Von Lean Connectivity zu Lean Automation Das Automatisierungskonzept von Eaton

Die Trends im Maschinenbau verliefen davon nicht unbeeinflusst. Denn auch in diesem Bereich beschreibt \’lean\‘ den generellen Grundsatz, jede Art von Verschwendung aufzuzeigen und dabei kontinuierlich und konsequent jeden Prozess zu optimieren. Eaton bietet seit über 20 Jahren Lösungen für den Maschinenbau. In enger Zusammenarbeit mit Kunden hat das Unternehmen die Hauptthemen analysiert und folgende Trends im Maschinenbau identifiziert: 1. Energieeffizienz und Datentransparenz 2. Standardlösungen 3. Skalierbare Lösungen Neben der, in allen Bereichen notwendigen Energieeffizienz, geben die Maschinen- gleichwie die Safety-Richtlinien ein erstes, essentielles Ziel vor, das die Datentransparenz betrifft: Vom Sensor der einzelnen Maschine bis über das Automatisierungssystem ist Datentransparenz erforderlich. Als zweites Kernthema schält sich die Standardlösung heraus: Maschinenbauer konzentrieren sich auf die Faktoren Kostenreduktion, Leistungssteigerung und Mehrfunktionalität. Um dies zu erreichen, führen Standardlösungen nicht selten zu kundenspezifischen Lösungen. Ein \’Customized Design\‘ soll weitere Kosten sparen, was jedoch nur bei sehr großen Stückzahlen realisierbar ist. Das dritte markante und in die Zukunft weisende Kernthema ist die skalierbare Lösung: Die Angebotspalette eines Serienmaschinenherstellers besteht in der Regel aus einem Sortiment. Es reicht von einer kompakten Maschine über die Standardmaschine, dann der Universalmaschine bis hin zur hoch performanten Lösung und deckt letztlich alle Applikationen ab. Bilanzierend lauten die künftigen Schlagworte \’Automatisierung\‘ und \’Motion Control\‘, ausgelegt als skalierbare Lösungen mit offener Architektur. Auf Basis dieser Erkenntnisse und im partnerschaftlichen Austausch mit Kunden, entwickelte Eaton ein praxisorientiertes und zukunftsgerichtetes Automatisierungskonzept, das sowohl dem Serienmaschinenbau als auch dem Anlagenbau Vorteile bietet: \’Von Lean Connectivity zu Lean Automation\‘. Das Eaton-Automatisierungskonzept \’verschlankt\‘ Schaltschränke, vereinfacht die Verdrahtung, erhört die Datentransparenz, reduziert den Projektierungs- und Inbetriebnahmeaufwand, steigert die Performance und reduziert den Kostenbedarf. Außerdem steht das Konzept \’Von Lean Connectivity zu Lean Automation\‘ gleichbedeutend für weniger Fehlerquellen und mehr Flexibilität bei modularen Maschinenkonzepten. Es basiert auf zwei Kerntechnologien: SmartWire-DT und HMI/PLC. SmartWire-DT SmartWire-DT ist eine von Eaton entwickelte Technologie, die auf dem Grundgedanken der \’Lean Connectivity\‘ basiert. SmartWire-DT ist ein durchgängiges Verdrahtungs- und Kommunikationssystem – ob Schaltschrank, Maschine oder lokaler Verteilerkasten, die Verbindung und Kommunikation ist einheitlich gestaltet. SmartWire-DT ersetzt die Steuerverdrahtung in allen Komponenten vom Leistungsschalter über Motorstarter und Frequenzumrichter bis hin zu Befehls- und Meldegeräten sowie den Sensoren. Das System verdrahtet jedoch nicht nur intelligente Komponenten, es ist als offenes System angelegt, das heißt es erlaubt die Integration von 3rd-Party-Produkten. SmartWire-DT ist neben einem Verdrahtungs- auch ein ausgesprochen leistungsfähiges Kommunikationssystem. SmartWire-DT deckt – als wesentliches Merkmal – mit einer Anwendersoftware vielfältige Maschinen ab und zwar Maschinen mit unterschiedlichen Ausprägungen und Zusätzen, in all seinen reichhaltigen möglichen Varianten. Maschinenbauer können etwa Reserveplätze vorsehen und die einzelnen Komponenten dann vor Ort einbauen und