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Whitepaper Die Zukunft der Maschinensteuerung

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Intelligent automation …

Intelligent automation
With the proliferation of electronics and software in machines, machine control systems are becoming increasingly complex. Where once only a power button had to be served, there are many motors, cylinders and sensors today. At the same time the need for precision and speed in controlling machines increases.
Which architecture can meet these challenges?

Which software platform paves best the way to a precise, faster and reliable machine control?

Please find answers to these questions and an interesting outlook on the machine control of the future here: www.sps-steuerungen.eu.

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  • 1. Intelligente Automatisierung Die Zukunft der Maschinensteuerung
  • 2. Die Zukunft der Maschinensteuerung Optimale Maschinensteuerung erhöht Gewinne für Kunden und Maschinenbauer: die 5 wichtigsten Punkte Maschinensteuerung von heute: präziser, schneller, betriebssicher Maschinen werden mit immer mehr Elektronik, Software und komplizierten Steuerungen ausgerüstet. Wo früher nur ein Ein-/Ausschalter bedient werden musste, kommen heute viele Motoren, Zylinder und Sensoren zum Einsatz. Es müssen mehr Ein- und Ausgänge gesteuert werden, weil mehr Sensoren und Aktuatoren vorhanden sind. Die Ein- und Ausgänge müssen genauer sein, damit die Sensoren und Aktuatoren präziser arbeiten können. Ein weiterer Präzisions-Faktor ist die Geschwindigkeit beim Auslesen und die Reaktionszeit auf diese neu ausgelesenen Werte. Die Zykluszeiten müssen immer schneller werden, um eine noch genauere und zuverlässigere Funktion zu garantieren, dabei spielt vor allem das Echtzeitverhalten der Zyklen eine wichtige Rolle. All diese Faktoren beeinflussen die Steuerung der Maschine.
  • 3. Auswahl der Marktkomponenten Das sind sehr viele neue Anforderungen an die Maschinensteuerung, und es wird immer komplizierter, derartige Steuerungen mit den richtigen Marktkomponenten zusammenzustellen. In Bezug auf die Steuerung, aber auch hinsichtlich der richtigen Ein- und Ausgangsmodule muss die richtige Wahl getroffen werden. Unter anderem müssen dafür die richtigen Ein- und Ausgangsmodule gewählt werden. Einige fordern eine hohe Genauigkeit, andere nicht. Dasselbe gilt für die Geschwindigkeit beim Auslesen und alle weiteren Einstellungen. Bei der Auswahl der marktverfügbaren Komponenten wird die Spezifikation der leistungsstärksten Ein-/Ausgänge zugrunde gelegt. Das wirkt sich meist negativ auf den Preis aus, da einzelne Ein-/Ausgänge überqualifiziert sind. Dasselbe gilt für die Geschwindigkeit der Steuerung. Es wird der Prozess mit der kürzesten Zykluszeit angestrebt. Die Zykluszeit ist häufig von der Programmgröße abhängig, was einen gewissen Spielraum erfordert. Auf dieser Grundlage wird die Geschwindigkeit der Steuerung ausgewählt. Das Resultat: die Kosten für Prozesse, die nicht so schnell ablaufen müssen, sind relativ hoch. Verschiedene Kommunikationsmöglichkeiten von großer Bedeutung Die kommunikativen Funktionen einer Maschinensteuerung werden immer wichtiger, da sie mit immer mehr Umgebungen kommunizieren muss. Eine Maschine erfordert, dass Einstellungen vorgenommen oder neu geladen werden müssen und das Produktionsdaten, Meldung von Störungen und Daten für die vorbeugende Wartung sicher übertragen werden – natürlich gehören auch Software- Updates dazu. Die Verwendung dieser Daten ist sehr unterschiedlich, da es verschiedene Nutzer gibt. Der Maschinenstatus wird vielleicht nur für die Maschinen in der Produktionslinie benötigt. Die Störungs-Meldungen, die den Service-Leiter und die Software erreichen, werden letztendlich von einer in- oder externen Software-Abteilung angepasst. Hierfür sind effiziente Kommunikationsmöglichkeiten notwendig. Die Steuerungen werden häufig mit verschiedenen Schnittstellenmodulen ausgerüstet, um diese Anforderungen zu erfüllen. Auch das verursacht wieder zusätzliche Kosten. Die Rolle des Human Machine Interface Von einer Aktualisierung der Maschinensteuerung ist auch die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) betroffen, die sich auf demselben Stand befinden muss wie die Schnittstelle, die der Anwender aktuell benutzt. Dafür ist eine Farbschnittstelle von Vorteil, welche durch Antippen oder Wischen und ggf. auch durch Tasten bedient werden kann. Auf dem Bildschirm müssen grafische Symbole vorhanden sein, deren Funktion auch ohne zusätzliche Beschriftung deutlich wird. So lässt sich z. B. der Status einer Maschine auf den ersten Blick erkennen. Dasselbe gilt für Standard-Störungsmeldungen, die der Anwender eigenständig beheben kann, ohne z. B. einen Techniker zu informieren.
