Ein entscheidendes Kriterium für die Investition in Maschinen oder Anlagen ist deren Zukunftsfähigkeit. Maschinen sind vor allem dann zukunftsfähig, wenn sie sich flexibel erweitern lassen, integrierte Technologien ihre Verfügbarkeit steigern, Systeme um zusätzliche Peripherie-Bestandteile ergänzt werden können und sie „offen sind“ für unterschiedliche zusätzliche Komponenten. Der Trend zur Modularisierung im Maschinenbau kann diesen Anforderungen sehr gut gerecht werden.
Bei konventionellen Anlagen, vor allem mit zentralen Maschinenarchitekturen muss die Programmierung bei einer Funktionsänderung oder Erweiterung komplett überarbeitet werden. Derartige Erweiterungen sind aber notwendig, um auf Kundenanforderungen flexibel und schnell reagieren zu können. Hilfreich ist dabei ein dezentraler Aufbau, also ein Aufbau in logischen Einheiten. Dieser setzt wiederum die sinnvolle Modularisierung einer Maschine voraus. Allerdings mangelt es in vielen Branchen noch an entsprechendem Know-how und Erfahrung, um solche Lösungen realisieren zu können. Vor allem die Anpassung von Software an modulare Konzepte stellt nicht selten ein großes Problem dar.
Praxisbeispiel Spritzgussmaschine
Vielfach sind dezentrale Architekturen jedoch der Schlüssel zu einem sehr flexiblen Systemaufbau. Wird eine Maschine in mechatronische Einheiten zerlegt, so lassen sich mit geringem Aufwand Software-Templates für diese Funktionseinheiten programmieren. Der Umfang der Zerlegung in mechatronische Einheiten kann dabei je nach Maschinentyp variieren. Am Beispiel einer Spritzgussmaschine soll das Prinzip erläutert werden.
Im Spritzgussverfahren werden Kunstoff-Formteile wie etwa Handy-Cover hergestellt. Bis zu sechs elektrische Achsen werden hierbei innerhalb einer Maschine betrieben. Die gewünschte Produktform entsteht, indem der flüssige Kunststoff über eine Schnecke in ein Negativ-Teil eingespritzt wird. Verschiedene Bewegungsabläufe der Maschine können in folgenden Prozessabschnitten zusammengefasst werden: Der Einspritzprozess besteht aus dem Plastifizieren und Einspritzen des Materials in die Form. Das Schließen der Form und die Formhöhenverstellung sind mit einer einzigen Bewegungsdefinition möglich. Nach dem Aushärten wird das fertige Teil ausgeworfen. Bei einer Spitzgussmaschine ist die Unterteilung in Module wie Einspritzeinheit, Schließeinheit, Anfahreinheit sowie in Kernzüge und Kernheber sinnvoll. Werden diese mechatronischen Module jeweils in einem eigenen Software-Template abgebildet, so lassen sich zahlreiche Varianten erzeugen, um beispielsweise Rundtakt oder Transfertaktmaschinen zu realisieren. Es entsteht ein modulares Baukastensystem, mit dessen Hilfe sich Maschinen je nach Fertigungsprozess und Kundenwunsch maßgeschneidert zusammenstellen lassen. Dabei müssen die Funktionseinheiten für die Steuerungstechnik sinnvoll gebündelt werden. Fasst man Motoren, Gebersystem, Drucksensor und mögliche Endschalter – also die Mechanik samt Steuerung – im Schaltschrank zusammen, so entsteht bereits eine mechatronische Einheit, für die jetzt mit vergleichsweise geringem Aufwand nur noch eine Software-Lösung geschrieben werden muss. Archiviert in Bibliotheken stehen dabei einzelne Bewegungszyklen als vorgefertigte Templates jederzeit zur Wiederverwendung bereit.
Bewegungszyklen als Software-Blöcke
Um eine Maschine modular aufzubauen, muss zum einen ihre Mechanik in mechatronische Einheiten zerlegt werden. Erleichtert wird dies durch dezentrale oder modulare Hardware, die inzwischen für viele Anwendungen zur Verfügung steht. Zum anderen muss auch die Modularisierung der dazugehörigen Software erfolgen. Prinzipiell ist es möglich, jeden maschinellen Bewegungszyklus als Grundstruktur in Software-Blöcken abzubilden, die anschließend einer Funktionseinheit zugeordnet werden. Eine solche Funktionseinheit verfügt über ein Auftrags-, ein Sicherheits- und ein Ausführungsmodul sowie über eine Eingangs-/Ausgangs-Zuordnungsliste. Der Engineering-Aufwand zur Erstellung eines neuen Moduls fällt dabei minimal aus, da die Struktur bereits vorgegeben ist.