verkabeln sowie die Maschine in Betrieb nehmen. SmartWire-DT reduziert den Montage- und Verdrahtungsaufwand erheblich. Auffallend im Schaltschrank ist die durchgehende grüne SmartWire-DT Leitung. Sie verbindet die erforderlichen Komponenten in kommunikativer Hinsicht. Außerdem entfällt mit SmartWire-DT die komplette Steuerstromverdrahtung – die entsprechende Versorgungsspannung stellt in der Regel eine einzige SmartWire-DT Leitung bereit. Auch konventionelle I/O-Baugruppen finden sich nicht, denn die I/O-Ebene ist bei SmartWire-DT direkt in den Schaltgeräten integriert, was Fehler ausschließt. SmartWire-DT besitzt dezentrale Intelligenz – der in jeder SmartWire-DT Komponente integrierte Asic ist eigentlich als lokale Steuerung ausgebildet. Er bildet das Kernstück und hat die Funktionalität, Steuerungsdaten aufzubereiten und für eine effiziente, performante Kommunikation zu sorgen. Eaton entwickelte SmartWire-DT bewusst nicht als proprietäres System, sondern als offene Technologie und bietet entsprechende Entwicklungskits, damit wird anderen Herstellern ein einfacher Einstieg ermöglicht, für die Integration ihrer eigenen Produkte in SmartWire-DT. HMI/PLC Die zweite Kerntechnologie ist die HMI/PLC. Dieser Ansatz führt die Visualisierung und die klassische SPS in einem Gerät zusammen. An dieser Kerntechnologie arbeitet Eaton seit vielen Jahren und optimiert sie kontinuierlich weiter. Heute ist Eaton bei einem kleinen 3,5-Zoll-Gerät angelangt, das die Steuerung, Visualisierung und Kommunikation komplett und vollwertig integriert. Diese Eigenentwicklung bildet die Basis für \’Lean Automation\‘. Die Eaton Gerätelinien reichen zwischenzeitlich von 3,5 bis 15\“ mit den Touch-Techniken Resistiv und Infrarot. Basierend auf Risc-Technologien setzen die Geräte auf das Microsoft Standardbetriebssystem WinCE und bieten vielfältige offene Kommunikationsoptionen. Offenheit ist hier das Motto und so können alle gängigen SPSen und Antriebssysteme in das System integriert werden. Eaton Geräte besitzen für Steuerung und Visualisierung ein einheitliches Softwarepaket. Das Unternehmen offeriert Flexibilität auch bei der Bedienkonsole, das heißt Kunden können – gleichsam als Visitenkarte ihrer Maschine – ihr Bedienfeld individuell selbst gestalten. Dies gilt sowohl für die Anordnung der Tasten oder der modularen Frontflächen. Jede Eaton HMI/PLC ist nicht nur ein Visualisierungs-, sondern auch ein Steuerungs- und Kommunikationsgerät. Entwicklungsphasen der Automatisierungsstruktur Jeder, der die Veränderungen von Automatisierungsstrukturen der letzten Jahrzehnte betrachtet, erkennt den Trend in Richtung \’Lean Automation\‘ deutlich. Anhand folgender charakteristischen Stufen lässt sich dieser Trend gut ersichtlich abbilden: Ursprüngliche Automatisierungsstruktur: HMI – zentrale SPS – Steuerverdrahtung: Eine in vielen Anwendungen zu findende Struktur basiert auf einer zentralen SPS, die die Maschine kontrolliert. Diese Automatisierungsstruktur ist allerdings personen- und arbeitsintensiv: Ein Produktionsleiter vor Ort liest die Produktionsdaten an der Maschine ab, hinzu kommt ein Maschinenführer und ein Mechaniker. Letzterer baut etwa für ein neues Rezept die komplette Maschine um. Klassischerweise gibt es ein mechanisches Getriebe, dann Kurvenscheiben, die mit einem Hauptantrieb gesteuert werden – all dies ausgerichtet für eine singuläre Produktion. Sobald die Produktion gewechselt werden soll, wird die Maschine in ein oder zwei Tagen umgebaut und kann dann wieder starten. Um die SPS herum befinden sich vielfältige lokale Verdrahtungen: Verdrahtungssysteme im Verteilerkasten, Sensoren an der Maschine, dazu parallel die Sicherheitsverdrahtung. In den 1980er Jahren war dies Standard und auch heute sind derartige Lösungskonzepte noch vorzufinden. 