  • 4. Ein Blick in die Zukunft der Maschinensteuerung Wenn eine Maschinensteuerung angepasst wird, ist es wichtig zu wissen, was künftig von ihr verlangt wird. Zu diesem Thema hat das Fraunhofer- Institut einen Bericht mit dem Titel „Industrie 4.0“ veröffentlicht. Dieser Bericht legt dar, in welche Richtung sich der Steuerungsmarkt entwickeln wird und was von künftigen Maschinensteuerungen verlangt wird. Kernaussage ist, dass wir anderen Ländern gegenüber immer einen Schritt voraus sein müssen, um unsere aktuelle Marktposition zu stärken. In „Industrie 4.0“ werden auch die Kommunikationsmöglichkeiten erörtert, mit denen Produktionsdaten mit anderen Maschinen der Produktionslinie geteilt und zugleich als Wartungs- und Verwaltungsdaten nach außen übertragen werden können. Dieser Aspekt ist sehr wichtig, da es einen kontinuierlichen Druck auf Preis, Zeit und Qualität gibt. Der Maschinenbauer muss in der Lage sein, Kunden eine neue Maschinengeneration anzubieten, die zu einer verbesserten betriebswirtschaftlichen Effizienz führt. Durch hohe Qualitätsstandards, sichere Maschinen und geringe Kosten kann dies erzielt werden. Eine spezifische Lösung für jede Maschine Es ist schwierig, auf dem Markt die richtigen Komponenten für eine optimale E/A-Konfiguration zu finden, die in gleichem Maße mit Schnelligkeit und Präzision überzeugen. Um zu verhindern, dass Geld für E/A-Module ausgegeben wird, die beispielsweise schneller und präziser arbeiten als erforderlich, ist eine maschinenspezifische Lösung eine gute Alternative. Dasselbe gilt für die optimale Geschwindigkeit der Steuerung, die passenden Kommunikationsmöglichkeiten und die richtige MMS. Eine maschinenspezifische Lösung kann nicht nur all diese Anforderungen erfüllen, sondern häufig auch zu niedrigeren Kosten realisiert werden. Passende Softwareplattformen Für die Software-Entwicklung muss zunächst eine Technologie-Auswahl vorgenommen werden. Derzeit stehen dafür verschiedene Software- Plattformen wie Windows Embedded, Android und Embedded Linux zur Verfügung. Diese Plattformen sind sehr unterschiedlich und erfordern verschiedene Kenntnisse. Zudem werden die Technologien sukzessive weiterentwickelt, d. h. die Kenntnisse von heute sind morgen schon wieder veraltet. Die Wahl der besten Software-Plattform und der Mikroprozessoren ist nicht einfach. Daher müssen maschinenbauspezifische Plattformen verwendet werden, die Firmen bereitstellen und auf dem Markt anbieten. Optimale Leistung Dazu muss eine Maschine serienmäßig hergestellt werden. Unter dem Begriff „Maschine“ verstehen wir alle Typen und Derivate einer bestimmten Maschine.
  • 5. Bei der Konfiguration einer maschinenspezifischen Steuerung werden die Module so ausgewählt, dass sowohl der einfachste als auch der komplizierteste Maschinentyp gebaut werden kann. Auf diese Weise kann die Maschinenleistung optimiert und die Bedienung exakt auf den Anwender abgestimmt werden. Gleichzeitig wird für die richtige Kommunikation mit anderen Maschinen und der Außenwelt gesorgt. Komponenten von maschinenspezifischer Steuerung Das funktioniert jedoch nur, wenn die maschinenspezifische Steuerung mit Bausteinen hergestellt werden kann. Wichtige Bausteine dafür sind ein Soft-SPS-Stack gemäß IEC61131-Standard, MMS-Schicht, MMS-Schnittstelle für Monochrom und Farbe, verschiedene Bildschirmgrößen, Tasten zum Antippen und Wischen, verschiedene Prozessorkerne bis hin zu Mehrkernprozessoren der Spitzenklasse und Kommunikationsmodule. Als Betriebssystem wird hier die lizenzfreie, offene Plattform Linux gewählt. Denn sie ermöglicht es dem Kunden oder Endkunden, Anwendungen hinzuzufügen. Diese Bausteine können wie folgt in einer globalen Architektur wiedergegeben werden. Soft-PLC Program (which include IO, LCD, Communication interfaces and keyboard access) Operating system (realtime) Linux, Android Microcontroller ARM, Single/multi core, OpenGL 2D/3D graphics Soft-PLC (IEC 61131-3) System Components (configurable) • Motion Control and PID functions • Machine vision & image processing • Custom specific protocols • Error logging / Alarm services • Remote monitoring and Diagnostics (Web based) • Software update Customer applications C++ / Python Analog IO Digital IO LCD Keyboard LEDs Wireless Connectivity Ethernet Profibus Profinet Modbus EtherCAT Intelligent Camera Interface Motion Controller Interface
