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Engineering für modulare Systeme Maschinen zerlegen und verstehen

25.04.2017

Was haben Modularität und Industrie 4.0 mit Wissensmanagement zu tun? Bachmann-Ingenieure liefern die Antwort für das Engineering bei modular aufgebauten Maschinen. Damit sagen sie der schwarzen Kladde den Kampf an.

Es gibt sie noch, die schwarze Instandhaltungs-Kladde. Doch moderne Engineering-Tools erleichtern zunehmend die Analyse von Maschinendaten und das Management von Unternehmenswissen. So sichern sich Automatisierer einen neuen Markt und behalten die Kladde nur noch als Andenken. So wie Helmut Müller: Der Instandhalter steht kurz vor dem Ruhestand und schließt dann das letzte Mal seine schwarze Kladde, sein persönliches Wissensmanagement-Tool zu vielen Spritzgussmaschinen im Werk.

Wissen mit der Maschine managen

Er hat alle Besonderheiten, jedes Hüsteln der Maschinen notiert - über 30 Jahre hinweg. Die Kladde bleibt im Unternehmen, doch die jungen Kollegen fragen sich, wer die Aufzeichnungen interpretieren und die Daten verstehen kann? Das Unternehmen steht vor einer Herausforderung – und reagiert mit modernen Engineering-Tools. Sie erleichtern das Wissensmanagement in der Fabrik – selbst wenn Maschinen und Anlagen immer komplexer werden und eine immer engere Verzahnung von Maschinenbau, Elektro- und Informationstechnik sowie der reinen Informatik auf ERP-Ebene fordern. Um die steigende Komplexität in den Griff zu bekommen, etabliert sich im Engineering ein modul- und modellorientierter Ansatz, der ein Wissensmanagement ermöglicht.

Modular bedeutet, dass Maschinen und Anlagen in logische Funktionseinheiten zerlegt werden. Mit vorgefertigten Softwaremodulen, etwa für das Befüllen eines Behälters, lässt sich die hierfür erbrachte Engineering-Leistung mehrfach verwenden. Auch bestehende Anlagen können einfach und effizient um Funktionen erweitert werden. Müllers Spritzgussmaschine wird also intelligent. Gleichzeitig ermöglicht ein modularer Ansatz iterative Entwicklungs- und Verifikationsprozesse für schnelleres Engineering. Handelt es sich bei den Softwaremodulen um gekapselte, getestete und compilierte Einheiten, die über klar definierte Schnittstellen Daten austauschen, muss der Maschinen- und Anlagenbauer keine Kenntnisse mehr darüber haben, was im Detail in dem Modul steckt. Er kann eine Funktion wie das Softwaremodul als handelbares Gut nach Bedarf hinzukaufen und in seine Lösungen integrieren.

Im modellbasierten Engineering nutzen die Gewerke ab­strahierte Modelle, um die Realität abzubilden, etwa CAD-Pläne im Maschinenbau. Mit ihnen werden einzelne Teilfunktionen in Funktionsmodule mit entsprechenden Schnittstellen zerlegt, die die Realität strukturiert und vereinfacht abbilden. Für die Implementierung gibt es je nach Aufgabe verschiedene Möglichkeiten wie das Matlab/Simulink-Modell für den Regelkreis oder ein IEC61131-Programm für eine Ablaufsteuerung. Viele Automatisierer unterstützen bereits einen solchen Ansatz, auch weil Maschinenbauer dies zum Teil fordern. Gerade beim Prozessüberbau ist die Branche jedoch noch stark in konventionellen Denkansätzen verhaftet.

Anstatt die übergeordnete Funktion als Ziel im Auge zu haben, fokussieren sich die verschiedenen Gewerke bei ihren Projekten eher auf ihre individuelle Aufgabe. Geht es etwa darum, die Funktion „Bohren“ umzusetzen, konstruiert der Mechaniker die Bohrmaschine per CAD, der Elektrotechniker erstellt einen Schaltplan und der Automatisierer programmiert die Steuerung. Die Gewerke werden abschließend miteinander verknüpft. Dabei sollte es umgekehrt ablaufen, indem im ersten Schritt die Funktion „Bohren“ innerhalb des technischen Prozesses definiert wird: In welchem Kontext und unter welchen Umgebungsbedingungen soll gebohrt werden? Um welches Material handelt es sich? Um komplexe Zusammenhänge einfacher und schneller zu erfassen, ist dies unerlässlich.

Eine einheitliche Weltsprache für alle Gewerke wird es wohl nicht geben. Für die Abstimmung der Prozesse ist deshalb eine übergeordnete Prozesssprache nötig. Künftig wird System-Engineering deutlich weiter gefasst werden und sich näher am Prozess orientieren müssen. Erste Schritte in diese Richtung gab es 2013 mit der Namur-Empfehlung 148 in der Verfahrenstechnik. Sie sollte die Zeitspanne zwischen Produktidee und Markteinführung reduzieren. Sie beleuchtet den gesamten Lebenszyklus einer prozesstechnischen Anlage im Umfeld eines modularen Anlagendesigns und formuliert die daraus resultierenden Anregungen und Rahmenbedingungen zur Realisierung der Automatisierungstechnik.

