Was OEMs und Entwicklungsingenieure über Motoren, Antriebe und Steuerungen wissen müssen.

Ob Konstrukteure eine bewegungsorientierte Maschine verbessern oder eine neue entwickeln, es ist unerlässlich, dass sie von Anfang an die Bewegungssteuerung berücksichtigen. Dann können sie die Konstruktion so ausrichten, dass eine effektive und effiziente Automatisierung optimal erreicht wird.

Bewegungsbasierte Maschinen sollten um ihre Kernfunktionen herum konstruiert und gebaut werden. Bei einer Druckmaschine, die beispielsweise auf bestimmte Wickelanwendungen angewiesen ist, konzentrieren sich die Konstrukteure auf die kritischen Teile und entwickeln den Rest der Maschine zur Unterstützung der Kernfunktionen.

Das klingt nach Grundlagen der Konstruktionstechnik, doch angesichts des Zeitdrucks bei der Markteinführung und der traditionellen Trennung von Teams in die Bereiche Mechanik, Elektrotechnik und Software gerät die Konstruktion leicht in einen weitgehend linearen Prozess zurück. Die Konstruktion mit Blick auf die Bewegungssteuerung erfordert jedoch einen mechatronischen Ansatz, der die Entwicklung der ersten Konzepte, die Festlegung der Systemtopologie und des Maschinenansatzes sowie die Auswahl der Verbindungsschnittstelle und der Softwarearchitektur umfasst.

Hier sind einige wesentliche Aspekte von Motoren, Antrieben, Steuerungen und Software, die Ingenieure von Beginn jedes Maschinenkonstruktionsprojekts an berücksichtigen sollten, um Ineffizienzen, Fehler und Kosten zu reduzieren und es OEMs zu ermöglichen, Kundenprobleme in kürzerer Zeit zu lösen.

【Der Designprozess】

Die Art und Weise, wie und wo sich Teile bewegen, ist typischerweise der Bereich, in dem Ingenieure den größten Teil ihrer Entwicklungsarbeit investieren, insbesondere bei der Entwicklung innovativer Maschinen. Obwohl innovative Konstruktionen mit Abstand am zeitaufwändigsten sind, bieten sie oft den höchsten ROI, insbesondere wenn Teams die neuesten Methoden der virtuellen Konstruktion und modulare Designs nutzen.

Der erste Schritt bei der Entwicklung einer Maschine von Grund auf besteht darin, sich zu fragen: Was sind die entscheidenden Funktionen dieser Maschine? Es könnte darum gehen, eine Maschine zu entwickeln, die leicht zu reinigen, wartungsarm oder hochpräzise ist. Es gilt, die Technologie zu ermitteln, die die erforderliche Funktion, Leistung oder den gewünschten Wartungsaufwand gewährleistet.

Je komplexer das zu lösende Problem, desto schwieriger ist es, die wichtigsten Funktionen zu bestimmen. Ziehen Sie die Zusammenarbeit mit einem auf Bewegungsautomatisierung spezialisierten Anbieter in Betracht, der Ihnen helfen kann, die entscheidenden Details zu definieren und den richtigen Ansatz zu finden.

Fragen Sie sich dann: Was sind die Standardfunktionen der Maschine? Um beim Beispiel der Druckmaschine zu bleiben: Die Spannungs- und Sensorsteuerung zum Abwickeln des Druckmaterials ist weitgehend standardisiert. Tatsächlich sind etwa 80 % der Aufgaben einer neuen Maschine Variationen der Aufgaben älterer Maschinen.

Durch den Einsatz modularer Hardware und Code-Programmierung zur Erfüllung der technischen Anforderungen für Standardfunktionen wird der Ressourcenaufwand für die Projektabwicklung erheblich reduziert. Zudem werden bewährte Funktionen genutzt, was die Zuverlässigkeit erhöht und es Ihnen ermöglicht, sich auf komplexere Aspekte der Entwicklung zu konzentrieren.

Die Zusammenarbeit mit einem Partner im Bereich Bewegungssteuerung, der Standardfunktionen mit modularer Hardware und Software bereitstellen kann, ermöglicht es Ihnen, sich auf die Mehrwertmerkmale zu konzentrieren, die Ihr Produkt von dem der Konkurrenz abheben.

