(Bild: Schneider Electric)
In vielen Industriebranchen gehören anspruchsvolle Maschinenanwendungen zur Standardausrüstung. Wer beispielsweise in der Verpackungs- und Lebensmittelindustrie dauerhaft wettbewerbsfähig bleiben will, kann auf flexible, präzise und ressourceneffiziente Anlagen nicht verzichten. Anders lassen sich gesetzlichen Bestimmungen zu Hygiene, Nachverfolgbarkeit oder Klimaschutz und insbesondere auch veränderte Kundenansprüche nicht erfüllen. Denn diese fordern heute Produkte, die individuell auf ihre Bedürfnisse zugeschnitten sind. Resultate sind etwa kleine Losgrößen, saisonal wechselnde Sortimente und schwankende Produktionsmengen. Dies hat weitreichende Folgen für den Maschinenbau. Denn die Entwicklung und Fertigung zukunftsfähiger Maschinen sind unter den genannten Prämissen eine aufwändige Angelegenheit. Und ohne digitale Hilfsmittel ist dies nicht mehr möglich.
Ganzheitliche Technologieplattformen weisen den Weg im Maschinenbau
Die Konstruktion einer Maschine ist ein langer Prozess. Von der Planung innerhalb einer virtuellen Umgebung über Auslegung und Zusammenbau bis hin zu Testläufen und Inbetriebnahme – eine Vielzahl unterschiedlicher Aktivitäten erfordert die Zusammenarbeit unterschiedlichster Spezialisten. Um Fehler, Zeitverzögerungen und ungeplanten Zusatzkosten zu vermeiden, sollte dieser komplexe Prozess so wenig wie möglich gestört oder unterbrochen werden.
Doch an der dafür erforderlichen Kontinuität auf Software- wie Hardwareebene mangelt es in der Praxis oft. Bauteile wie Frequenzumrichter, Antriebe oder Steuerungen stammen oft von unterschiedlichen Herstellern, sodass ihre Integration in der Regel technische Anpassungen erfordert. Zudem sind in vielen Unternehmen unterschiedliche Softwarelösungen für Planung, Programmierung, Inbetriebnahme und Betrieb im Einsatz. Das führt zu Brüchen im Prozess, sich wiederholenden Dateneingaben sowie redundanten Informationen und verzögert am Ende die Validierung.
Abhilfe schaffen hier ganzheitliche und einheitliche Technologieplattformen, die Planung, Konstruktion, Programmierung und Inbetriebnahme durch Software- und Hardwarelösungen aus einer Hand unterstützen. Ein gutes Beispiel dafür ist PacDrive 3 von Schneider Electric. Das Komplettangebot in Sachen Automatisierung umfasst ein vollständiges Portfolio leistungsstarker und platzsparenden Hardwarekomponenten sowie einheitliche und intelligenten Softwarelösungen für den gesamten Lebenszyklus einer Maschine.
Planung mit dem Digitalen Zwilling
Je genauer die ideal geplante Maschine dem Original entspricht, desto besser das Resultat. Um diesem Ideal möglichst nahe zu kommen, muss sich ein geplantes Objekt über den gesamten Entwicklungsprozess hinweg dynamisch an reale Bedingungen anpassen lassen. Digital Twin Applikationen machen dies möglich. Tech-Konzern Schneider Electric bietet seinen Kunden beispielsweise die Möglichkeit, Motorströme äußerst exakt zu simulieren, sodass sich die Momente der Bewegung für jede beliebige Mechanik an einem Antriebsstrang in Echtzeit bestimmen lassen. Ein so optimiert ausgelegter Antriebsstrang vereinfacht die Wahl passender Antriebe und mechatronischer Komponenten ganz ungemein. Virtuelle 3D-Konstruktion und spätere Anlage sind bis hin zum Echtzeit-Strombedarf absolut deckungsgleich. So entsteht am PC eine effiziente, flexible und produktive Maschine, die exakt auf ihre spätere Funktionsweise getestet werden kann.
