Modularität im Fokus

Kirsten Soldering, Cham (CH)

Moderne Produktionsstätten sind nach dem Prinzip des Lean Manufacturing aufgebaut, getrieben vom Streben nach maximaler Effizienz. So muss auch die Betriebsausrüstung effizient und flexibel sein, um maximale Produktionsleistung bereits ab der Losgröße 1 bis high Volume zu erreichen. Das Steuerungssystem, das mit jeden Teil der Betriebsanlage verknüpft ist, spielt deshalb eine bedeutende Rolle auf diesem Weg.

Herkömmliche Steuerungen verfügen meist über zentralisierte, monolithische Strukturen, die wenig Flexibilität bieten und etwas starr sind. Moderne, modulare Systeme brauchen jedoch Steuerungen, die flexibel sind und eine vernetzte, dezentrale Kontrolle bieten. Nur so kann jede Einheit in dem zu steuernden Prozess ihre speziellen Aufgaben erfüllen und mit allen anderen Einheiten vernetzt werden, ohne unerwünschten Auswirkungen auf die Systemsteuerung zu haben.

Das wird am besten durch CAN (Controller Area Network) erreicht, wie es ursprünglich für die Anwendungen in der Automobilindustrie entworfen wurde, heute jedoch in vielen Bereichen verwendet wird. Es ist ein BUS-Standard, der Mikrosteuerungen und anderen Geräten ermöglicht, ohne Zentralrechner miteinander zu kommunizieren. CAN ist ein Multimaster-Broadcast-Serial BUS Standard, um elektronische Kontrolleinheiten (ECU) zu verbinden. Typische Komponenten, die mit CAN verbunden werden, sind Sensoren, Aktoren und Steuergeräte.

Bei the modula wave sind die CAN-Datenein- und -ausgänge Knotenpunkte, wobei ein Knotenpunkt eine individuelle elektronische Karte bedeutet. Jedes Modul hat dabei mehrere Karten. Die Benutzeroberfläche visko des Lötsystems überprüft die Maschinenkonfiguration (z.B. Zuführ- und Transport-Module, Fluxer-Modul, Vorwärm-Modul, Löt-Modul) und stellt sicher, dass die entsprechende Anzahl und Reihung der Karten vorhanden ist. Sie stellt auch sicher, dass der Einstellbereich nicht überschritten wird (z.B. maximale oder minimale Transportgeschwindigkeit). Das CAN ermöglicht die einfache, konsistente Kontrolle des Prozesses, der Einstellparameter und dem Report von jedem Knotenpunkt aus und läuft durchgehend im Hintergrund. Sie ist der Baustein für den Erfolg des modularen Konzeptes. In der gesamten Automatisierungsausrüstung wird eine Benutzeroberfläche benötigt. Das CAN befreit von der Notwendigkeit einer monolithischen Zentralsteuerung und ermöglicht damit der Benutzeroberfläche genau das zu sein, was sie ist – ein Interface für die Programmierung und den Status-Bericht. Allerdings bietet eine derartige Steuerungsstruktur viel mehr als bloße Systemkontrolle, sondern ist auch in der Lage, System und Batches zu optimieren.

Heutige Fertigungsunternehmen müssen sich organisieren, um mit einem Minimum an Lagerhaltung auf Aufträge reagieren zu können, anstatt hohe Warenbestände aufzubauen. Deshalb ist die Flexibilität in einer Produktionseinheit lebenswichtig, um schnell auf Änderungen eingehen zu können. Modularität ist eine gute Möglichkeit, um Flexibilität zu erzielen. Eine monolithische Zentralsteuerung schränkt die Fähigkeit ein, mit Unvorhersehbarkeiten und unerwarteten Veränderungen fertig zu werden. Das moderne System muss im Stande sein, modulare Betriebsanlagen dynamisch und mit minimalen manuellen Eingriffen zu steuern, so dass es leicht auf unvorhersehbare Änderungen angepasst werden kann.

Eine neue Softwaregeneration ist erforderlich, die mehrere vorauseilende Forderungen erfüllen muss, deren Wert darin liegt, die Komplexität der Entwicklung, des Betriebs und der Wartung von Maschinen und Anlagen zu verringern, ohne dabei die Möglichkeiten für die Zukunft und bisher noch unbekannte Anwendungen, einzuschränken. Dies beinhaltet folgendes:

Anpassung der Anlage – Die Steuerungssoftware passt sich jeweils der besten Konfiguration der Produktionsanlage an, je nach Auftrag oder Fertigungslos. Der manuelle Konfigurationsbedarf wird auf nahezu Null minimiert und es ist sichergestellt, dass künftige Erweiterungen des Systems mit geringstem Aufwand möglich sind.

Dynamische Leistungsoptimierung – Höchste Priorität hat die Möglichkeit zur dynamischen Optimierung der Leistung bei wechselnden Konfigurationen. Dies garantiert maximalen Durchsatz und minimiert Wartezeiten oder Leerkapazitäten.

