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Einfach wettbewerbsfähiger durch mechatronische Konzepte

Bild 1. Beispiel für eine mechatronische Automatisierungsanwendung von Phoenix Contact

Bild 2. Die Schnittstellen mechatronischer Module müssen an der gleichen Stelle platziert werden, um die Wiederverwendung zu ermöglichen

Bild 3. Mechatronische Module in der Maschine

Die weltweite Wirtschaftskrise hat den exportorientierten deutschen Maschinenbau hart getroffen, doch es liegen erste Anzeichen der Erholung vor. Höchste Zeit also oder besser letzte Chance, um in einem wieder wachsenden Markt schneller bessere Lösungen als der Wettbewerb anbieten zu können. Neben leistungsfähigen Automatisierungssystemen können mechatronische Konzepte im Engineering hierzu einen nicht unerheblichen Beitrag leisten.

Es gibt verschiedene Ansätze, wie deutsche Maschinen für die internationalen Kunden attraktiv werden. So können sie preiswerter, langlebiger, kompakter, schneller oder präziser als Konkurrenzlösungen sein, weniger Energie verbrauchen oder sich besser in die IT-Landschaft des Betreibers integrieren lassen. In letzter Zeit kommt, zudem Faktoren wie der Qualitätsüberwachung, automatischen Justierung, einfachen Handhabung sowie dem Condition Monitoring steigende Bedeutung zu. Die meisten der genannten Punkte betreffen dabei die Automatisierung und das Engineering der Maschine. Im mechanischen Bereich ist es erheblich schwerer, ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen. Vor diesem Hintergrund ist der Maschinenbauer gut beraten, wenn er bei der Entwicklung neuer Maschinen zukünftig auf mechatronische Konzepte im Engineering setzt sowie das richtige Automatisierungssystem auswählt.

Kompakt, vielseitig und kommunikativ
Die Automatisierungstechnik hat in den vergangenen Jahren einige große, jedoch nicht sofort ersichtliche Fortschritte gemacht. Sie ist kleiner und preiswerter geworden, hat aber gleichzeitig ihre Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit gesteigert. So lässt sich eine Steuerung heute gut vernetzen, bietet bereits viele Maschinenfunktionen und kann aufgrund der Unterstützung entsprechender Standards einfach in die IT-Landschaft des Betreibers eingebunden werden. Dabei ist die Steuerungs-Hardware nicht mehr entscheidend; sie stellt lediglich die erforderlichen Anschlussmöglichkeiten und die Rechenleistung zur Verfügung. Wichtig ist vielmehr das Gesamtsystem einer Automatisierungslösung, also das Zusammenspiel der verschiedenen Systemkomponenten.

Durchgängige Automatisierungslösung
Das Automatisierungssystem von Phoenix Contact besteht aus vielen Komponenten, welche sowohl einzeln als auch gemeinsam einsetzbar sind. Im Mittelpunkt des Systems steht die Steuerung – beispielsweise ein Inline Controller –, die via Ethernet oder Profinet mit anderen Steuerungen, IO-Stationen, Technologie-Komponenten, Geräten zum Bedienen und Beobachten oder Industrie-PC sowie mit der überlagerten Leitebene vernetzt ist. Die im Feld installierten IO-Stationen und -Geräte koppeln über Feldbussysteme, wie Interbus, CAN oder AS-Interface, an die SPS an, die sich mit der Engineering-Umgebung PC Worx gemäß IEC 61131-3 einfach programmieren lässt. PC Worx unterstützt auch die für den Maschinenbau wichtigen PLCopen-Bibliotheken zur Umsetzung von Motion-Control-Aufgaben.
Die Erstellung der Visualisierungs-Anwendungen für Scada-PC sowie Geräte zum Bedienen und Beobachten erfolgt mit der Software Visu+. Die Steuerungen und die Visualisierungs-Geräte tauschen ihre Daten mittels OPC-Server, Modbus TCP oder direkten Treibern aus. Einfache Konzepte zum Bedienen und Beobachten lassen sich über den in die Steuerungen integrierten Webserver realisieren, der eine mit der Software Webvisit erzeugte Bedien-Applikation im TCP/IP-Netzwerk verteilt. Die Webserver-Lösung und die Webfunktion von Visu+ erlauben zudem eine Fernbedienung der Maschine über verschiedene TCP/IP-Netzwerke, wie das Internet, sowie Funk-, GSM- oder Telefonnetze. Die einfache und preiswerte Fernwartung von Anwendungen ist eine Anforderung, die immer mehr Betreiber an den Maschinenbauer stellen (Bild 1).

