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Wenn Automatisierungskomponenten intelligent werden

01 Durch die Z-Faltung benötigen Miniatursteuerungen der neusten Generation nur noch 2,2 cm3 Platz (Bild: Elrest GmbH)

01 Durch die Z-Faltung benötigen Miniatursteuerungen der neusten Generation nur noch 2,2 cm3 Platz (Bild: Elrest GmbH)

02 Miniatursteuerung in einem Asys-Stopper (Bild: Festo AG & Co. KG)

02 Miniatursteuerung in einem Asys-Stopper (Bild: Festo AG & Co. KG)

03 Der Versuchsaufbau am ISW

03 Der Versuchsaufbau am ISW

In den 1970er-Jahren zu Beginn der dritten industriellen Revolution war es noch ein großer Erfolg: PC-basierte Steuerungen für automatisierte Maschinen, die nur Schaltschränke statt ganze Hallen füllten. Im Zuge von Industrie 4.0 erfolgte der nächste konsequente Schritt in diese Richtung: Steuerungen für Automatisierung gibt es nun im Miniaturformat. Das Forschungsprojekt Devekos des BMWi will herausfinden, welche Möglichkeiten Mini-Platinen für die Automatisierungstechnik (Bild 1) bieten, die in einem Spielwürfel Platz finden und trotzdem komplexe Aufgaben lösen können.
Moderne Entwicklungen in der Elektronik und Computerhardware, wie der Miniaturcomputer Raspberry Pi, stellen unter Beweis, dass der Bauraum von PC nicht mehr komplette Schaltschränke füllen muss (Bild 2). Die Frage, ob Komponenten mit integrierter Miniatursteuerung technisch möglich sind, wurde somit inzwischen beantwortet. Stattdessen arbeiten Experten daran, die Antworten auf die nächsten Fragen zu finden, wie zum Beispiel:

  • Wie verändert sich das Zusammenspiel der Ansteuerung, wenn Komponenten an Intelligenz gewinnen?
  • Wie wird in Zukunft zwischen intelligenten Komponenten kommuniziert?
  • Wie kann man Systemen aus intelligenten Akteuren ein Ziel vermitteln?
  • Wie können intelligente Komponenten so zusammenarbeiten, dass sie gemeinsam mehr können als die Summe ihrer Teile?