Damit digitaler Zwilling und reale Umsetzung unter höchster Kontinuität möglich wird, basiert die Digital Twin Applikation von Schneider auf Funktionsbausteinen der PacDrive 3-Systembibliothek. Nutzer der Automatisierungsplattform, profitieren entsprechend auch von den Vorteilen der Motorstrom-Simulation. Bei nachträglichen Änderungen im Konstruktionsprozess oder bei der Programmierung, ist diese Durchgängigkeit ein entscheidender Vorteil.
Die Konstruktion: Weniger Hardware und uneingeschränkte Kommunikation
Da mit PacDrive 3 der Momentenbedarf exakt bestimmt werden kann und die virtuelle Maschine bereits auf den passenden Funktionsbausteinen beruht, ist klar, welches Bauteil für welche Anwendung geeignet ist. Die Suche nach dem effizientesten Antrieb entfällt. Auch bei nachträglichen Änderungswünschen bietet eine exakte Simulation große Vorteile. Wird beispielsweise mehr Leistung für eine im Bau befindliche Maschine benötigt, lässt sich die Ablauf-Geschwindigkeit innerhalb der Simulation ganz einfach um den gewünschten Wert erhöhen und der Momentenbedarf wird automatisch neu berechnet.
Hardwareseitig bietet PacDrive 3 für die reale Auslegung von Anwendungen ein komplettes Angebot für die Automatisierung von Maschinen. Beispiele sind Servomotoren und -antriebe, Robotik-Komponenten, Sicherheitskomponenten oder leistungsstarke Motion-Steuerungen. Verfügbare Einkabelmotoren sowie dezentral installierbare ILM Antriebe sorgen dafür, dass Verkabelungsaufwand und Platzbedarf im Schaltschrank gering sind. Dank Sicherheitsprotokoll über Sercos lässt sich die Kommunikation sicherheitsrelevanter Elemente ohne zusätzliche Verkabelung in die Standardkommunikation integrieren. Und auch die Kommunikationsfähigkeit der einzelnen Bauteile profitiert. Kommt alles aus einer Hand, geht keine Zeit für die Schnittstellenprogrammierung verloren.
Programmierung mit Funktionsbausteinen und simulierten Codes
Bei PacDrive 3 erfolgt die Programmierung innerhalb der Softwareumgebung EcoStruxure Machine Expert. Ein Maschinen-Framework sorgt dafür, dass sich ganze Maschinen mit einer einzigen Software automatisieren lassen – von Frequenzumrichtern und HMIs, Motion und Robotik bis hin zu Steuerungen und Sicherheitsanwendungen. Das Framework umfasst eine Betriebsartenverwaltung und Ausnahmebehandlung, die Ablaufsteuerung, gekapselte mechatronische Funktionen sowie generische Inbetriebnahmehilfsmittel und Loggingfunktionen. Vordefinierte Softwarebausteine helfen dabei, auch komplexe Funktionsabläufe schnell und weniger fehleranfällig zu programmieren. So hat Schneider Electric beispielsweise die Funktionsmodule bereits ideal auf Anwendungen im Bereich CPG zugeschnitten.
Ein großer Vorteil der Modul-basierten Programmierung ist die Tatsache, dass Bausteine auf veränderte Gegebenheiten reagieren können. Für den optimalen Betrieb der Antriebsstränge und die absolut positionsgetreue Funktion des Systems wird direkt in die Stromvorsteuerung der Antriebe eingegriffen. Ändern sich mechanische Gegebenheiten im Laufe des Betriebs, stellt der Baustein die Regelung auf die neuen Gegebenheiten ein.
Eine komplette Gesamtlösung wie PacDrive 3 bietet aber nicht nur Funktionsbibliotheken. Hier kommen die zu Beginn der Planung erstellten 3D-Modelle wieder ins Spiel, denn der digitale Zwilling prüft nicht nur die Mechanik in Form einer Kollisionsbetrachtung auf ihre Funktionsfähigkeit. Dank des simulierten und errechneten Momentenbedarfs jeder einzelnen Bewegung steht zeitgleich ein fertiger Programmcode für den Motion-Teil der Maschine zur Verfügung. Gleiches gilt auch für die Reaktion auf Sensorik. Denn die Reaktion des Programm auf Sensorik wird bereits in der Simulation bestimmt und kann direkt an den Automatisierer übergeben werden. Ein großer Teil des Simulationsprogramms wird so zur Basis für die vollständige Programmierung der Maschine.