1. Automatisierungsstruktur Touchdisplay – zentrale SPS-Verdrahtung – Feldbus – Remote I/O: Durch den Einsatz von Touchdisplays und Remote I/Os entfallen aufwendige Verdrahtungen an die zentrale SPS. Das Touchdisplay bietet erstmals auch eine kommunikative Verbindung zu einem ERP-System. Ein Produktionsleiter vor Ort ist hier nicht mehr erforderlich, er kann nun aus der Ferne auf Maschinendaten zugreifen. Gemeinsam mit dem Feldbus ersetzen Remote I/Os die komplexe Maschinenverkabelung. Remote I/Os sind gleichsam Datensammler, die über einen Feldbus zusammengefasst sind. Derartige Architekturen sind heute zahlreich verbreitet. Sie integrieren beispielsweise auch Hydraulikventile. Mit anderen Worten: Jede Innovationsstufe integriert mehr Funktionen, etwa einen hydraulischen oder elektrischen Antrieb. Bedeutsam ist, dass nun erstmals Daten aus der Maschine zu einem übergeordneten System geführt und bereitgestellt werden. 2. Automatisierungsstruktur Touchdisplay – zentrale SPS-Verdrahtung – Feldbus – SmartWire-DT – Remote I/O: Diese Automatisierungsstruktur entspricht prinzipiell der vorher beschriebenen, jedoch mit dem besonderen Unterschied, dass durch den Einsatz von SmartWire-DT der Verdrahtungsaufwand für Befehls- und Meldegeräte, Motorstarter und Leistungsschalter deutlich reduziert wurde. So werden beispielsweise in einer SmartWire-DT Leitung Taster, Leuchtmelder und Schaltgeräte sowohl mit dem Betriebsstrom versorgt als auch in die Kommunikationsstruktur eingebunden. Aufgrund der übersichtlichen und einfachen Struktur verkürzt sich neben dem Verdrahtungsaufwand auch die Test- und Inbetriebnahmephase. Die Anbindung von SmartWire-DT erfolgt über Gateway an Profibus- oder CAN­open-Feldbussysteme. Im Vergleich zum gesamten Engineering wird der Aufwand im SmartWire-DT Strang deutlich reduziert. Weitere Komponenten wie Sensoren und Aktoren werden überwiegend über Remote I/Os an Feldbussysteme angebunden. 3. Automatisierungsstruktur HMI/PLC mit integriertem SmartWire-DT – Feldbus – Remote I/O: Die Touch-Display-Steuerung ersetzt die zentrale SPS. Lean Connectivity wird über das Verbindungs- und Kommunikationssystem SmartWire-DT realisiert. Ein Gateway zum Feldbus ist nicht mehr erforderlich, der SmartWire-DT Strang wird direkt an die HMI-PLC angeschlossen. Betriebsdaten der Motorabgänge, wie Motorstrom, thermische Motorauslastung, Schaltzustände und Ausgelöstmeldungen, wie Überlast, Kurzschluss und Phasenausfall werden über SmartWire-DT an die HMI/PLC übertragen. Servoantriebe, Frequenzumrichter und einige Sensoren werden über Standardfeldbusse in die Automatisierungsstruktur eingebunden. Elektrische und hydraulische Antriebe ersetzen die Mechanik und ermöglichen somit eine flexible Produktion ohne mechanisches Umrüsten. Der Maschinenführer wählt via Touchdisplay die Stückzahlen und Rezepte vor und die Maschine stellt sich automatisch um. Stillstands- gleichwie Umrüstzeiten gehören der Vergangenheit an. Diese komplette, vollautomatisierte Gesamtlösung ist bei Eaton bereits heute lieferbar. Die Vision – Lean Automation HMI/PLC – dezentrale Intelligenz mit SmartWire-DT: In der visionären Automatisierungsstruktur \’Lean Automation\‘ entfallen Remote I/Os und jegliche Signalverdrahtung zu Sensoren oder Aktoren. \’Lean Connectivity\‘ führt die SmartWire-Technologie direkt in die Geräte. Die Struktur besteht aus einer HMI/PLC mit integriertem SmartWire-DT und dezentralen intelligenten Komponenten. Ausgehend vom Display verbindet