In einem typischen Konstruktionsprojekt entwickeln Maschinenbauingenieure die Maschinenstruktur und ihre mechanischen Komponenten; Elektrotechniker ergänzen die Elektronik, einschließlich Antriebe, Verkabelung und Steuerung; und Softwareingenieure programmieren den Code. Jedes Mal, wenn ein Fehler oder ein Problem auftritt, muss das Projektteam den Entwurf korrigieren. Viel Zeit und Energie im Konstruktionsprozess wird für die Überarbeitung des Entwurfs aufgrund von Änderungen oder Fehlern aufgewendet. Glücklicherweise gehören die Konstruktion von Mechanik mit CAD-Software und die isolierte Planung und Konstruktion fast der Vergangenheit an.

Virtuelles Engineering ermöglicht es Teams heute, die Funktionsweise von Maschinen parallel zu entwickeln und so den Entwicklungszyklus und die Markteinführungszeit deutlich zu verkürzen. Durch die Erstellung eines digitalen Zwillings (einer virtuellen Repräsentation der Maschine) kann jede Abteilung eigenständig arbeiten und Bauteile sowie Steuerungselemente parallel zum Rest des Teams entwickeln.

Ein digitaler Zwilling ermöglicht es Ingenieuren, verschiedene Maschinendesigns und -technologien schnell zu testen. Beispielsweise muss in einem Prozess Material in eine Maschinenzuführung eingespeist werden, bis die gewünschte Menge erreicht ist, und anschließend wird das Material geschnitten. Das bedeutet, dass die Zuführung gestoppt werden muss, sobald das Material geschnitten werden soll. Es gibt verschiedene Lösungsansätze, die sich jedoch alle auf den Gesamtbetrieb der Maschine auswirken können. Mit einem digitalen Zwilling lassen sich verschiedene Lösungen einfach ausprobieren oder Komponenten umpositionieren, um deren Auswirkungen auf den Betrieb zu analysieren. Dies führt zu effizienterer (und weniger) Prototypenentwicklung.

Virtuelles Engineering ermöglicht es allen Entwicklungsteams, zu sehen, wie die gesamte Maschine und ihre sich überschneidenden Konzepte zusammenwirken, um ein bestimmtes Ziel oder mehrere Ziele zu erreichen.

【Auswahl der Topologie】

Komplexe Konstruktionen mit mehreren Funktionen, mehrachsigen Bewegungsabläufen, mehrdimensionaler Bewegung sowie höherem Durchsatz und höherer Leistung machen die Systemtopologie ebenso komplex. Die Wahl zwischen zentralisierter, controllerbasierter oder dezentraler, antriebsbasierter Automatisierung hängt von der jeweiligen Maschine ab. Ihre Gesamt- und Detailfunktionen beeinflussen die Entscheidung für eine zentrale oder dezentrale Topologie. Auch der Platzbedarf im Schaltschrank, die Maschinengröße, die Umgebungsbedingungen und die Installationszeit spielen eine Rolle.

Zentralisierte Automatisierung. Die beste Methode zur koordinierten Bewegungssteuerung komplexer Maschinen ist die controllerbasierte Automatisierung. Die Bewegungssteuerungsbefehle werden üblicherweise über einen standardisierten Echtzeitbus wie EtherCAT an spezifische Servoumrichter weitergeleitet, die dann alle Motoren ansteuern.

Mit controllerbasierter Automatisierung lassen sich mehrere Bewegungsachsen koordinieren, um eine komplexe Aufgabe auszuführen. Diese Topologie ist ideal, wenn die Bewegung im Mittelpunkt der Maschine steht und alle Teile synchronisiert werden müssen. Ist es beispielsweise entscheidend, dass sich jede Bewegungsachse an einer bestimmten Position befindet, um einen Roboterarm korrekt zu positionieren, ist controllerbasierte Automatisierung die richtige Wahl.

Dezentrale Automatisierung. Dank kompakterer Maschinen und Maschinenmodule reduziert oder eliminiert die dezentrale Bewegungssteuerung die Belastung der Maschinensteuerung. Stattdessen übernehmen kleinere Frequenzumrichter die dezentrale Steuerung, ein E/A-System wertet die Steuersignale aus, und ein Kommunikationsbus wie EtherCAT bildet ein durchgängiges Netzwerk.

