Automatisierungsplattform Motion Design für komplexe Maschinen

Autor / Redakteur: Gregory Boucaud, Reinholt Schlechter* / Karin Pfeiffer

Durchgängige Prozesse für den Maschinenbau? So richtig erst, seitdem es Plattformen gibt. Auf Pac Drive 3 greifen bis zur Inbetriebnahme alle Schritte ineinander. Und mit einem Digitalen Zwilling lassen sich auch die Motorströme exakt simulieren.

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Mit ihrer integrierten Antriebselektronik lassen sich die Servomodule Lexium 62 ILM flexibel verkabeln.
Mit ihrer integrierten Antriebselektronik lassen sich die Servomodule Lexium 62 ILM flexibel verkabeln.
(Bild: Schneider Electric)

Von der ersten Idee bis zur endgültigen Inbetriebnahme: Für die Konstruktion einer komplexen Maschinenanwendung bedarf es jeder Menge Arbeitsschritte. Dabei liegt die Messlatte immer höher. Wer etwa in der Verpackungs- oder Lebensmittelindustrie dauerhaft konkurrenzfähig bleiben möchte, ist heute mehr denn je auf eine äußerst flexible, präzise und ressourceneffiziente Anlage angewiesen. Treiber sind neben gesetzlichen Auflagen vor allem individuelle Kundenansprüche. Sie bedeuten sehr kleine Losgrößen, saisonale Sortimentswechsel sowie stark schwankende Produktionsmengen. Und das verlangt einer Maschine viel ab. Eine große Herausforderung also auch für den Maschinenhersteller.

Angefangen bei der Planung in virtueller Softwareumgebung über die Auslegung und Konstruktion der realen Anlage bis hin zu Testfahrten und Inbetriebnahme: Der Bau einer komplexen Maschine deckt nicht nur eine breite Palette an Tätigkeiten ab, er erfordert auch die Zusammenarbeit vieler unterschiedlicher Spezialisten. Damit die Maschine später trotzdem wie aus einem Guss funktioniert, sollte der Prozess möglichst ohne Brüche ineinandergreifen. Der betriebswirtschaftliche Nebeneffekt: Ein einheitliches Vorgehen beugt Fehlern und ungeplanten Zusatzkosten vor und beschleunigt die Time-to-Market.

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Der Haken: Die dafür erforderliche Kontinuität auf Software- wie Hardwareebene lässt sich im Arbeitsalltag erfahrungsgemäß nur schwer realisieren, aus vielfältigen Gründen. Zunächst einmal besteht eine Maschine nur selten aus einem homogenen Set an Bauteilen. Frequenzumrichter, Antriebe, Steuerungen oder Sicherheitselemente stammen oft von verschiedenen Herstellern. Ihre Integration erfordert meist technische Anpassungen und damit ein hohes Maß an Geduld, Zeit und Geld. Darin steckt meist viel Optimierungspotenzial. Ebenfalls problematisch: In vielen Fällen kommen unterschiedliche Softwareumgebungen für Planung, Programmierung, Inbetriebnahme und Betrieb zum Einsatz. Hier muss das Projekt immer wieder „übergeben“ oder neu angelegt werden. Das erzeugt unweigerlich multiple Dateneinträge und redundante Informationen.

Schneider Electric will hier mit einer ganzheitlichen Technologieplattform für Entwicklung, Automatisierung und Betrieb von komplexen Maschinen unterstützen. Sie liefert ein vollständiges Portfolio an leistungsstarken und platzsparenden Hardware-Komponenten und stellt auch eine einheitliche Softwarelösung für den gesamten Lebenszyklus der Maschine zur Verfügung.

Digitaler Zwilling: Momenten-Bedarf simulieren

Als erfolgskritisch gilt die Planung mit einem dynamischen und an reale Bedingungen anpassbaren, virtuellen Modell, das die gesamte Maschinenentwicklung kontinuierlich bis hin zur Inbetriebnahme begleitet. In den vergangenen Jahren hat sich auf diesem Gebiet einiges getan. Insbesondere Digital-Twin-Applikationen erleben gerade einen Boom. Schneider Electric bietet beispielsweise seinen Kunden im Maschinenbau-Segment mittlerweile die Option einer exakten Simulation von Motorströmen. Mithilfe dieses neuen Features ist es möglich, die Momente der Bewegung für jede beliebige Mechanik an einem Antriebsstrang zu bestimmen – und das in Echtzeit. An jeder einzelnen Position der Bewegung ist damit klar, welcher Momenten-, bzw. Strombedarf jeweils herrscht. Ein Antriebsstrang lässt sich somit komplett optimiert auslegen, die Wahl der passenden Antriebe und mechatronischen Komponenten ist vereinfacht. Im Sinne einer Überlagerung von IT und OT sind virtuelle 3D-Konstruktion und die spätere reale Anlage deckungsgleich. Auf diese Weise lässt sich eine Maschine bereits in der Softwareumgebung erstellen und genau auf ihre spätere Funktionsweise testen – und das, ohne auch nur einen einzigen Millimeter Stahl zu verbauen.