Das Auftragsmodul (Jobsender) gibt dem Ausführungsmodul (Jobempfänger) eine Funktion vor, die letztgenanntes Modul ausführen und zurückmelden soll. Wird der Job erfolgreich erledigt und zurückgemeldet, so kann der nächste Auftrag erfolgen. Andernfalls wird eine Fehlermeldung erzeugt. Das Sicherheitsmodul überwacht dabei permanent den Ist- und Sollzustand der Maschine. Eine Hauptsteuerung enthält – übergeordnet zu den Funktionseinheiten – die globale Steuerungskonfiguration. Bestandteile dieser Konfiguration sind ein Auftragszentrum und eine Sicherheitsüberwachung. Das Auftragszentrum regelt tabellarisch und mehrdimensional noch ausstehende Aufgaben. Die Sicherheitsüberwachung überprüft auf dieselbe Weise, ob eine Bewegung ausgeführt werden darf. Hierzu werden bestimmte Bedingungen abgefragt, beispielsweise ob alle sicherheitsrelevanten Türen geschlossen sind. Eine weitere übergeordnete Ebene ist der Konfigurationsteil. Hier werden die quantitativen Daten und an der Maschine vorhandene Funktionsgruppen (Optionen) vom Anwender in einer Liste hinterlegt. Manuell lässt sich die Liste um diverse Funktionseinheiten ergänzen. Bei jedem Start der Maschine wird diese Aufstellung durchlaufen und dabei überprüft, ob beispielsweise neue Funktionen integriert wurden. Anschließend fällt die Entscheidung, ob ein Ausführungsmodul vom Auftragsmodul angesprochen wird. Auf der Konfigurationsebene werden die zuvor ausgearbeiteten Templates eingefügt. Die früher bei jeder einzelnen Änderung notwendige, komplett neue globale und somit sehr aufwendige Programmierung entfällt. Gleichzeitig reduziert sich auch der Pflegeaufwand für die Software deutlich: Wiederverwendbarkeit und Hardware-Unabhängigkeit der Programm-Modelle lassen den Engineering-Aufwand deutlich sinken. Zudem bringen die erheblich flexibleren Konfigurationseinheiten einen wesentlichen Vorteil: Durch eine simple Änderung der Konfigurationsliste kann flexibel auf veränderte Kundenanforderungen reagiert werden. Alle notwendigen Ausführungsmodule sind im Softwarestand hinterlegt. Durch die flexible Eingangs-/Ausgangs-Zuordnung können die Module sehr einfach und wirtschaftlich angeknüpft werden. Dies ist nicht zuletzt für die Modularisierung der Eingangs-/Ausgangs-Zuordnung und damit für die Verdrahtung sowie für den modularen Schaltschrankbau von großer Bedeutung.
Zusammenfassung
An Stelle von Standardprodukten verlangt der Markt heute in hohem Maße individuelle Lösungen. Sowohl Maschinenbauer als auch Automatisierungspartner müssen sich in diesem Spannungsfeld behaupten. Dezentrale Maschinen, die in Module zerlegt werden und in entsprechenden Software-Bausteinen abgebildet werden können, erhöhen die Flexibilität der Lösungen und steigern gleichzeitig die Individualität. Zudem erhöht die Wiederverwendung erprobter, stabiler Bausteine die Planungssicherheit und verkürzt die Zeit für die Inbetriebnahme. Durch Reduzierung der Komplexität erhöht sich die Verwendbarkeit von Maschinen. Ein weiterer Vorteil des modularen Konzeptes ist die höhere Verfügbarkeit der Anlage: Auch wenn ein einzelnes Maschinenmodul zu Wartungszwecken aus dem Fertigungsprozess genommen werden muss, bleibt die Gesamtanlage produktiv. Aufträge, für die das betroffene Modul nicht benötigt wird, können so weiter abgearbeitet werden. Dadurch lässt sich der Wartungsaufwand auf ein Minimum reduzieren.
Durch den modularen Aufbau von Maschinen und Anlagen profitieren sowohl der Hersteller als auch Kunden: Der Hersteller kann flexibel auf die Kundenanforderungen reagieren sowie Applikationen entsprechend konfigurieren und zusammenstellen. Gleichzeitig erhält der Anwender Anlagen, die optimal auf seine aktuellen Bedürfnisse zugeschnitten sind. Zudem hat er die Möglichkeit, kurzfristig auf Marktanforderungen zu reagieren.
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