Wie modularisiert man erfolgreich ?

Mit der Varioline hat Krones (vgl. Kasten 1) ein hochflexibles Verpackungssystem im Programm, mit dem ein mehrstufiger Verpackungsprozess abgebildet werden kann. Das System ist, aus Sicht der Automatisierungstechnik, auf Basis der B&R-Automatisierungslösung Modular aufgebaut. Dieser modulare Aufbau hat zunächst den Vorteil, dass Krones besonders flexibel auf die jeweiligen Anforderungen der Kunden reagieren kann. Wie im Folgenden gezeigt wird ist die Modularität gleichzeitig aber auch die Antwort auf die Anforderungen hinsichtlich Time-To-Market, Bedienerführung und Qualität. Umstellung auf modulares Engineering Die Varioline-Serie (vgl. Kasten 2) ist so flexibel konstruiert, dass sie unterschiedliche Verpackungen wie Getränkekisten, 5-Liter-Dosen oder Over-Top-Open-Dosen (Kartons-Im-Kar­ton) verpacken kann. Damit wird die Maschinenlinie jedoch auch so komplex, dass bisherige Engineering-Konzepte zu starr gewesen wären. Etwa zwei Jahre hat das Team von Peter Graf, bei der Krones AG zuständig für das Hard- und Softwaredesign, an der Realisierung der Software der neuen Maschinengeneration Varioline gearbeitet. Seit 2010 wird die Maschine an Kunden ausgeliefert. Aus der praktischen Anwendung werden weitere Wünsche an die Maschinendesigner herangetragen: \“Die Integration von Verbesserungen oder die Beseitigung von Fehlern ist durch das modulare Maschinenkonzept heute viel einfacher\“, erläutert Graf die Vorteile der neuen Architektur. Das Maschinenkonzept Die Module der Varioline bestehen aus sogenannten Rahmenmodulen. Rahmenmodule können mit verschiedenen Funktionen (Einsetzen, Gruppieren, Beleimen, Umsetzen, Verschließen, Transportieren usw.) belegt werden. Jedes Modul hat eine Länge von 2,20m. Linienlängen von 10 bis 15 Metern Länge sind daher keine Seltenheit. Die auf den Bildern gezeigte Anlage hat eine Ausdehnung von 13,20m. Mit ihr können bis zu 40.000 Behälter pro Stunde verpackt werden. Funktionsweise der Maschine Die grundlegende Funktionsweise der Varioline beschreibt Peter Graf so: \“Im Grunde ist die Maschine eine einzige große, virtuelle Kurvenscheibe.\“ Das Bild der Kurvenscheibe passt tatsächlich sehr gut auf die Konzeption der Steuerungssoftware in der zentralen SPS. Ein Modul beeinflusst demzufolge lediglich die Form der Kurvenscheibe. Damit ist nicht nur gewährleistet, dass alle Module stets reibungslos ineinandergreifen. Auch der Wiederanlauf nach einer Sicherheitsabschaltung läuft in allen Modulen vollkommen synchron. Wie das funktioniert wollen wir im Folgenden zeigen. Anlagentopologie Diese \’große, virtuelle Kurvenscheibe\‘ basiert auf dem Automatisierungssystem von B&R. In der hier beschriebenen Anlage sind 88 Powerlink-Knoten im Einsatz, flankiert von 60 reellen Achsen sowie 100 SDC-Achsen. Die zentrale Steuerung der gesamten Anlage übernimmt ein hoch performanter APC620 von B&R. Via Powerlink kommuniziert er mit den angeschlossenen Modulen, die aus automatisierungstechnischer Sicht im Wesentlichen aus den Antriebsreglern Acopos sowie dezentralen IOs bestehen. Hier setzt Krones sowohl die X20-Komponenten im Schaltschrank als auch die IP67-Varianten von B&R direkt an der Maschine ein. Die Programmierung erfolgt im B&R-Automation Studio in Automation Basic, die Modellle für sämtliche Bahnberechnungen – auch die der Roboter – werden als C-Code in die Steuerung eingebunden, was die B&R-Controller von zu Hause aus können. Durch die Leistungsfähigkeit der zentralen B&R-Steuerung war es möglich, die Anwendung in einem einzigen zentralen Projekt zu realisieren. \“Unser Ziel, die gesamte Anwendung in einem einzigen Softwareprojekt umzusetzen, konnten wir durch die Leistungsfähigkeit der zentralen B&R-CPU realisieren\“, erläutert Peter Graf. Dabei sind die Anforderungen an die Rechenleistung enorm, denn anders als in vergleichbaren Projekten werden sämtliche Bahnverläufe von der zentralen Steuerung gerechnet. Eine sonst übliche Achs-zu-Achs-Kommunikation findet in der Anlage nicht statt. Dies bringt Vorteile, weil Bahnverläufe erst sehr spät und abhängig von Echtzeit-E/A-Werten berechnet werden müssen. So kann man innerhalb von Sekundenbruchteilen die Bahnverläufe ändern. Modulares Engineering Im Stromlaufplan der Elektro-CAD-Software sind sämtliche Varianten abgebildet. Auch das SPS-Programm enthält den gesamten Sourcecode aller Module. Mit der konkreten Auswahl der Module erzeugt das ECAD-System die Hardwarekonfiguration und die Achs-Zuordnungstabelle für das Automation Studio Projekt. Damit erfolgt eine wesentliche Automatisierung bei der Erstellung des Maschinenprogramms. Beim Hochlauf der SPS erfolgt automatisch die Konfiguration der Rahmenmodultypen. Die Rahmenmodulparameter, Achsparameter und Motorenparameter sind nicht Bestandteil des SPS-Source-Codes. Die saubere Trennung von Logik und Parametern sorgt dafür, dass das SPS-Programm immer gleich ist, auch wenn sich die individuellen Ausprägungen in den Parameterdaten von