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Modularität als Investitionssicherheit

29.09.2006 | Redakteur: MM

Modulares Automatisierungskonzept sorgt für zukunftsfähige Maschinen und Anlagen. Der Trend im Maschinenbau zur Modularisierung von Maschinen verstärkt sich kontinuierlich. Für die...

Modulares Automatisierungskonzept sorgt für zukunftsfähige Maschinen und AnlagenDer Trend im Maschinenbau zur Modularisierung von Maschinen verstärkt sich kontinuierlich. Für die Automatisierungstechnik bedeutet dies die dezentrale und verteilte Anordnung der Antriebsintelligenz.Modulare Konzepte für bahnenverarbeitende Maschinen oder Anlagen mit schnelltaktenden Prozessen stellen hohe Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit der Antriebs-, Steuerungs- und Feldbustechnologien. Das Antriebs- und Automatisierungskonzept ist eine der Schlüsselvariablen für die Zukunftsfähigkeit von Maschinen und Anlagen.Investitionsentscheidend für den Anwender ist die Zukunftsfähigkeit der Anlage oder Maschine. Eine Maschine ist dann zukunftsfähig, wenn sie flexibel erweitert werden kann, sich durch die eingesetzte Technologie die Verfügbarkeit und Taktzeiten erhöhen und das System offen für die verschiedensten Komponenten ist. Wird eine Maschine konzeptionell in Einzelmodule zerlegt, kann die Zeit für die Herstellung, Lieferung und vor allem die Inbetriebnahme und Wartung der gesamten Maschine verkürzt werden.Der Hersteller der Maschine kann flexibel auf die Anforderungen des Kunden reagieren, wenn er sie nach den Vorgaben des Kunden konfiguriert. Der Anwneder kann eine Maschine kostengünstig mit wenigen Modulen für bestimmte Fertigungsschritte konfigurieren und das Investitionsrisiko senken. Mit wachsendem Geschäftserfolg kann die Maschine schrittweise ausgebaut werden. Es können zusätzliche Module eingefügt werden, ohne die Gesamtmaschine überarbeiten zu müssen oder sie neu zu konstruieren. Zudem erhöht sich die Verfügbarkeit der Maschine. Fällt ein einzelnes Modul aus, so kann es kurzfristig durch ein anderes ersetzt werden. Die Gesamtmaschine wird dadurch aber nicht blockiert, sondern es können andere Aufträge weiterproduziert werden, für die das ausgefallene Modul nicht benötigt wird.Voraussetzungen für Modularität Die Voraussetzungen für modulare Maschinenkonzepte sind die Einzelantriebstechnik und die Integration der Intelligenz in den Antrieb. Die Intelligenz bei vollständig modularen und autarken Einheiten wird in die einzelnen Maschinen-Module gebracht. Damit wird jedes Modul eigenständig funktionsfähig und kann vollständig mit der im Modul enthaltenen Software und Hardware geprüft werden. Bei bahnenverarbeitenden Maschinen ist der Maschinentakt stark abhängig von den Bearbeitungs- beziehungsweise Zykluszeiten der Software. Eine Aufteilung der Rechenleistung auf dezentrale Intelligenz kann also zugleich einen höheren Ausstoß der Maschine bei verbesserter Qualität bringen.Durch Einzelantriebstechnik wird auch der mechanische Verschleiß verringert, weil mechanische Übertragungselemente wie Königswelle, Lager und Umsetzgetriebe entfallen oder deren Anzahl verringert wird.Um eine Bahn über mehrere Maschinenmodule hinweg an definierten Punkten zu bearbeiten, ist es notwendig, die Maschinenmodule untereinander in einen synchronen Gleichlauf zu bringen. Dies wird mit Hilfe einer elektronischen Welle erreicht.Der hohe Modularisierungsgrad einer Maschine bietet entscheidende Vorteile:- Schnelle und einfache Inbetriebnahme- Produktwechsel an der laufenden Maschine durch Austausch von Modulen. Damit können auch kleine Losgrößen flexibel und wirtschaftlich gefertigt werden. - Austausch von einzelnen Modulen für Wartung und Instandsetzung, ohne Stillstand der Gesamtmaschine. Das bedeutet eine höhere Verfügbarkeit.Die Antriebs- und