Die Eckdaten:

Update Antriebstechnik – Praxisforum für Konstrukteure

Datum: 14. September 2021
Uhrzeit: 8:45 bis 18:00 Uhr
Ort: Vogel Convention Center, Würzburg

Zum Programm

Um zwischen dem digitalen Zwilling und der späteren, realen Umsetzung eine möglichst hohe Kontinuität zu gewährleisten, basiert die Digital-Twin-Applikation auf den Funktionsbausteinen der „Pac Drive 3“-Systembibliothek. Setzt ein Konstrukteur also auf die Automatisierungsplattform des Tech-Konzerns, kann er auch die Motorstrom-Simulation nutzen. Zudem ist es möglich, dass die exakt geplante und bereits getestete 3D-Anlage das komplette Projekt weiterhin eng begleitet. Bei nachträglichen Änderungen etwa oder in Sachen Programmierung gilt eine hohe Durchgängigkeit als Vorteil.

3D-Modell: Passgenaue Auslegung, weniger Hardware

Generell gilt, dass möglichst genaue 3D-Modelle die Konstruktion einer Maschine erheblich erleichtern können. Da die virtuelle Maschine bereits auf den passenden Funktionsbausteinen beruht, wird auch klar, welche Bauteile sich für welche Anwendungen optimal eignen. Auch bei nachträglichen Änderungswünschen, die während eines Konstruktionsprozesses bekanntlich immer mal vorkommen können, erweisen sich exakte Simulations-Features oft als Vorteil. Mehr Leistung? Ohne Anpassungen von Weg-Zeit-Diagrammen oder weitere Berechnungen lässt sich innerhalb der Simulation die Ablauf-Geschwindigkeit ganz einfach um den gewünschten Wert erhöhen - und der Momenten-Bedarf wird automatisch neu berechnet. So ist sofort klar, ob, und wenn ja, an welcher Stelle welche neuen Antriebe ggf. benötigt werden.

Hardwareseitig soll Pac Drive 3 dem Ingenieur alles in puncto Automatisierung von anspruchsvollen Maschinen bieten, was er für die reale Auslegung seiner Anwendung braucht. Dazu zählen etwa Servomotoren und -antriebe, Robotik-Komponenten (Delta- und Kartesische-Roboter), Sicherheitskomponenten sowie leistungsstarke Motion-Steuerungen. Zudem stehen Einkabel-Motoren und dezentral installierbare ILM und ILD-Antriebe zur Verfügung – das hält den Verkabelungsaufwand und Platzbedarf im Schaltschrank gering. Dank Sicherheitsprotokoll via Sercos lässt sich zudem die Kommunikation der sicherheitsrelevanten Elemente in die Standardkommunikation integrieren. So ist hier keine zusätzliche dedizierte Verkabelung erforderlich.

Und die uneingeschränkte Kommunikationsfähigkeit der einzelnen Bauteile ist auf Basis einer ganzheitlichen Technologieplattform jederzeit sichergestellt. Kommt alles aus einer Hand, geht keine Zeit für Schnittstellenprogrammierung verloren.

Programmierung: Funktionsbausteine und simulierte Codes

Stichwort Programmierung: Bei PacDrive 3 findet sie innerhalb der Softwareumgebung „EcoStruxure Machine Expert“ statt. Das Maschinen-Framework erlaubt es, die komplette Maschine mit nur einer einzigen Software zu automatisieren – von Frequenzumrichtern und HMIs (Human Machine Interface) über Motion und Robotik bis hin zu Steuerungen und Sicherheitsanwendungen. Das Framework umfasst dabei standardmäßig neben der Betriebsartenverwaltung und einer Ausnahmebehandlung (Maschinenfehler, Not-Halt, usw.) auch die Ablaufsteuerung der Maschine, gekapselte mechatronische Funktionen sowie generische Hilfsmittel zur Inbetriebnahme und Loggingfunktionen.