  • 6. Mit Hilfe dieser Bausteine kann in sehr kurzer Zeit eine Steuerung erzielt werden, die eine maximale Maschinenleistung realisiert und die richtigen Kommunikationsmöglichkeiten bietet. Auf diese Weise kann die Maschine nicht nur mit anderen Maschinen in der Produktionslinie, sondern auch mit BackOffice-Anwendungen kommunizieren. Der Vorteil: verschiedene Maschinen in einer Produktionsumgebung können problemlos und effizient verwaltet werden. Sicht auf Daten Das Management dieser Maschinen umfasst die Produktionsdaten (produzierte Menge, Ausbalancieren der Maschinensteuerung, richtige Produktion etc.) und die Maschinenwartung. Eine Übersicht zeigt die Betriebsstunden und den eventuellen Teileverschleiß an. So werden Ausfallzeiten verhindert, die Wartungsabteilung arbeitet effizienter und schließlich kann der Endkunde viel Geld sparen. Die Zusammenarbeit zwischen Maschinensteuerung, Maschinendaten und einer BackOffice-Anwendung (auch End-zu-End- Anwendung genannt), ist die Grundvoraussetzung für eine optimale Funktionsweise. Dabei ist es von Vorteil, wenn alle Bestandteile von derselben Firma geliefert werden können. So erübrigen sich Diskussionen darüber, ob es an der Steuerung oder am BackOffice liegt, und auch bei Erweiterungen können Kosten eingespart werden. Das sorgt für eine bessere Qualität und eine höhere Effizienz. Dabei ist jedoch wichtig, dass umfassendes Fachwissen über die Maschinensteuerung und die BackOffice-Anwendung vorliegt – aus technischer Hinsicht grundverschiedene Welten. END USER Web Portal SERVICE CONTROL Web Portal BACKOFFICE Business Layer INTERNET SQL AZURE Configuartion Database Hystorical Data APPS Schematisch kann die End-zu-End-Anwendung wie folgt wiedergegeben werden.
  • 7. Langfristige Verfügbarkeit Erfolgsfaktor Liefergarantie. Maschinensteuerungen müssen langfristig verfügbar sein. Die Steuerung ist für den Anschein einer Maschine mitbestimmend. Bei einer Steuerung, die aus verschiedenen Marktkomponenten besteht, entsteht eine Abhängigkeit zu den einzelnen Lieferanten. Es muss sichergestellt werden, dass die Komponenten in gleichbleibender Qualität langfristig verfügbar sind. Zudem werden Änderungen an einem Modul häufig nicht gemeldet, wenn es noch dieselbe Funktionalität besitzt. Diese Änderungen können jedoch zu Problemen bei der Installation bestimmter Anlagen führen. Maschinenspezifische Steuerungen ermöglichen hier eine bessere Kontrolle. Ebenfalls ist es wichtig, dass der Lieferant der Steuerung, eine Liefergarantie für den gesamten Produktionszeitraum gibt. Denn falls ein Bauteil nicht mehr verfügbar ist, muss dieses durch ein gleichwertiges Teil ersetzt und die neue Konfiguration umfassend getestet werden, z.B. durch einen sogenannten Feldtest. Nur auf diesem Wege kann auf Komponentenebene umfassend kontrolliert werden, ob es Differenzen gibt und welche Tests jetzt erforderlich sind. In erster Linie muss sichergestellt werden, dass die Steuerung in exakt derselben Form verfügbar ist, solange der Maschinenproduzent dies wünscht. Zusammenfassung Zusammenfassend gibt das Fraunhofer-Institut mit dem Bericht „Industrie 4.0“ zu verstehen, dass wir der Konkurrenz nur einen Schritt voraus bleiben können, wenn wir neue Funktionen hinzufügen und vor allem die Möglichkeiten der heutigen Kommunikation voll ausschöpfen. Diese neuen Eigenschaften erfordern eine umfangreichere Maschinensteuerung und eine Kommunikation mit einem BackOffice. Die Herausforderung: alles muss zu einem geringeren Gesamtpreis machbar sein. Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung eines Maschinenbauers kann die Spezifikation einer Maschinensteuerung exakt bestimmen. Beschränkungen, die die auf dem Markt verfügbaren Komponenten diktieren, müssen dabei nicht mehr berücksichtigt werden. Jede R&D Abteilung eines Unternehmens kann individuell bestimmen, welche Komponenten für eine hochmoderne, zukunftssichere Maschine wirklich benötigt werden. Die 5 wichtigsten Punkte sind: 1. Richtige E/A-Konfiguration bzgl. Schnelligkeit, Menge, Präzision, lokal/fern 2. Optimale MMS für Anwendung 3. Standardisierung von Anwendungen und Unabhängigkeit bei Erweiterungen 4. Kommunikationsmöglichkeiten 5. Gesamtkosten
  • 8. Das Unternehmen ist seit über 36 Jahren im Bereich Industrielle Automatisierung aktiv. Die Spezialisierung über das Vertical Machine&Systems richtet sich speziell an den Maschinensteuerungsmarkt. Weitere Informationen Herr Arjan Kleiboer Tel: +316 270 873 32 Arjan.kleiboer@ict.nl

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