Kommunikation zwischen mechatronischen Modulen
Kombiniert der Maschinenbauer die Möglichkeiten der universellen Kommunikation zwischen den Steuerungen mit mechatronischen Modularisierungs-Konzepten, ergeben sich interessante Automatisierungs-Ansätze. Denn die mechatronische Modularisierung wird erst dann zu einer sinnvollen und wirtschaftlichen Lösung, wenn die leistungsfähige Kommunikation der einzelnen mechatronischen Module untereinander vorhanden ist. Sind sie nicht miteinander vernetzt, wären viele Sensoren oder mechanische Lösungen notwendig, was die Kosten entsprechend erhöht. Aktuell ist noch kein Standard für den Datenaustausch zwischen den mechatronischen Modulen definiert, weshalb die bekannten Feldbussysteme als Interface verwendet werden. Darüber hinaus sind die richtigen Schnittstellen in Mechanik, Elektronik und Software festzulegen. Außerdem sollte die Funktion des mechatronischen Moduls möglichst autark sein, damit sich das Modul einfach wiederverwenden lässt (Bild 2).

Mechatronische Konzepte einfach und wirtschaftlich umsetzen
Um mechatronische Konzepte im Maschinenbau umsetzen zu können, werden innovative Automatisierungslösungen benötigt. Sollen möglichst viele mechatronische Ansätze unterstützt werden, ist ein umfangreiches Portfolio an Steuerungen mit hoher Kommunikationsfähigkeit erforderlich. An die SPS müssen sich zahlreiche Feldbussysteme und Kommunikationsprotokolle ankoppeln lassen, damit der Maschinenbauer aus einem breiten Geräteprogramm verschiedener Hersteller auswählen kann. Profinet ist hier der zukünftige Standard im Maschinenbau, über den die Komponenten der meisten Anbieter in die Lösung integriert werden.
Durch die Wahl des passenden mechatronischen Modularisierungs-Konzepts können die Funktionseinheiten und insbesondere die Software-Module in vielen weiteren Projekten wiederverwendet werden. Die Mechatronik verringert somit die Projektrisiken, erhöht die Maschinenqualität und trägt zu einem kostengünstigeren und schnelleren Engineering bei. Mit dem flexiblen, universell einsetzbaren Automatisierungssystem von Phoenix Contact lassen sich mechatronische Maschinenkonzepte einfach und wirtschaftlich realisieren.

Einfacheres und schnelleres Engineering
Die mechatronische Modularisierung bietet sowohl dem Maschinenbauer als auch dem Anwender verschiedene Vorteile. So vereinfacht und beschleunigt die Wiederverwendbarkeit der Module das Engineering einer neuer Maschine respektive einer Maschinen-Variante. Das Risiko neuer Funktionen wird an den Anfang des Projekts verlagert, denn aufgrund ihres autarken Designs können erstmalig erstellte mechatronische Module bereits zu Projektbeginn entwickelt, getestet und in Betrieb genommen werden, bevor die ganze Maschine aufgebaut ist. Erneut genutzte Funktionseinheiten steigern die Verfügbarkeit einer neuen Maschine, da die Betriebsparameter des Moduls bereits bekannt sind und seine Zuverlässigkeit durch den Einsatz in mehreren anderen Maschinen stetig verbessert werden kann. Maschinenbauer und Endanwender erhalten somit eine höhere Sicherheit bei der Abwicklung des Projekts. Vertragliche Vereinbarungen und Zusicherungen lassen sich bereits bei der Vertragsgestaltung besser überblicken.
Eine mechatronische Lösung lässt sich wie folgt konzipieren: Die Maschinenfunktionen werden in einzelne Module aufgeteilt. Dabei sind die mechanischen Modulgrenzen auch die Grenzen der Elektrik und der Software. Elektrische, mechanische und Software-Schnittstellen sind möglichst allgemein zu definieren. Im Bereich der Mechanik ist unter Umständen eine Standardisierung von Baugrößen und Befestigungen erforderlich, während die Elektrik eine Umstellung des Schaltschranks von einer technologischen auf eine funktionale Aufteilung verlangt. Die Schnittstellen von Software, Mechanik und Elektrik müssen sich an der gleichen Stelle befinden, weil das mechatronische Modul ansonsten nicht rückwirkungsfrei in anderen Maschinen wiederverwendet werden kann (Bild 3).

Vielfältige Maschinenkonzepte umsetzbar
Mit dem Automatisierungssystem von Phoenix Contact lassen sich verschiedene mechatronische Maschinenkonzepte umsetzen. Dazu gehören Lösungen mit dezentralen Steuerungen für einzelne Maschinenfunktionen und -module sowie Ansätze auf Basis eines zentralen Steuerungskonzepts. Die innovativen Funktionen der Steuerungstechnik bieten in beiden Fällen die Möglichkeit, sowohl die Attraktivität der Maschine als auch die Zufriedenheit des Betreibers zu erhöhen. Intuitive und kostengünstige Bedienkonzepte, eine leistungsfähige und wirtschaftliche Steuerungstechnik sowie die einfache Integration in überlagerte IT-Systeme und die hohe Funktionalität steigern den Anwendernutzen. Im Rahmen eines mechatronischen Konzepts erlaubt das Automatisierungssystem die Wiederverwendbarkeit der Module und damit auch der Software.

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Autor: Dipl.-Ing. Claus Kühnl ist Mitarbeiter im Systemmarketing bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.