Maschine zu Maschine ändern. Robotikintegration Die Integration von Robotik hält Einzug in die Produkte von Krones. Einfach möglich wird das durch das Automatisierungssystem von B&R. In der Krones-Anwendung wird die Bahnberechnung für die Robotik durch die zentrale Steuerung durchgeführt. In der Varioline kommen auf Kundenwunsch gleich zwei kooperativ arbeitende Roboter zum Einsatz, um beispielsweise Gefache in Getränkekartons einzubringen: Während der eine Roboter ein zusammengefaltetes Gefache vom Stapel nimmt und bereithält, zieht es der zweite Roboter wie eine Zieharmonika auseinander. Gerade die kooperative Zusammenarbeit von Robotern stellt hohe Anforderungen an die Übertragungsleistung des Kommunikationssystems, insbesondere an die Synchronität der einzelnen Stationen. Dazu nutzt Krones das industrielle Ethernetprotokoll Powerlink. Es sorgt für Taktsynchrones Abarbeiten der Tasks im Mikrosekundenbereich. Weil durch das Zeitschlitzverfahren von Powerlink das gleichzeitige Senden verschiedener Geräte ausgeschlossen wird, ist die Anzahl von Teilnehmern, die im Netzwerk eingesetzt werden können, nicht begrenzt. Es sind die gleichen Topologien wie bei Fast Ethernet möglich, bei einer Segmentlänge von bis zu 100m und unter Verwendung von Kat. 5-Patchkabeln. Der Einsatz von Lichtleitern ist ebenfalls möglich. Simulation inklusive Durch die gewählte Automatisierungsstruktur, dass die Achsberechnungen zentral in der Steuerung erfolgen, ist es einfach möglich die Anwendung zu simulieren. Dazu werden die realen Achsen einfach durch virtuelle Achsen ersetzt. So ist es nicht nur möglich, das SPS-Programm zu testen, lange bevor der Maschinenbau zu arbeiten beginnt. Auch Fehler können so nachgestellt werden, Rezepte von Kunden offline getestet werden usw. \“In unserem Teststand haben wir einen APC620 mit dem original Bedienpult. Durch das B&R-Konzept der virtuellen Achsen können wir die Maschine komplett vortesten\“, erläutert Peter Graf. Für die I/Os der Werkzeuge, die in der Simulation fehlen, wurde einfach ein kleines Programm entwickelt, das die wenigen digitalen Ein- und Ausgänge der Anwendung nachstellt. Änderungen an der Software sind so sehr einfach zu testen. Auch zusätzliche Funktionalitäten – wie beispielsweise eine Produktverfolgung – konnten damit sehr einfach und vor allen Dingen viel schneller als sonst umgesetzt werden. Fazit Den größten Vorteil eines modularen Maschinenkonzeptes hat natürlich der Endanwender. Er kann die benötigten Funktionsmodule aus einem Baukasten so kombinieren, wie es für die eigenen Anforderungen optimal ist. Peter Graf formuliert das so: \“Ich halte die Varioline für die flexibelste Maschine, die wir im Krones Konzern haben. Der Aufwand der Modularisierung hat sich also auf jeden Fall gelohnt. Der Kunde profitiert von Anfang an von der hohen Flexibilität der Varioline. Der Return on Invest wächst für uns Automatisierer und wird mit der Zeit immer größer: Mit jeder Maschine werden wir schneller und reduzieren den Engineeringaufwand. Und das bei steigender Qualität und Flexibilität. Für uns ist das der richtige Weg.\“ Und noch einen weiteren gewichtigen Vorteil für die Zukunft sieht Graf in der Modularisierung: \“Niemand kann einem sagen, wie die nächste Generation von Verpackungsmaschinen aussehen wird. Mit unserem modularen Konzept können wir jeweils flexibel auf Anforderungen reagieren, die wir heute noch gar nicht kennen.\“ Kasten 1: Was die Varioline leistet Mit der Verpackungslinie Varioline bietet Krones eine flexible Lösung für mehrstufige Verpackungsprozesse insbesondere für Getränke. Je nach Ausprägung der Maschine können Erst-, Zweit- oder sogar Drittverpackungen erstellt werden. Lose Behälter wie Glasflaschen, PET-Behälter oder Dosen in Multipacks und/oder Multipacks in Kunststoffkästen, Karton-Faltschachteln oder Wrap-around-Kartons lassen sich verarbeiten. Zu den verarbeiteten Produkten gehören Bier, Alkoholfreie Getränke, Milch, Wein, Sekt, Spirituosen, Food, Chemie sowie Health Care. Bei der Vielfalt an zu verpackenden Produkten ist es leicht sich vorzustellen, dass es nicht nur eine umfangreiche Palette an Maschinen erfordert, sondern zudem noch eine hohe Variantenzahl innerhalb einer Maschinenlinie. Kasten 2: Die Krones AG Der Konzern mit Hauptsitz in Neutraubling plant, entwickelt und fertigt Maschinen und komplette Anlagen für die Bereiche Prozess-, Abfüll- und Verpackungstechnik sowie Intralogistik. Täglich werden Millionen von Flaschen, Dosen und Formbehältern mit Krones Anlagen verarbeitet; vor allem in Brauereien, der Soft-Drink-Branche sowie bei Wein-, Sekt- und Spirituosenherstellern, aber auch in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie sowie der chemischen, pharmazeutischen und kosmetischen Industrie. Weltweit beschäftigt das Unternehmen über 10.500 Mitarbeiter. Rund 90% der produzierten Maschinen gehen ins Ausland. Der Konzernumsatz 2010 betrug 2,173Mrd.E. Kasten 3: Anforderungen im internationalen Maschinenbau