SmartWire-DT beispielsweise Taster, Leuchtmelder, Schaltgeräte bis hin zu den Sensoren. Auch Frequenzumrichter und Safety-Systeme sowie hydraulische und elektrische Antriebe sind über SmartWire-DT eingebunden. \’Lean Automation\‘ führt letztlich die Welt der Hydraulik und die Welt der Elektrik in der Automatisierung zusammen. Um diese Vision zu stärken, bietet Eaton die Technologie SmartWire-DT auch anderen Herstellern für die Integration ihrer eigenen Produkte in SmartWire-DT an. Hierzu erhalten diese ein Implementierungsset zur Entwicklung von SmartWire-DT Slave-Komponenten. Zusammenfassung Eine \’Lean Automation\‘ Lösung bestehend aus SmartWire-DT- und HMI/PLC-Technologie, \’verschlankt\‘ Schaltschränke, vereinfacht die Verdrahtung, erhöht die Datentransparenz, reduziert den Projektierungs- und Inbetriebnahmeaufwand, steigert die Performance und verringert den Kostenbedarf und ist letztlich gleichbedeutend für weniger Fehlerquellen und mehr Flexibilität bei modularen Maschinenkonzepten. Um diese signifikanten Vorteile auch wirtschaftlich transparent zu machen, hat Eaton eigens ein Softwaretool entwickelt, das unterschiedliche Automatisierungskonzepte mit der Eaton Lösung \’Von Lean Connectivity zu Lean Automation\‘ vergleicht. Kasten: Eaton feiert 100 Jahre Der diversifizierte Industriekonzern Eaton Corporation feiert dieses Jahr sein 100jähriges Bestehen: 1911 als kleiner Achsenbauer gegründet, hat sich Eaton zu einem globalen Unternehmen für Energiemanagement entwickelt. Als ein führender Anbieter von energieeffizienten Technologien hilft Eaton seinen Kunden dabei, Energie sicherer und sparsamer zu nutzen. \“Während der letzten 100 Jahre ist unser Unternehmen gewachsen und hat sich beträchtlich verändert – der Innovationsgeist und die Werte, die schon Gründer Joseph Eaton inspirierten, sind aber stets gleich geblieben\“, erklärte Alexander M. Cutler, Chairman und CEO von Eaton. \“Seine Investition in eine neue Idee im Transportwesen, den ersten Lkw-Achsantrieb, hat den Grundstein für unser Wachstum gelegt. Auf dieser Basis bauen wir auch heute als wertorientiertes, globales Unternehmen weiter auf.\“ Heute bedienen Eatons vier Geschäftssparten Electrical, Aerospace, Hydraulics und Vehicle zahlreiche globale Märkte: von der Luftfahrt über die Landwirtschaft, Bau- und Energiebranche bis hin zur Infrastruktur, dem Gesundheitswesen und vielen mehr. Mit Kunden in über 150 Ländern generiert Eaton mehr als 55% seines Umsatzes außerhalb der Vereinigten Staaten. \“Wir feiern das 100. Jubiläum unseres Unternehmens – diese Tradition der Innovation und Expertise ist das Fundament für alle Eaton Mitarbeiter rund um den Globus\“, erklärte Cutler. \“Wir freuen uns darauf, unsere wichtigsten Technologien weiter voranzutreiben. Das wird unseren Kunden weltweit dabei helfen, mit den steigenden Energiekosten fertig zu werden und einige der größten globalen Herausforderungen des Energiemanagements anzugehen.\“ Als Spezialist für Energiemanagement erzielte die Eaton Corporation im Jahr 2010 Umsätze in Höhe von 13,7 Milliarden US-Dollar. Das Unternehmen zählt weltweit zu den Technologieführern im Bereich elektrischer Systeme für sichere Stromversorgung, -verteilung und -steuerung. Die Produktpalette umfasst darüber hinaus Systeme und Dienstleistungen für Industrie- und Mobilhydraulik sowie Kraftstoffversorgungs-, Hydraulik- und Pneumatik-Systeme für die Luftfahrtindustrie. Das Unternehmen entwickelt zudem energiesparende und sichere Antriebssysteme für die Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie. Eaton beschäftigt etwa 70.000 Mitarbeiter und beliefert Kunden in mehr als 150 Ländern.