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Ein zukunftsweisendes Engineering muss die Stationen im Lebenszyklus einer Maschine abbilden. Bild: Baumüller
Modularisierung & Security

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Engineering im 4.0-Zeitalter

Text: Markus Jaksch, Baumüller
Maschinen- und Anlagenbauer werden mit einer Vielzahl von Anforderungen konfrontiert, sodass sie ihre Prozesse aus den Augen verlieren könnten. Mit zukunftsweisenden Engineering-Tools lässt sich jedoch der Blick für das Wesentliche behalten und vieles leichter erledigen.

Die Anforderungen des Maschinen- und Anlagenbaus sind komplex und unterschiedlich zugleich. Die Integration mechatronischer Gesamtsysteme, die Anbindung herstellerspezifischer Devices an ein Feldbussystem, die damit verbundenen Problematiken der unterschiedlichen Kommunikationsmechanismen, die Öffnung nach draußen durch Methoden zur Datenaufbereitung für ERP-Systeme oder die Visualisierung und Bereitstellung von Daten durch Web-Technologien in der Cloud sind Themen, die den Maschinenbau daran hindern, sich um das Wichtigste zu kümmern: seinen Prozess. Abhilfe können hier umfassende Engineering-Tools wie das Framework ProMaster von Baumüller schaffen.

Anforderungen an Engineering-Tools

Zum einen steht das intuitive Bedienen im Vordergrund. Durch Drag&Drop müssen mechatronische Elemente über eine graphische Konfiguration aus einer katalogisierten Auswahl integriert werden können, sodass der Anwender eine klare Übersicht über seine Maschinentopologie erhält. Zum anderen ist im gesamten Engineering-Prozess über alle Disziplinen erforderlich, Parametrierdaten aus möglichst wenigen Eingabedaten generisch zu erstellen. Dieses Autotuning verhindert durch integrierte Regeln und Algorithmen Fehler.

Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Engineering-Tools ist ein mechatronisches Bibliothekskonzept, welches in Bibliotheken und Katalogen verwaltet werden kann und Konfigurationen, Hardware- und Softwarekomponenten, Maschinen und Maschinenmodule enthält. Dadurch ergibt sich Wiederverwendbarkeit in nahezu jeder beliebigen Granularität. Eine zentrale Bedeutung kommt standardisierten Softwarestrukturen zu, die für eine „lesbare“ Automatisierungssoftware sorgen und somit den Aufwand für Softwarepflege und Wartung minimiert. Kurze Einarbeitungszeiten und eine verringerte Ressourcenabhängigkeit sind die Vorteile.

Engineering mit vorprogrammierten Modulen

Aus Sicht des Maschinenbaus müssen die Prozessschritte Maschinenkonfiguration, Parametrierung, Programmierung von Funktionen und Sicherheitstechnik sowie die Visualisierung integraler Bestandteil von Engineering-Tools sein. Vorprogrammierte Technologiemodule und Softwarebibliotheken nach Motion Control und Advanced Motion erhöhen die Wiederverwendbarkeit und Softwarequalität. Ausschlaggebend für maximale Projektqualität und geringe Fehlerwahrscheinlichkeit ist die Datendurchgängigkeit auf Grundlage einer gemeinsamen Datenbasis. Durch Simulationstechniken können zudem Softwarefunktionen auf Fehlerfreiheit geprüft und damit Inbetriebnahmezeiten gesenkt werden. Weiterhin ist die Diagnosefähigkeit durch ein integriertes Diagnosekonzept, lösungsorientierte Debug-Funktionalität und Echtzeitoszilloskop von Bedeutung. Das verringert nicht nur den Aufwand bei Inbetriebnahme und Fehlersuche, sondern ermöglicht die Wartung von Maschinen über den gesamten Lebenszyklus.

Engineering-Tools müssen im Kontext zum Lebenszyklus einer Maschine stehen. Dieser beinhaltet das Erstellen der mechanischen und elektrischen Unterlagen und die daraus gewonnenen Informationen zu Geräte- und Bauteilbibliotheken. Die Interkonnektivität wird durch eine zentrale Datenbasis auf XML-Standards aufgebaut. Durch Technologiebibliotheken werden Funktionen einer Maschine beschrieben und es ist möglich, die Maschinentopologie generisch zu erstellen. Mit der so entstandenen Systemstruktur lässt sich die Maschine aus Sicht der verwendeten Technologie übersichtlich und zukunftssicher darstellen. Ein weiterer Punkt im Lebenszyklus einer Maschine ist die einfache Erweiterbarkeit auf Basis eines Variantenhandlings, um schnell und sicher auf die Anforderungen von unterschiedlichen Maschinentypen einzugehen. Maschinenbauer wünschen sich nach Umfrage des VDMA eine Verbesserung der Schnittstellen zwischen CAD-Systemen und Engineering-Tools. Hier bedarf es einer gemeinsamen Datenbasis aus mechanischen sowie elektrischen CAD-Daten und der Verwertung dieser Informationen im Engineering-Tool, beziehungsweise der SPS. Durch standardisierte Schnittstellen erwarten sich die Maschinenbauer eine Einsparung bis über 10 Prozent (Quelle: Engineering Datenaustausch Mechanik – Elektrik – Software VDMA EHB 66415).