An der Weiterentwicklung eines ähnlichen Konzepts arbeitet Bachmann. Es besteht aus einer übergeordneten Ebene für die Prozessüberwachung und -steuerung, die mit prozessorientierten intelligenten und autarken Funktionsmodulen kommuniziert. Hierfür ist eine einheitliche Schnittstelle nötig, über die alle Software-Module kommunizieren, damit händisches Programmieren entfällt. Bachmann hat diese standardisierte Schnittstelle auf Basis des RSC-Protokolls durchgängig in seine Steuerungswelt integriert.

Grenzüberschreitender Wissensspeicher

Auf dem Weg zum optimalen Engineering-Tool muss aber nicht nur der ganzheitliche Prozess in den Mittelpunkt gestellt, sondern der Modulbegriff erweitert werden: Die Software-Module sollen über die Inbetriebnahme sowie über Anlagen- und Eigentümergrenzen hinaus um Wissen über die konkrete Nutzung erweitert werden. Das Tool soll dabei auch als Wissensspeicher dienen und jedes „Hüsteln“ der Maschine speichern. Denn um die Produktivität und Verfügbarkeit der Maschine oder Anlage zu maximieren, sind detaillierte Informationen über den „Gesundheitszustand“ und die Historie extrem wertvoll – Müllers Kladde. Das Standardvorgehen von Müller und seinen Kollegen ist zurzeit die präventive Wartung: Verschleißteile werden nach bestimmten Zyklusvorgaben unabhängig vom realen Verschleißzustand präventiv ausgetauscht. Das kann allerdings zu früh, zu spät oder zu einem ungünstigen Zeitpunkt geschehen und unnötige Kosten verursachen.

Vorteile bietet dagegen eine zustandsbasierte Wartung, die Informationen zur wahren Verwendung und dem realen Verschleiß nutzt. Die Hemmschwelle für einen Wechsel von präventiver zu zustandsbasierter Wartung ist in der Industrie immer noch hoch, denn es werden hohe Aufwände und Kosten damit verbunden. Dabei ist die Umstellung ohne Mehraufwand heute schon möglich – durch intelligente Software-Konzepte. Diese nutzen Daten, die größtenteils von bereits existierender Hardware bereitgestellten werden.

Bachmann arbeitet an einem solchen Konzept und integriert dabei die Idee, die gewonnenen Daten zur tatsächlichen Maschinennutzung über verschiedene Kunden hinweg intelligent weiterzuverwenden. Maschinenbauer erhalten durch die Nutzungsdaten wertvolle Fakten und Anregungen für die optimale Auslegung zukünftiger Maschinen. Momentan werden nur 20 bis 50 Prozent der entwickelten Funktionen einer Maschine später auch genutzt. Ist die Entwicklung aber zielgerichteter, wird sie effektiver und Entwicklungskosten sinken. Zudem kann der Maschinenbauer die Endkunden mit Hilfe der Nutzungsdaten hinsichtlich der bestmöglichen Verwendung seiner Maschine gezielt beraten. Weiß er zum Beispiel, dass bei 70 Prozent all seiner im Einsatz befindlichen Bohrmaschinen einer Art nach 1000 Bohrungen der Bohrer abbricht, dann ist das ein Erfahrungswert, den er mit Empfehlungen zum Austausch des Bohrers oder Bohrwerks weitergeben kann.

Da der Maschinenbauer dem Endkunden so eine bessere Planbarkeit der Serviceeinsätze bietet, sind auch verlängerte Garantiezeiten sowie neue Service-Angebote denkbar – zum Beispiel im Austausch gegen die Erlaubnis zum Datenzugriff. Der Endanwender profitiert zudem davon, dass seine Maschine oder Anlage im Fall von stark verschlissenen Komponenten das Service- oder Wartungspersonal informiert oder einen gedrosselten Betrieb initiiert, um ungeplante Ausfälle zu vermeiden. Standardisierte Service-Schnittstellen werden deshalb immer wichtiger. Für sie hat Bachmann bereits einen Normungsvorschlag angekündigt.

Modulerweiterung im Flotten-Management

Erste Erfahrungen mit dem erweiterten modularen Ansatz im Engineering sammelt Bachmann mit dem Software-Modul Flotten-Management-System (FMS). Es erfasst, speichert, aggregiert und analysiert Daten aus Sensoren und Aktoren in der Maschine. Die Informationen werden über ein Systemvariablen-Interface weiteren lokalen Modulen, der Visualisierung sowie dem MES-System zur Verfügung gestellt. Das FMS unterstützt auch ein verteiltes Datenmanagement: Der Maschinenbauer kann die Daten der Maschine X weltweit nicht nur beim Kunden A, sondern auch bei den Kunden B und C abfragen, und gewinnt verlässliche, vergleichbare Informationen über die unterschiedliche Nutzung der Maschine.

Dies ermöglicht die Private Cloud auf Atvise-Basis. Sie verbindet Cloud-Vorteile zu Datenspeicherung und -austausch mit der Möglichkeit der zielgruppenspezifischen Vergabe von Nutzungsrechten mithilfe eines einfach zu bedienenden, vorkonfigurierten Web-Portals. Helmut Müller wird in seinem Ruhestand damit nicht mehr arbeiten. Doch er darf seine schwarze Kladde mitnehmen, als Andenken an sein Berufsleben und um Platz zu schaffen für neue Engineering-Tools.

Bildergalerie

  • Topologie des Software-Moduls Flotten-Management-System

    Bild: Bachmann

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