Störungsresistenz – Jegliche Störungen werden sofort erkannt und entsprechend ihrer Auswirkung bewertet. Das System entscheidet dann, ob die Funktionsstörung aufgelöst oder ignoriert werden kann. Die Softwareagenten (s.u. Autonome Modulsteuerung) unterstützen kundenspezifische Prozess-Protokolle, so dass nützlichere und effiziente Methoden der Fehlerüberwachung und Analyse verfügbar sind

Protokolle – Alle oben und unten aufgeführten Aktionen werden ständig protokolliert, so dass Manager, Ingenieure und Maschinenbediener ständig Information über die Anlagenleistung erhalten.

Integration – Die richtige Identifizierung und Einrichtung von Schnittstellen, die dem Steuerungssystem erlauben, sich nahtlos in die gesamte Produktionssteuerung zu integrieren, steht zur Verfügung.

Leichte Handhabung – Obwohl das System in hohem Maße zur automatischen Selbstkontrolle fähig ist, wird es immer erforderlich sein, dass hin und wieder verschiedene Benutzer, Prozess-/Produktions-Mitarbeiter und Wartungstechniker Zugang haben. Funktionen wie Kennwort-Zugang sind obligatorisch und das internetbasierende System kann für Fernübertragung von Produktionsdaten oder für Wartung eingerichtet werden.

Autonome Modulsteuerung – Jedes Maschinen-Modul wird durch einen speziell angepassten Softwareagenten repräsentiert, der die Funktion und Auslastung des Moduls optimiert

Ob die Anlage um ein zusätzliches Modul erweitert wird, oder ein neuer Modul-Typ entwickelt wird, die Grundarchitektur der Steuerung bleibt dieselbe. Die einzige Softwareentwicklung betrifft den CAN Softwareagenten für die Handhabung der neuen Hardware.

CAN Steuerung – Zusammen mit den Softwareagenten kommuniziert die CAN Steuerung jedes einzelnen Moduls mit seinem Nachbarn und reguliert ständig das System um eine Programm Koordinierung zu erreichen. Deshalb ist eine zentrale Steuerungseinheit nicht notwendig. Diese Form der verteilten Steuerung erlaubt fast grenzenlose Skalierbarkeit, so dass sich das Produktionssystem den Gegebenheiten entsprechend erweitern oder beschränken kann, und somit Zukunftssicherheit bietet.

Auftragssteuerung – Die Softwareagenten sind auch für die Steuerung jedes Auftrags oder Produktionsablaufs verantwortlich. Sie steuern den Ablauf durch die Maschine und stellen sicher, dass allen Anforderungen in Zusammenhang mit der Leistungsfähigkeit, Geschwindigkeit und Qualität entsprochen wird.

Simulation – Der physikalische Aufbau der Anlage ermöglicht es, dass mehrere unterschiedliche Maschinenstatus und Prozessabläufe schnell bewertet werden können. Das unterstützt Ausbildung, Neuprodukt Einführung (NPI) und Prototyp-Läufe.

Dynamische Optimierung – Jedes Mal wenn ein Produkt der Anlage zugeführt wird, wird ihm das betreffende Produktionsprogramm angehängt und beide laufen gemeinsam durch die Module. Wenn ein Strichcode oder RFID-Leser verwendet wird, passt sich das System automatisch innerhalb jedes Mo- duls an, so dass die optimale Produktionsleistung erzielt wird. Eine Losgrößen 1 kann so die genau richtigen Betriebsparameter erhalten, ohne erst darauf warten zu müssen, bis die Anlage leer gelaufen ist, um neue Parameter zu laden oder Betriebsparameter als Kompromiss zu wählen, mit denen nicht in jeder Station der Anlage das optimale Ergebnis erreicht werden kann.

Die Diagnose von Funktionsstörungen oder das Optimierung des Steuerungssystems wurde sinnvollerweise von Menschen durchgeführt, aber moderne Systeme sind so komplex, dass menschliches Eingreifen sowohl schwierig als auch zeitraubend ist. Dies trifft insbesondere auf dezentrale Steuersysteme zu, aber auch auf monolithische Zentralsteuerungen, die immer umfangreichere Aufgaben durchführen. Im Folgenden sind Beispiele für autonome Selbststeuerung aufgeführt:

Selbst-Konfiguration – Das System verwendet eine Konfigurationsdatei um die Betriebsparameter so zu verändern, damit es sich geänderten Produktionsanforderungen anpasst. Eine Änderung der Hardware in einer modularen Maschine hat kein neues Laden der Software zur Folge. Alle CAN Softwareagenten, führen ein automatisches Reset durch, wenn sich die Hardware ändert. Der Maschinenbediener braucht die Maschine nur zu instruieren, wie die neue Konfiguration sein wird, das ist bei dieser Software Standard.

