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

Unabhängig davon, ob Designer eine bewegungsorientierte Maschine verbessern oder eine neue bauen, ist es wichtig, dass sie zunächst die Bewegungssteuerung im Hinterkopf haben. Anschließend können sie das Design so entwickeln, dass es am besten zu einer effektiven und effizienten Automatisierung führt.

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

Das hört sich nach Design Engineering 101 an, aber angesichts des Zeitdrucks bei der Markteinführung und der traditionell in den Abteilungen Mechanik, Elektrik und Software isolierten Teams ist es für die Konstruktion leicht, zu einem weitgehend linearen Prozess zurückzukehren. Das Entwerfen unter Berücksichtigung der Bewegungssteuerung erfordert jedoch einen mechatronischen Ansatz, der die Entwicklung erster Konzepte, die Festlegung der Systemtopologie und des Maschinenansatzes sowie die Auswahl der Verbindungsschnittstelle und Softwarearchitektur umfasst.

Hier sind einige wesentliche Aspekte von Motoren, Antrieben, Steuerungen und Software aufgeführt, die Ingenieure von Anfang an bei jedem Maschinenkonstruktionsprojekt berücksichtigen sollten, um Ineffizienzen, Fehler und Kosten zu reduzieren und es OEMs gleichzeitig zu ermöglichen, Kundenprobleme in kürzerer Zeit zu lösen.

【Der Designprozess】

In der Art und Weise, wie und wohin sich Teile bewegen, widmen Ingenieure in der Regel den größten Teil ihrer technischen Anstrengungen, insbesondere bei der Entwicklung innovativer Maschinen. Obwohl innovative Builds bei weitem am zeitaufwändigsten sind, bieten sie oft den größten ROI, insbesondere wenn Teams die neuesten virtuellen Engineering- und modularen Designs nutzen.

Der erste Schritt bei der Entwicklung einer Maschine von Grund auf ist die Frage: Was sind die entscheidenden Funktionen dieser Maschine? Es könnte darum gehen, eine Maschine herzustellen, die leicht zu reinigen, wartungsarm oder hochpräzise ist. Identifizieren Sie die Technologie, die die erforderliche Funktion, Leistung oder das erforderliche Wartungsniveau bietet.

Je komplexer das zu lösende Problem ist, desto schwieriger wird es, die wichtigsten Funktionen zu bestimmen. Erwägen Sie die Zusammenarbeit mit einem Anbieter von bewegungsorientierter Automatisierung, der Ihnen dabei helfen kann, die kritischen Details zu definieren und den richtigen Ansatz zu ermitteln.

Dann fragen Sie: Was sind die Standardfunktionen der Maschine? Um beim früheren Beispiel einer Druckmaschine zu bleiben: Die Spannung und die Sensorsteuerung zum Abwickeln des zu bedruckenden Materials sind ziemlich standardmäßig. Tatsächlich sind etwa 80 % der Aufgaben einer neuen Maschine Variationen der Aufgaben früherer Maschinen.

Durch den Einsatz modularer Hardware und Codeprogrammierung zur Bewältigung der technischen Anforderungen für Standardfunktionen wird der Umfang der für die Fertigstellung des Projekts erforderlichen Designressourcen erheblich reduziert. Darüber hinaus nutzt es bewährte Funktionen, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht wird und Sie sich auf komplexere Teile des Designs konzentrieren können.

Wenn Sie mit einem Motion-Control-Partner zusammenarbeiten, der Standardfunktionen mit modularer Hardware und Software bereitstellen kann, können Sie sich auf die Mehrwertfunktionen konzentrieren, die Ihr Produkt von denen der Konkurrenz unterscheiden.

In einem typischen Designprojekt bauen Maschinenbauingenieure die Struktur der Maschine und ihre mechanischen Komponenten; Elektroingenieure fügen die Elektronik hinzu, einschließlich Antrieben, Kabeln und Steuerungen; und dann schreiben Softwareentwickler den Code. Jedes Mal, wenn es einen Fehler oder ein Problem gibt, muss das Projektteam einen Rückzieher machen und es korrigieren. Im Designprozess wird so viel Zeit und Energie darauf verwendet, das Design aufgrund von Änderungen oder Fehlern noch einmal zu überarbeiten. Glücklicherweise gehören die Konstruktion von Mechaniken mit CAD-Software und isolierte Planung und Konstruktion nahezu der Vergangenheit an.