Automatisierungsgeneration B Maxx ist ein Konzept für Steuerung, Antriebsregler und Umrichter. Es setzt die Anforderung an Maschinen und die Forderung nach Modularität konsequent für Antriebssysteme um. Es ist modular, skalierbar und offen. Es handelt sich dabei um einen Servoregler, der mit Steckkarten einfach an Anforderungen in der Automatisierung angepasst werden kann. Mit der Steckkarte B- Maxx-PLC verfügt der Regler über die schnellste SPS im Antrieb weltweit. Auch bei den Leistungsteilen ist das Unternehmen neue Wege gegangen. Die Leistungsteile werden mit einer internen seriellen Kommunikation an den Antriebsregler gekoppelt. Das verbessert die Diagnosefähigkeit.Steckbare Module sorgen für Funktionalität Je nach Anwendung werden diese Antriebsregler den Anforderungen angepasst. Steckbare Module statten den Regler zum Beispiel mit der erforderlichen Steuerungsfunktionalität oder zusätzlichen Feldbusanbindungen aus. Das bedeutet, die Investition in eine Maschine oder Anlage wird optimiert. Der Anwender kauft exakt die Ausstattung und Rechenleistung, die für die aktuelle, spezielle Aufgabe erforderlich ist. Der Anwender kauft keine überkonfigurierten Geräte, die eine unnötige Kapitalbindung darstellen, oder er muss keine Einschränkungen der Funktionalität hinnehmen, wenn die Entscheidung aus Kostengründen für eine niedrigere Leistungsklasse fällt. Die Investition ist auf die aktuellen Anforderungen an die Anlage optimiert.Trotzdem stehen alle Ausbaustufen für ein breites Spektrum unterschiedlicher Automatisierungsaufgaben zur Verfügung. Je nach Marktanforderung oder Kundenwunsch kann der Maschinenbauer oder auch der Anwender selbst die Maschinen neu konfigurieren. Der Funktionsumfang des Antriebsreglers kann entsprechend wachsender oder veränderter Anforderungen in seiner Leistung skaliert werden. Die durchgängige Plattform von Hard- und Software garantiert die optimale Anpassung für einfache oder anspruchsvollste Funktionen. Der Anwender hat mit dem Automatisierungskonzept einen sehr hohen Schutz seiner Investition. Ändern sich Technologien oder ändern sich die Anforderungen des Marktes zum Beispiel an Produktgrößen oder Produktausstattung, verfügt der Anwender über ein flexibles und skalierbares System, das die Anpassung an neue Gegebenheiten einfach ermöglicht.Die Regler sind durchgängig nach dem Baukastensystem konzipiert. Das Spektrum reicht vom einfachen Drehzahlsteller über den Standard-Servo bis hin zum Highend-Servo mit Steuerungsfunktionalität und Mehrachsinterpolation. Mit den Steckkarten können die verschiedenen Ausbaustufen durch den Anwender oder den Maschinenbauer selbst bestimmt werden. Elf steckbare Module ermöglichen den anwendungsbezogenen und wirtschaftlichen Ausbau. Neue Wege bei LeistungsteilenBei den Leistungsteilen B-Maxx ist das Unternehmen neue Wege gegangen. Die Umrichterfamilie bietet einen Leistungsbereich von 1,1 bis 140 kW sowie Sicherheitsfunktionen wie Zwischenkreisschnellentladung oder Sicherheitsrelais. Die interne serielle Kommunikation zwischen Antriebsregler und Leistungsteil verbessert die Diagnosefähigkeit erheblich. Die integrierte Netzspannungsmessung sichert den Betrieb an unterschiedlichsten Netzen weltweit. Diese Umrichter können mit verschiedenen Kühlvarianten ausgerüstet werden. Je nach Anwendung stehen Luft- und Wasserkühlung zur Verfügung. Beide Varianten sind auch als Durchstecklösung lieferbar, so bleibt der Wärmekreislauf außerhalb des Schaltschranks. Dies ermöglicht ein effizientes Wärmemanagement. Die Steckkarte B-Maxx-PLC stattet den Regler mit SPS-Funktionalität aus. Sie ist mit 100 ms Zykluszeit für 1000 Linien AWL die schnellste SPS im Antrieb weltweit. Damit kann der Antrieb um komplexe Motion-Control-, Technologie- und Steuerungsfunktionen erweitert werden. In