Selbst-Optimierung – Das Steuerungssystem beurteilt kontinuierlich seine eigene Leistung und prüft mögliche Handlungswege, die in einer Leistungssteigerung resultieren würden. Es wählt die vielversprechendsten Maßnahmen, um eine Leistungssteigerung zu erzielen.

Selbst-Heilung – Bei ungünstigen Vorgängen, die zu Ausfällen führen könnten, ist das System im Rahmen seiner Möglichkeiten fähig, seine Funktion wieder herzustellen, indem es Kompensationshandlungen autonom bestimmt und ausführt.

Selbst-Schutz – Das System entdeckt Bedrohungen seiner Funktionstüchtigkeit und führt vorbeugende und korrektive Maßnahmen aus. Das Ergebnis ist ein robuster und zuverlässiger Maschinenbetrieb und eine fehlerresistente Software, die unerwünschten Abstürzen beständig widersteht.

Das Ziel, eine stabile effiziente, flexible Softwarestruktur zu erreichen wurde realisiert, so dass Benutzer die maximalen Betriebsvorteile eines anpassungsfähigen System erhalten. Es ist nicht nur leicht zu bedienen, sondern auch einfach einzusetzen und zu warten. Der Einsatz von Strichcode-Lesern automatisiert die Programmauswahl und erlaubt, sehr kleine Batches automatisch nacheinander zu fertigen. Außer beim Wechsel des Lot-Typs ist das Herausnehmen der Produkte aus der Maschine unnötig, wenn ein neues Programm erforderlich ist. Die Benutzeroberfläche berechnet die Pufferung und beschleunigt den Durchlauf.

Das Hauptmenü zeigt die aktuelle Konfiguration des Systems und den Status jedes Moduls innerhalb. Auch der Status der externen Docking Station mit dem zusätzlichen Lot-Cart. Obwohl die Docking Station nicht inline in das System integriert ist, wird über ihren CAN Knotenpunkt der zusätzliche Wechsel-Lot-Cart genauso kontrolliert und gesteuert wie der Lot-Cart, der inline in Betrieb ist. Das bedeutet, dass ein anderer Lot-Typ zum Auswechseln für ein anderes Produkt oder einen anderen Job bereit steht und durch die Umstellung auf einen andern Lot-Typ nur ein Minimum an Produktionszeit verloren geht. Ein kleiner gelber Punkt zeigt an, dass der Sensor in dieser Position einen Rahmen auf dem Transporter erkannt hat und der Maschinenbediener kann sehen, wo sich jeder Rahmen innerhalb des Systems befindet. Das ist auf den grünen Linien sichtbar, die den Transporter abbilden. Alle Menüs sind intuitiv und logisch und führen den Benutzer zur richtigen Handhabung. Das Wartungs- und Kontrollmenü ist dreigeteilt und der Bediener oder Prozesstechniker kann schnell einen Aktionsablauf wählen. Wenn ein Sensor einen Status erkennt, der nicht der Steuerung oder dem Programm entspricht, wechselt das grüne Licht in dem entsprechenden Abschnitt zu gelb oder rot, der Bediener wird sofort einen Zustand informiert, der die Produktion oder das Programm beeinträchtigen. Sobald die Ursache für die Warnung oder den Alarm behoben wurde, kann über den Button Warnungen erneut prüfen unten rechts auf der Anzeige das Status-Licht zurückgesetzt werden. Gelbe Warnungen sind genau das, nämlich Warnungen. Das System funktioniert weiterhin, erfordert jedoch einen Eingriff des Bedieners. Rote Warnungen zeigen einen Alarm an. Wird ein rotes Licht angezeigt, wird das System aus Sicherheitsgründen angehal- ten. Auch die Heizung des Vorwärm-Moduls und des Lot-Tiegels wird abgestellt. Dieser Warnungen werden entsprechend auch durch die Signalleuchte der Maschine angezeigt.

Die Management Informationsseite zeigt ständig in Echt-Zeit alle Vorgänge in der Maschine an. Die Daten können nicht nur protokolliert und an der Maschine angezeigt werden, sondern können über LAN oder das Internet fernübertragen werden wie z.B. an einen Hauptsitz oder einen zentralen Administrator. In den Bildern werden die wichtigsten Eigenschaften der Benutzeroberfläche gezeigt, aber es gibt noch viele andere Untermenüs, die weiter Informationen oder Ebenen der Programm-Steuerung anzeigen. Es ist wichtig, von zentralisierten monolithischen Steuersystemen abzurücken und schnelle, effiziente Änderungen in der Produktion zu ermöglichen, die variable Losgrößen, Materialeinsatz, Durchsätze und Produktionen unterstützen. Dies alles bei möglichst kleiner Stellfläche und offen für zukünftige Veränderungen wie zukünftige Produkte oder Taktzeiten.