Heutzutage können Teams dank Virtual Engineering mithilfe mehrerer paralleler Pfade entwerfen, wie Maschinen funktionieren, wodurch sich der Entwicklungszyklus und die Markteinführungszeit drastisch verkürzen. Durch die Erstellung eines digitalen Zwillings (einer virtuellen Darstellung der Maschine) kann jede Abteilung eigenständig arbeiten und gleichzeitig mit dem Rest des Teams Teile und Steuerungen entwickeln.

Mit einem digitalen Zwilling können Ingenieure schnell verschiedene Designs einer Maschine sowie Ihre Maschinentechnologien testen. Beispielsweise kann es bei einem Prozess erforderlich sein, dass Material einer Maschinenzuführung zugeführt wird, bis die gewünschte Menge gesammelt ist, und dass das Material dann geschnitten wird. Das bedeutet, dass Sie eine Möglichkeit finden müssen, den Vorschub immer dann anzuhalten, wenn das Material geschnitten werden muss. Es gibt mehrere Möglichkeiten, mit dieser Herausforderung umzugehen, und alle davon können sich auf die Funktionsweise der gesamten Maschine auswirken. Das Ausprobieren verschiedener Abhilfemaßnahmen oder das Verschieben von Komponenten, um zu sehen, wie sich dies auf den Betrieb auswirkt, ist mit einem digitalen Zwilling einfacher und führt zu einer effizienteren (und weniger) Prototypenerstellung.

Mit Virtual Engineering können alle Designteams sehen, wie die gesamte Maschine und ihre sich überschneidenden Konzepte zusammenarbeiten, um ein oder mehrere bestimmte Ziele zu erreichen.

【Auswahl der Topologie】

Komplexe Designs mit mehreren Funktionen, mehr als einer Bewegungsachse und mehrdimensionaler Bewegung sowie schnellerer Ausgabe und Durchsatz machen die Systemtopologie ebenso kompliziert. Die Wahl zwischen zentraler, steuerungsbasierter Automatisierung oder dezentraler, antriebsbasierter Automatisierung hängt von der zu entwerfenden Maschine ab. Was die Maschine tut, sowohl ihre Gesamt- als auch ihre lokalen Funktionen, beeinflusst, ob Sie sich für eine zentrale oder dezentrale Topologie entscheiden. Auch der Schrankraum, die Maschinengröße, die Umgebungsbedingungen und sogar die Installationszeit beeinflussen diese Entscheidung.

Zentralisierte Automatisierung. Der beste Weg, eine koordinierte Bewegungssteuerung für komplexe Maschinen zu erreichen, ist die steuerungsbasierte Automatisierung. Motion-Control-Befehle werden in der Regel über einen standardisierten Echtzeitbus wie EtherCAT an bestimmte Servo-Umrichter weitergeleitet, die alle Motoren antreiben.

Mit der steuerungsbasierten Automatisierung können mehrere Bewegungsachsen koordiniert werden, um eine komplexe Aufgabe auszuführen. Es handelt sich um eine ideale Topologie, wenn die Bewegung das Herzstück der Maschine ist und alle Teile synchronisiert werden müssen. Wenn es beispielsweise wichtig ist, dass sich jede Bewegungsachse an einem bestimmten Ort befindet, um einen Roboterarm richtig zu positionieren, werden Sie sich wahrscheinlich für eine Controller-basierte Automatisierung entscheiden.

Dezentrale Automatisierung. Bei kompakteren Maschinen und Maschinenmodulen reduziert oder eliminiert die dezentrale Bewegungssteuerung die Belastung der Maschinensteuerung. Stattdessen übernehmen kleinere Umrichterantriebe dezentrale Steuerungsaufgaben, ein I/O-System wertet Steuersignale aus und ein Kommunikationsbus wie EtherCAT bildet ein durchgängiges Netzwerk.