Konzepte zur Modularisierung von Maschinen

Automatisierungs-Software muss ohne funktionelle Systemkenntnisse realisierbar sein, der Prozess muss im Vordergrund stehen. Die Grundlage für eine flexible Maschinenstruktur bilden Bibliothekskonzepte, die die eigentliche Applikation in den Vordergrund stellen. Ausgangspunkt ist die Programmierung nach IEC 61131-3. So entstehen Funktionsbausteine nach Motion Control, die wiederverwendbar sind und die Grundlage für Technologiemodule bilden. Durch das Bereitstellen von Technologiebausteinen lassen sich komplette Vorlagen (Templates) für Prozesse ableiten, die den Anwender in die Lage versetzen, seine Maschine mit geringen Initialkosten zu erstellen. Eine integrierte Sicherheitsbibliothek ermöglicht eine kostengünstige Gesamtlösung gemäß der Maschinenrichtlinie. Das Engineering Tool muss anstatt hardwarebezogener Programmierung technologieorientierte Parametrierung ermöglichen.

Maschinenvarianten müssen sich projektübergreifend erstellen lassen, das heißt, die erforderlichen Daten die für die Ausführung der Maschine relevant sind, müssen in nur einem Grundprojekt zur Verfügung stehen. Damit versetzen sie den Anwender in die Lage, schnell und kostengünstig weitere Varianten einer Serienmaschine abzuleiten. Hierzu muss die Funktion von Hardware klar getrennt werden. Es macht dabei keinen Unterschied, ob der Anwender verschiedene Gerätetypen oder erweiterte Peripherie einsetzt. Smarte Produkte und Produktionslinien sind durch die Entwicklung flexibler Fertigungszellen möglich. Hier stehen kurze Umrüstzeiten im Vordergrund, aus „Plug-and-Play“ wird „Plug-and-Produce“. Das Loggen von Daten im Echtzeitbetrieb ist eine wesentliche Anforderung, um Fehlerdiagnose zu ermöglichen. Die Integration von Methoden, wie zum Beispiel ein globales Oszilloskop, eröffnet die Möglichkeit, prozessrelevante Daten zeitdiskret aufzuzeichnen und darzustellen. Dies können prozessorientierte Daten sein oder Signale dezentraler Sensor-/Aktorboxen.

Umgang mit Daten

Engineering-Tools müssen zukunftssicher sein. Eine zentrale Datenhaltung über eine gemeinsame Datenbank stellt Maschinendaten, sowie Software- und Firmwarestände bereit, die über ein internes Filesystem gespeichert werden. Das Ausführen der notwendigen Downloads erfolgt über Systemfunktionen oder Funktionen nach IEC 61131 gemäß den Bedürfnissen. Ziel ist der automatisierte Download von Datensätzen und Firmware von zentraler Stelle. Ein Automatismus sorgt zudem dafür, dass die Daten einer Maschine automatisiert ausgelesen werden und über ein Log-File zur Verfügung stehen.

Big Data, die Bereitstellung vieler und vor allem auch komplexer Daten und deren intelligente Verarbeitung in vertikaler wie horizontaler Richtung ist ein wesentlicher Aspekt zukunftsweisender Automatisierung. Mit Cloud Computing werden die Daten aus den unterschiedlichen Bereichen eines Unternehmens, beispielsweise Marketing, Vertrieb, Produktion und Service selektiert und stehen immer aktualisiert zur Verfügung. Die Auslagerung einer hardwarebasierten Automatisierungslösung in eine virtuelle Systemlösung in der Cloud ist theoretisch möglich, allerdings bei der derzeitigen Infrastruktur bei weitem noch nicht optimal.

Security wird wichtiger

In Anbetracht von Softwarepiraterie wird Security ein immer wichtigerer Aspekt. Der Schutz vor Missbrauch fängt bei der Validierung der Lizenzierung an. Unterschiedliche Methoden stehen dafür zur Auswahl. Wichtiger scheinen die Verschlüsselungsmechanismen von Automatisierungsprojekt und Hardware zu sein. Die Zuordnung des Projekts auf die CPU durch Verknüpfung mit der jeweiligen Seriennummer, der Know-how-Schutz der Automatisierungssoftware und das Verhindern von Uploads aus der CPU ist eine adäquate Möglichkeit sich gegen Know-how-Diebstahl zu schützen.

Engineering 4.0

Engineering 4.0 bedeutet, den Lebenszyklus einer Maschine vollumfänglich im Engineering-Tool abzubilden. Dies beinhaltet die Möglichkeit, Maschinen und Anlagen für kundenindividuelle Produkte (Mass Customization) im Engineering-Prozess zu berücksichtigen. Flexibilität, Konfigurierbarkeit und Wandlungsfähigkeit sind dabei die entscheidenden Faktoren. Die Integration technologiebasierter Schnittstellen im Gesamtkontext, von der Planung, Modularisierung und technologiebasiertem Engineering, bis zur virtuellen Inbetriebnahme sind die Hauptbestandteile kosten- und energieeffizienten Engineerings von mechatronischen Systemen auf einer offenen und durchgängigen Plattform.

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