ihr werden die Motion-Control-Aufgaben mit Technologie-Bausteinen (= Funktions-Bausteine nach IEC 61131-3) gelöst. Es steht eine Bibliothek für Funktionen wie zum Beispiel Kurvenscheiben, Registerregelung, Wickler und PID-Regler zur Verfügung. Durch die Bibliothekstruktur können die Bausteine flexibel auf Kundenbedürfnisse angepasst werden.Intelligenz im Antrieb Mit den Steckkarten steht der Zugang zu den Bussystemen der Automatisierung offen. Unterstützt werden die Feldbusse CANopen, Profibus und Sercos. Mit Technologien wie zum Beispiel OPC-Server und Ethernet TCP/IP kann über die Visualisierung oder die Bedienoberfläche auf die Reglerparameter zugegriffen werden. Der Standard IEC 61131 erlaubt dem Anwender, Steuerungsprogramme und Technologiefunktionen einfach zu erstellen.Ein wichtiges Kriterium bei dezentraler Datenhaltung ist der zentrale Zugang zu den Daten. Ethernet ist hierfür der ideale Feldbus, da er mit 100 Mbit für die schnelle Übertragung von großen Datenmengen hervorragend geeignet ist. Zusammen mit dem OPC-Server können die dezentralen Daten im Plug & Play-Verfahren auf eine Visualisierungsoberfläche auf dem IPC gebracht werden. Mit einem Item-Browser kann dabei jede gewünschte dezentrale Variable auf den Bildschirm gebracht werden. Der Zugriff auf die Daten des OPC-Servers kann dabei von einem beliebigen Client, des durch den Administrator des OPC-Servers mit Passwort autorisierten Benutzers, erfolgen. Damit ist eine Integration in verteilte IT-Strukturen ohne Zusatzsoftware möglich. Die IT-Strukturen können dabei ein Firmennetzwerk sein oder auch Internet. Die Fernbedienung, Fernwartung und der Teleservice ist damit über die üblichen Netzwerkkomponenten wie IP-Router oder ISDN-Modem möglich.Für die Realisierung von komplexen Automatisierungslösungen ist eine Kommunikation über unterschiedliche Kommunikationshierarchien notwendig. Dabei wird die Leitebene mit Ethernet TCP/IP an die dezentrale SPS-Intelligenzen in der Feldebene angekoppelt. Auf dem zentralen Bedienrechner sind auch alle übersetzten SPS-Programmmodule enthalten. Damit kann der Programmdownload bei Austausch des Umrichters im Service-Fall per Knopfdruck aus der zentralen Maschinen-Visualisierung über Ethernet erfolgen.Die Synchronisation der dezentralen SPS und Regler wird über eine elektronische Königswelle durchgeführt. Als Leitachse wird ein Virtueller Master eingesetzt. Er generiert nur einen Maschinenwinkel oder eine Maschinengeschwindigkeit. Dieser wird in einem harten Zeitraster von 1 ms über CANsync übertragen. Der Jitter des Taktes beträgt dabei <1 mikrosek.Insgesamt können über CANsync bis zu vier unterschiedliche Sollewrte mit 32-bit-Datenbreite übertragen werden. Die nachfolgenden Achsen können dabei frei konfigurierbar auf einen Sollwert gemappt werden. Alle Bewegungsfunktionen in der dezentralen Einheit werden auf den Sollwert des virtuellen Masters synchronisiert. Jede dezentrale Antriebs-SPS berechnet aus dem Sollwert des virtuellen MAsters einen eigenen daraus abgeleiteten neuen Sollwert und überträgt ihn auch wiederum synchron an den eigenen Antriebsregler. Das Bedienkonzept steigert die Effizienz bei der Applikationserstellung. Motion-Control-Bausteine, die Integration der systemnahen Software sowie der Kommunikations- und Initialisierungs-Software in das Laufzeitsystem verkürzen die Rechenzeiten und erhöhen den Bedienkomfort. In der Bedienoberfläche WinBass II und in Proprog wt II sind System- und Feldbuskonfiguratoren enthalten. IEC 61131 ist der Standard zur Programmierung der Generation B-Maxx. Für den Anwender stehen zudem Diagnose- und Analysewerkzeuge sowie eine Online-Hilfe zur Verfügung. Für die Bedienung von Einzelachsen ist ein RS 232-Anschluss vorgesehen.

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