Daran arbeitet das Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart gemeinsam mit einem Konsortium us Komponentenherstellern für Automatisierungssysteme, einem Anwendercluster, Herstellern von Steuerungen und Engineeringtools sowie weiteren Forschungspartnern in dem Konsortialprojekt Devekos, das im Förderprogramm Paice des BMWi angesiedelt ist. Die Spezialisten des ISW betrachten dabei zwei eng verknüpfte Thematiken: Eine echtzeitfähige, serviceorientierte Gesamtkommunikationslösung für intelligente Mehrkomponentensysteme sowie ein Konzept zur verteilten Interpolation mit den Komponenten.
Kommunikation und verteilte Interpolation
Der Vision der intelligenten Komponenten stehen in der industriellen Praxis Herausforderungen, wie stark verteilte, in Echtzeit kommunizierenden Netzwerke, gegenüber. Heutige industrielle Kommunikationssysteme erfüllen zwar anspruchsvolle Echtzeitanforderungen, sind aber nicht für die Verwendung in serviceorientierten, skill-basierten Ansätzen geeignet, da die Protokolle nicht auf dezentrale Kommunikation ausgerichtet sind. Um eine echtzeitfähige Kommunikation zu gewährleisten, muss eine geeignete Architektur erstellt bzw. ausgewählt werden. Hierzu bedarf es einer umfangreichen Analyse bestehender Industrial-Ethernet- und Feldbussysteme und neuartiger Kommunikationsansätze. Eine wichtige Rolle spielt hierbei die Industrie-4.0-Kompatibilität der Kommunikationslösung. Ein Ziel des Projekts ist deshalb die Erarbeitung eines standardisierten Kommunikationskonzepts zwischen Industrie-4.0-Komponenten bzw. deren Verwaltungsschalen.
Mit den dezentral gesteuerten Komponenten sollen höherwertige Skills komponiert werden. Dafür werden Basisskills der Komponenten kombiniert, um neue, höherwertige Skills zu kreieren. Diese Kombination lässt sich bis zum Maschinenlevel durchführen, sodass die Maschine als Ganzes zum Beispiel den Skill „Produziere Teil“ anbieten kann. Ein Beispiel für diese Kombination von Basisskills ist die gemeinsame Interpolation mehrerer Positionierkomponenten. Hierfür sind geeignete Algorithmen zu analysieren, welche die Positionsregelung der einzelnen Komponente sowie die Synchronisierung zwischen mehreren Komponenten ermöglichen. Die Synchronisierung muss auch bei Verzögerungen einzelner, an der Interpolation beteiligter Komponenten, eine bahntreue Verfahrbewegung aller Komponenten sicherstellen. Eine Programmierschnittstelle soll die Definition der programmierten Bahn definieren und bei Bedarf eine Optimierung anbieten.
Vorteile intelligenter Automatisierungskomponenten
Wie bereits dargestellt, sind viele Anpassungen in der Konzeption von Automatisierungssystemen notwendig. Stationäre Anlagen, die über mehrere Jahrzehnte unverändert produktiv sind, können mithilfe von zentralen Steuerungen und klassischen Komponenten ohne Miniatursteuerung weiter bestehen. Häufig rekonfigurierte Automatisierungssysteme profitieren jedoch von deren Vorteilen, da die erforderlichen Zeiten für die Erweiterung, Umrüstung und Wartung einer Maschine in einer wandlungsfähigen Produktion zu den Schlüsselstellen der Produktivität gehören. Im kompletten Lebenszyklus einer Anlage, vom Engineering und technischen Vertrieb über die Produktion bis zu Umrüstungen und Wiederverwendung von Anlagenmodulen, stellt die bisherige zentralistische Steuerungsarchitektur hohe zeitliche Anforderungen an die Durchführung der einzelnen Schritte. Diese Aufwände können durch die skill-basierte Ansprache der Komponenten und der Intelligenz in Miniatursteuerungen stark verringert werden.
Mit intelligenten Automatisierungskomponenten muss sich der Anwender nicht mehr mit deren jeweiligen Spezifikationen auseinandersetzen. Unabhängig davon, ob eine Achse pneumatisch oder elektrisch verfährt, bleibt ihr Skill (z. B. „Fahre zu Position“) identisch. Das ermöglicht einen schnellen Komponententausch, ohne die bisher nötige Rücksichtnahme auf Feldbussystem, Herstellerkompatibilität und Engineeringsyteme. Die Programmierung der Abläufe lässt sich auf Basis von Hochsprachen umsetzen.
Die Komplexität in den Komponenten kann durch Skills gekapselt werden, sodass der Anwender keine speziellen Protokolle und Ansteuersignalfolgen beachten muss. Engineeringtools ermöglichen die Prozessplanung, ohne sich vorher auf konkrete Komponenten zur Umsetzung festlegen zu müssen. So kann bereits der Kaufentscheidungsprozess anhand konkreter Planungsskizzen vereinfacht werden, die dann direkt in der Programmierung des Automatisierungssystems Eingang finden.
Auf Basis des Forschungsprojekts Devekos können Standards geschaffen werden, die die Vorgehensweise zum Engineering mit intelligenten Automatisierungskomponenten klären. Erste Schritte wurden bereits unternommen und durch Prototypen validiert. Trotzdem bleiben noch offene Fragestellungen und Herausforderungen. Ein Paradigmenwechsel erfordert sowohl möglichst einfach einsetzbare Automatisierungskomponenten als auch die dazugehörenden Engineeringtools. Speziell die Kombination von Green- und Brownfield-Komponenten muss möglich sein, um Anwendern den Einstieg zu erleichtern.
Aktuelle Arbeiten am Institut
Am ISW wurde ein Demonstrator mit kommerziell verfügbarer Motion-Control-Hardware zur Validierung der Kommunikations- und Ansteuerungslösung aufgebaut (Bild 3). Die Ansteuerung erfolgt mit der Simulationsumgebung Matlab Simulink, um die Algorithmen zur verteilten Interpolation zu testen. Die Dezentralität wird bereits durch eine Modulstruktur und unabhängige Modelle pro Komponente vorbereitet. Ein Projektpartner entwickelt parallel Miniatursteuerungen, auf denen die Algorithmen später umgesetzt werden sollen.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Definition von geeigneten Kommunikationsprotokollen zum Transport der notwendigen Informationen zwischen den gemeinsam interpolierenden Komponenten. Hier sind die Schnittstellen in enger Abstimmung mit den Algorithmen zur verteilten Interpolation zu bestimmen. Bis zum Projektende im März 2020 sollen am Demonstrator alle vorhandenen Achsen dezentrale und unabhängige Ansteuerungen erhalten. Das soll die gemeinsame Interpolation in verschiedenen Anwendungs- sowie Fehlerfällen demonstrieren. (no)

M.Sc. Caren Dripke ist Gruppenleiterin „Industrielle Steuerungstechnik” am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart. caren.dripke@isw.uni-stuttgart.de

M.Sc. Caren Dripke ist Gruppenleiterin „Industrielle Steuerungstechnik” am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart. caren.dripke@isw.uni-stuttgart.de