Dezentrale Automatisierung ist ideal, wenn ein Teil der Maschine die Verantwortung für die Ausführung einer Aufgabe übernehmen kann und nicht ständig an die zentrale Steuerung berichten muss. Stattdessen arbeitet jeder Teil der Maschine schnell und unabhängig und meldet sich erst zurück, wenn seine Aufgabe abgeschlossen ist. Da in einer solchen Anordnung jedes Gerät seine eigene Last bewältigt, kann die Gesamtmaschine von einer höheren verteilten Rechenleistung profitieren.

Zentrale und dezentrale Steuerung. Zentrale Automatisierung sorgt für Koordination, dezentrale für effizientere verteilte Rechenleistung. Eine Kombination beider Ansätze ist jedoch oft die beste Wahl. Die endgültige Entscheidung hängt von übergeordneten Anforderungen ab, darunter Ziele in Bezug auf Kosten/Nutzen, Durchsatz, Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheitsanforderungen.

Je komplexer das Projekt, desto wichtiger ist ein Partner im Bereich Bewegungssteuerung, der zu den verschiedenen Aspekten beratend zur Seite steht. Wenn der Maschinenbauer die Vision und der Automatisierungspartner die Werkzeuge beisteuert, entsteht die beste Lösung.

【Maschinennetzwerk】

Die Schaffung einer sauberen, zukunftssicheren Vernetzung ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung von Systemen mit Bewegungssteuerung. Das Kommunikationsprotokoll ist genauso wichtig wie der Standort von Motoren und Antrieben, denn es geht nicht nur um die Funktion der Komponenten, sondern auch um deren Vernetzung.

Eine gute Planung reduziert die Anzahl der Kabel und deren Länge. Beispielsweise lassen sich 10 bis 15 Kabel zu einem entfernten Terminal durch ein Ethernet-Kabel mit einem industriellen Kommunikationsprotokoll wie EtherCAT ersetzen. Ethernet ist nicht die einzige Option, aber egal für welches Protokoll Sie sich entscheiden, stellen Sie sicher, dass Sie die passenden Kommunikationsgeräte oder -busse verwenden, um gängige Protokolle nutzen zu können. Die Wahl eines geeigneten Kommunikationsbusses und eine sorgfältige Planung der Kabelführung erleichtern zukünftige Erweiterungen erheblich.

Konzentrieren Sie sich von Anfang an auf ein durchdachtes Design im Gehäuse. Platzieren Sie beispielsweise Netzteile nicht in der Nähe von elektronischen Bauteilen, die durch magnetische Störungen beeinträchtigt werden könnten. Bauteile mit hohen Strömen oder Frequenzen können elektrische Störungen in den Leitungen erzeugen. Halten Sie daher Hochspannungsbauteile von Niederspannungsbauteilen fern, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten. Prüfen Sie außerdem, ob Ihr Netzwerk über die erforderlichen Sicherheitszertifizierungen verfügt. Falls nicht, benötigen Sie wahrscheinlich festverdrahtete, redundante Sicherheitsverbindungen, damit im Fehlerfall eines Bauteils der Ausfall erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.

Mit dem zunehmenden Einsatz des industriellen Internets der Dinge (IIoT) sollten Sie die Integration erweiterter Funktionen in Betracht ziehen, deren Nutzung Sie oder Ihre Kunden möglicherweise noch nicht vorbereitet haben. Durch die Integration dieser Funktionen in die Maschine wird deren spätere Aufrüstung deutlich vereinfacht.

【Software】

Branchenschätzungen zufolge werden OEMs schon bald 50–60 % ihrer Entwicklungszeit für Softwareanforderungen aufwenden müssen. Die Verlagerung des Fokus von der Mechanik hin zur Benutzeroberfläche benachteiligt kleinere Maschinenbauer im Wettbewerb, kann aber gleichzeitig gleiche Wettbewerbsbedingungen für Unternehmen schaffen, die modulare Software und standardisierte, offene Protokolle einsetzen.

Die Organisation von Software kann die Möglichkeiten einer Maschine sowohl heute als auch in Zukunft erweitern oder einschränken. Ähnlich wie modulare Hardware verbessert modulare Software die Geschwindigkeit und Effizienz des Maschinenbaus.

