung des Produktionsauftrages oder anstehende Probleme innerhalb der Maschine wird die übergeordnete Logistik auf dem gleichen Weg informiert und kann somit die Ausnutzung verschiedener Maschinen optimal steuern.

Kommunikation ohne Grenzen

Automatisierungssysteme für Maschinenlösungen benötigen Technologiefunktionen für Bewegungsführung, IEC61131-Kompatibilität und Flexibilität beim Einbinden von herstellerspezifischem Know-how. Die Maschinensteuerung soll standardisierte Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle bieten, denn sie sind der Schlüssel zu Kommunikationsebenen innerhalb einer Fertigungsstruktur. Eine moderne Maschinenautomationslösung wie SystemOne CM muss sich als dezentrale intelligente Insel integrieren lassen. Typische Leitebenen-Kommunikation läuft über Ethernet-basierte Schnittstellen, wie TCP/IP, Profinet, Ethernet/IP etc., Dienste wie OPC- oder FTP-Server bieten die Möglichkeit einfach und effizient Systeme über standardisierte Kommunikationsdienste miteinander zu verbinden. Maschinenintern sind Bussysteme wie Ethercat, sercos, Profinet oder Modbus für das Handling von Sensoren und Aktoren wichtig, um die hier notwendige echtzeitfähige Datenübertragung, z.B. zur Bewegungssteuerung der Antriebe, zu gewährleisten. Mit SystemOne CM bietet LTi eine Automatisierungslösung, deren integrierte, Linux-basierte Codesys-Steuerung trotz der extrem kompakten Bauweise diese Voraussetzungen erfüllt.

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Blick in die Maschine

Innerhalb der intelligenten Fabrik gibt es natürlich nicht nur den Top-down-Informationsfluss zur Produktionssteuerung. Durch eine kontinuierliche Diagnose innerhalb einer Maschine oder Fertigungszelle hat der Betreiber die Möglichkeit, sich anbahnende Probleme frühzeitig, also vor kostenintensivem Anhalten eines Prozesses oder gar einem Defekt, zu erkennen und Maßnahmen einzuleiten. Flexibilität muss auch hier gegeben sein. Ein Maschinenbediener vor Ort benötigt unter Umständen mehr detaillierte Informationen zu der von ihm betreuten Maschine. Automatisierungslösungen bieten dazu die Möglichkeit über lokale, fest installierte oder mobile Visualisierungen, nutzerspezifische Daten anzuzeigen. Durch Ethernet-basierten Remote-Zugriff auf die lokale Visualisierung der Maschine kann der Bediener sich diese Informationen auch in der Leitstelle holen. Sollte es doch einmal zu einem Ausfall einer Komponente der Maschinen-Automatisierungslösung kommen, spart eine durchdachte Servicestrategie Zeit und Geld. Neben einer detaillierten Diagnose zur Ortung der defekten Komponente spielt die Unterstützung beim Austausch eine wichtige Rolle, da die schnelle Verfügbarkeit der Produktionseinheit gewährleistet werden muss. Auch hier hilft das Konzept der Smart Factory. Eine zentrale Datenhaltung innerhalb der Fertigungszelle kürzt die Zeit zum Austausch, z.B. eines Antriebsreglers, immens ab. Moderne Systeme benötigen dazu keinen speziell ausgebildeten Servicetechniker.

Integrierte Systeme

Ein Horrorszenario für Maschinenbetreiber und -bauer ist sicher der Gedanke, wie er all diese unterschiedlichen Komponenten mit diversen Kommunikationstechnologien zu einer vernetzten Einheit verbinden soll. Hier helfen bereits integrierte Systemlösungen weiter. Eine Kombination aus Maschinensteuerung und Antriebseinheiten optimiert nicht nur Inbetriebnahme- und Servicezeiten, sondern unterstützt auch noch automatisch eine komfortable Datenanbindung innerhalb der intelligenten Fabrik. Integration ist auch im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit von Produktionsanlagen ein wichtiger Punkt. Je weniger Platz eine Maschine oder Produktionseinheit benötigt, desto wirtschaftlicher ist die Gesamtanlage für den Betreiber. Zukunftsträchtige Automatisierungssysteme wie SystemOne CM von LTi unterstützen nicht nur diese Anforderung. Marktstudien zeigen, dass Maschinenlösungen im Mittel ca. sechs Antriebsachsen in einem typischen Leistungsbereich von 0,5 bis 7,5kW benötigen. Ausgehend von dieser Information ist die optimale Lösung für eine Produktionsmaschine ein Mehrachssystem. Neben der Platzersparnis, der Energieeffizienz und der Möglichkeit seine Automatisierungslösung in das Vernetzungssystem des Betreibers integrieren zu können, sind jedoch auch Normen wie die Maschinenrichtlinie für den Maschinenhersteller nicht zu umgehen. Ein immer wichtiger werdender Aspekt ist die Sicherheitstechnik. Maschinenbediener und auch die Maschine selbst müssen immer besser vor Schaden bewahrt werden. Das Aussperren des Bedieners aus Fertigungszellen durch Schutzzäune steht nicht nur im Gegensatz zum Platzbedarf einer Maschine, sondern reduziert auch noch die geforderte Flexibilität im Produktionsprozess. Integrierte funktionale Sicherheit mit Bewegungs- und Raumüberwachung sollten deshalb heute in Automatisierungskonzepten für Maschinenbauer nicht mehr fehlen.

Fazit

Antriebstechnik aus dem Blickwinkel der Entwicklungen zu Industrie 4.0 integriert sich immer tiefer in Systemlösungen zur Maschinenautomation und unterstützt damit Maschinenhersteller in der Umsetzung von Maschinenrichtlinie und die Einbindung in Vernetzungskonzepte. Anspruchsvolle Regelungstechnik, kompakte Bauweise, Unterstützung flexibler MotionControl-Technologieplattformen und integrierte sichere Bewegungsüberwachung erlauben den Einsatz in anspruchsvollen Produktionsmaschinen.

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