Die Funktionsbausteine dafür sind so ausgelegt, dass sie das Maximum an Performance aus den einzelnen mechatronischen Komponenten herausholen können. In Form vordefinierter Softwarebausteine helfen sie dabei, auch komplexere Funktionsabläufe schneller und weniger fehleranfällig zu programmieren. Schneider Electric hat die Funktionsmodule zum Beispiel bereits auf Anwendungen im Bereich CPG zugeschnitten. Zur Verfügung stehen etwa Module für Smart-Infeed, Crank, Robotik, Multibelt und Unwinder. Eine eigene Entwicklung und Testung von modularen Maschinencodes ist ebenfalls möglich.

Automatisierer sollen bei PacDrive 3 auch von der Vorarbeit der Konstrukteure profitieren können. Das in der Planung erstellte 3D-Modell erlaubt nämlich mehr als nur eine rein mechanische Kollisionsprüfung. Da sich mithilfe der fortschrittlichen Digital Twin-Applikation auch der Momenten-Bedarf für jede einzelne Bewegung simulieren und errechnen lässt, steht dem Automatisierungstechniker praktisch zeitgleich ein fertiger Programmcode für den Motion-Part seiner Maschine zur Verfügung. Das gilt auch für die Reaktion auf Sensorik. Wie das Programm beispielsweise auf Lichtgitter zu reagieren hat, wird bereits in der Simulation festgelegt, getestet und kann nahtlos an den Automatisierer übergeben werden. Somit lässt sich ein Großteil des Simulationsprogramms später als Ausgangspunkt (Demo-Programm) für die vollständige Programmierung der Maschine nutzen.

Inbetriebnahme: Digitaler Zwilling leistet Vorarbeit

Doch bekanntlich zeigt sich erst bei der Inbetriebnahme einer Maschine, ob Konstruktion und Programmierung alle Parameter korrekt eingestellt haben. Selbst mit detaillierten Simulationen und Tests lässt sich das Risiko böser Überraschungen nicht ganz vermeiden – häufig wegen statischer Reglereinstellungen. Der Regler regelt anhand der ermittelten Massenträgheit und der damit korrespondierenden, festeingestellten Stromvorsteuerung die exakte Bewegung der Mechanik. Weichen die errechneten Daten jedoch von den tatsächlich vorgefundenen Gegebenheiten ab, muss das Inbetriebnahme-Team meist aufwendig nachjustieren und ausprobieren.

Verspannter Laufschlitten, abweichende Reibwerte, falsch bemessener Schwergang des Getriebes: Wenn virtuelle Idealbedingungen und Realität nicht zusammenpassen, zahlt sich eine dynamische Stromversorgung aus. Die „Pac Drive 3“-Motion Controller können dank hoher Rechenleistung und Echtzeitübertragung die vielen Achsen einer Maschine mit einer dynamischen und präzisen Vorsteuerung bewegen. Auf diese Weise stellt sich die Anlagen bereits bei der Inbetriebnahme auf die vom Sollwert abweichenden Gegebenheiten ein. Die Echtzeit-Vorberechnung der Drehmomente erfolgt dabei auf Basis eines an den realen Verhältnissen orientierten und dynamisch veränderbaren Lastmodells.

Auch ein Thema der Inbetriebnahme: das Hochladen der Firmware. Üblicherweise macht sich der Automatisierungstechniker während der Inbetriebnahme-Phase mit dem Laptop auf den Weg und geht Komponente zu Komponente durch, um alle Parameter detailliert einzustellen – ein meist aufwendiger Prozess. Bei Pac Drive 3 ist das nicht erforderlich. Hier beschleunigt die Funktion „Fast Device Replacement“ mit einem automatischen Software-Upload nicht nur den Start einer neuen Maschine. Auch im Austauschfall muss die neue Komponente nicht eigens parametriert werden. Die Firmware wird automatisch geladen, was Stillstandzeiten minimiert.

Schneider Electric geht davon aus, dass bei der Konstruktion einer komplexen Maschine wie etwa in der Verpackungs- oder Lebensmittelindustrie ein möglichst durchgängiger und einheitlicher Entwicklungsprozess zur Grundvoraussetzung wird – zumal er die Firmenerhebungen zufolge die Maschinenintegration bis zu 40 Prozent beschleunigt.

* *Gregory Boucaud, High Performance & Robotics Offer Manager;

* Reinholt Schlechter, Segment Manager CPG, Industry Business bei Schneider Electric

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