Nehmen wir beispielsweise an, Sie entwickeln eine Maschine und möchten zwischen zwei Phasen einen zusätzlichen Schritt einfügen. Bei modularer Software können Sie einfach eine Komponente hinzufügen, ohne neu programmieren oder den Code umschreiben zu müssen. Und wenn sechs Abschnitte dieselbe Aufgabe erfüllen, können Sie den Code nur einmal schreiben und ihn für alle sechs Abschnitte wiederverwenden.

Modulare Software ermöglicht nicht nur eine effizientere Konstruktion, sondern bietet Ingenieuren auch die von Kunden gewünschte Flexibilität. Angenommen, ein Kunde wünscht sich eine Maschine für Produkte unterschiedlicher Größe, wobei die größte Größe eine Anpassung der Funktionsweise eines Maschinenteils erfordert. Mit modularer Software können Konstrukteure diesen Teil einfach austauschen, ohne die übrigen Maschinenfunktionen zu beeinträchtigen. Dieser Wechsel kann automatisiert werden, sodass der OEM oder sogar der Kunde schnell zwischen verschiedenen Maschinenfunktionen umschalten kann. Da das Modul bereits in der Maschine integriert ist, muss nichts neu programmiert werden.

Maschinenbauer können eine Standardbasismaschine mit optionalen Funktionen anbieten, um den individuellen Anforderungen jedes Kunden gerecht zu werden. Die Entwicklung eines Portfolios an mechanischen, elektrischen und Softwaremodulen erleichtert die schnelle Zusammenstellung konfigurierbarer Maschinen.

Um die maximale Effizienz modularer Software zu erzielen, ist die Einhaltung von Industriestandards unerlässlich, insbesondere bei der Zusammenarbeit mit mehreren Zulieferern. Halten sich die Zulieferer von Antrieben und Sensoren nicht an die Industriestandards, können die Komponenten nicht miteinander kommunizieren, und die Vorteile der Modularität gehen durch die aufwändige Suche nach geeigneten Verbindungsoptionen verloren.

Wenn Ihr Kunde plant, den Datenstrom mit einem Cloud-Netzwerk zu verbinden, ist es außerdem unerlässlich, dass jegliche Software unter Verwendung von Industriestandardprotokollen erstellt wird, damit die Maschine mit anderen Maschinen zusammenarbeiten und mit Cloud-Diensten interagieren kann.

OPC UA und MQTT sind die gängigsten Standard-Softwarearchitekturen. OPC UA ermöglicht die Kommunikation in nahezu Echtzeit zwischen Maschinen, Steuerungen, der Cloud und anderen IT-Geräten und kommt einer ganzheitlichen Kommunikationsinfrastruktur wohl am nächsten. MQTT ist ein schlankeres IIoT-Messaging-Protokoll, das die Kommunikation zwischen zwei Anwendungen ermöglicht. Es wird häufig in einem einzelnen Produkt eingesetzt – beispielsweise um einem Sensor oder einem Antrieb zu ermöglichen, Informationen von einem Produkt abzurufen und an die Cloud zu senden.

【Cloud-Konnektivität】

Vernetzte, geschlossene Regelkreise sind zwar noch weit verbreitet, doch Fabriken, die vollständig mit der Cloud vernetzt sind, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dieser Trend könnte die vorausschauende Wartung und datengesteuerte Produktion deutlich verbessern und stellt die nächste große Veränderung in der Fabriksoftware dar; sie beginnt mit der Fernkonnektivität.

Cloudvernetzte Anlagen analysieren Daten aus verschiedenen Prozessen und Produktionslinien, um ein umfassenderes Bild des Produktionsprozesses zu erstellen. Dadurch können sie die Gesamtanlageneffektivität (OEE) verschiedener Produktionsanlagen vergleichen. Innovative OEMs arbeiten mit bewährten Automatisierungspartnern zusammen, um cloudfähige Maschinen mit modularen Industrie-4.0-Funktionen anzubieten, die die benötigten Daten an die Endnutzer übermitteln können.

Für Maschinenbauer wird der Einsatz von Bewegungssteuerungsautomatisierung und ein ganzheitlicher, prozessübergreifender Ansatz zur Steigerung der Effizienz der Anlagen oder Unternehmen ihrer Kunden mit Sicherheit zu mehr Aufträgen führen.