Vorteil Teamarbeit
Ein kritischer Erfolgsfaktor, gerade bei der Maschinenprogrammierung, ist die Zusammenarbeit im Team. Sicherheitsaspekte, Motion, Anwendungslogik und HMI werden insbesondere bei komplexen Konstruktionen oft von verschiedenen Expertenteams bearbeitet. Fehlt es dann an agilen Kommunikationslösungen, sind Missverständnisse und Verzögerungen die Folge. „EcoStruxure Machine Expert“ löst das Problem. Denn ein integrierter SVN-Client unterstützt die kollaborative, synchronisierte Zusammenarbeit über die Cloud. Ein Vorteil ist die ortsunabhängige Zusammenarbeit. Zugleich hält die Softwareplattform alle wichtigen Daten ständig aktuell vor und erstellt eine Historie der Projektversionen.
Einfache Inbetriebnahme dank dynamischer Vorsteuerung und Fast Device Replacement
Bei der Inbetriebnahme einer Maschine wird klar, wie gut Konstruktion und Programmierung tatsächlich waren. Wurden alle Bewegungen und Abläufe mithilfe der Simulation sorgfältig getestet, sind böse Überraschungen nicht mehr zu erwarten. Probleme machen allerdings nicht selten statische Reglereinstellungen. Regler dienen dazu, anhand der ermittelten Massenträgheit sowie der korrespondierenden, festeingestellten Stromvorsteuerung die exakte Bewegung der Mechanik zu regeln. Gibt es zwischen den errechneten Daten und den realen Gegebenheiten Differenzen, muss nachjustiert und erneut getestet werden. Wenn virtuelle Idealbedingungen und Realität nicht zueinander passen, ist eine dynamische Stromvorsteuerung von besonderem Wert. Ein Beispiel ist der PacDrive 3 Motioncontroller, mit dessen Hilfe die Achsen einer Maschine über eine dynamische und präzise Vorsteuerung bewegt werden. So stellt sich eine Anlage bereits bei der Inbetriebnahme automatisch auf vom Sollwert abweichenden Gegebenheiten ein. Echtzeit-Vorberechnungen des Drehmoments basieren dabei auf einem an den realen Verhältnissen orientierten, dynamisch veränderbaren Lastmodell.
Ein letzter Punkt: Das Hochladen der Firmware. Üblicherweise erfolgt dies händisch durch einen Automatisierungstechniker. Er geht von Komponente zu Komponente, um etwa die Parameter eines Frequenzumrichters einzustellen. Bei PacDrive 3 ist dieser Prozess obsolet. Die Funktion „Fast Device Replacement“ beschleunigt dank automatischem Software-Upload den Start einer Maschine. Aber auch im Austauschfall muss eine neue Komponente nicht eigens parametriert werden. Die Firmware lädt automatisch, Programmierarbeit lässt sich vermeiden, Stillstandszeiten werden minimiert.
Fazit: Maschinenentwicklung auf neuem Niveau
Die Konstruktion komplexer Maschinen, etwa für die Verpackungs- und Lebensmittelindustrie, sollte auf einem möglichst durchgängigen, einheitlichen Entwicklungsprozess basieren. Unschätzbare Dienste leistet dabei ein bereits zu Planungszwecken erstellter digitaler Zwilling, der die Entwicklung einer Maschine kontinuierlich begleitet und prägt. Softwarebasierte Maschinenauslegung, durchgängige Kommunikationsmöglichkeiten, Programmierung mit Funktionsbausteinen sowie die Inbetriebnahme mithilfe dynamischer Reglereinstellungen: Eine Automatisierungsplattformen wie PacDrive 3 hebt die Konstruktion komplexer Maschinen auf ein neues Niveau.