Dezentrale Automatisierung ist ideal, wenn ein Teil der Maschine die Verantwortung für die Erledigung einer Aufgabe übernehmen kann und nicht ständig der zentralen Steuerung Bericht erstatten muss. Stattdessen arbeitet jeder Teil der Maschine schnell und unabhängig und meldet sich erst dann zurück, wenn seine Aufgabe abgeschlossen ist. Da in einer solchen Anordnung jedes Gerät seine eigene Last verarbeitet, kann die gesamte Maschine von mehr verteilter Verarbeitungsleistung profitieren.

Zentralisierte und dezentrale Steuerung. Obwohl die zentrale Automatisierung für Koordination sorgt und die dezentrale Automatisierung für eine effizientere verteilte Verarbeitungsleistung sorgt, ist eine Kombination aus beidem manchmal die beste Wahl. Die endgültige Entscheidung hängt von übergreifenden Anforderungen ab, einschließlich Zielen in Bezug auf: Kosten/Wert, Durchsatz, Effizienz, Zuverlässigkeit im Laufe der Zeit, Sicherheitsspezifikationen.

Je komplexer das Projekt, desto wichtiger ist es, einen Motion-Control-Engineering-Partner zu haben, der Sie zu den verschiedenen Aspekten beraten kann. Wenn der Maschinenbauer die Vision und der Automatisierungspartner die Werkzeuge mitbringt, erhalten Sie die beste Lösung.

【Maschinenvernetzung】

Die Einrichtung einer sauberen, zukunftssicheren Vernetzung ist ebenfalls ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung unter Berücksichtigung der Bewegungssteuerung. Das Kommunikationsprotokoll ist ebenso wichtig wie der Standort von Motoren und Antrieben, denn es kommt nicht nur darauf an, was die Komponenten tun, sondern auch darauf, wie alles miteinander verbunden wird.

Ein gutes Design reduziert die Anzahl der Drähte und die Entfernung, die sie zurücklegen müssen. Beispielsweise könnte ein Satz von 10 bis 15 Drähten, die zu einem entfernten Terminal führen, durch ein Ethernet-Kabel ersetzt werden, das ein industrielles Kommunikationsprotokoll wie EtherCAT verwendet. Ethernet ist nicht die einzige Wahl, aber egal welches Sie verwenden, stellen Sie sicher, dass Sie über die richtigen Kommunikationstools oder Busse verfügen, damit Sie gängige Protokolle verwenden können. Die Auswahl eines guten Kommunikationsbusses und ein Plan, wie alles angeordnet werden soll, machen zukünftige Erweiterungen viel einfacher.

Konzentrieren Sie sich von Anfang an auf ein gutes Design im Inneren des Schranks. Platzieren Sie Netzteile beispielsweise nicht in der Nähe elektronischer Komponenten, die durch magnetische Störungen beeinträchtigt werden könnten. Komponenten mit hohen Strömen oder Frequenzen können elektrisches Rauschen in Drähten erzeugen. Halten Sie daher für einen optimalen Betrieb Hochspannungskomponenten von Niederspannungskomponenten fern. Finden Sie außerdem heraus, ob Ihr Netzwerk sicherheitsbewertet ist. Wenn nicht, benötigen Sie wahrscheinlich festverdrahtete, redundante Sicherheitsverbindungen. Wenn also ein Teil ausfällt, erkennt es seinen eigenen Fehler und reagiert.

Da sich das industrielle Internet der Dinge (IIoT) durchsetzt, sollten Sie darüber nachdenken, erweiterte Funktionen hinzuzufügen, die Sie oder Ihre Kunden möglicherweise noch nicht nutzen können. Wenn Sie die Funktionen in die Maschine integrieren, ist es einfacher, diese Maschine später aufzurüsten.

【Software】

Branchenschätzungen zufolge wird es nicht mehr lange dauern, bis OEMs 50–60 % ihrer Maschinenentwicklungszeit auf Softwareanforderungen konzentrieren müssen. Die Entwicklung von einem Fokus auf Mechanik hin zu einem Fokus auf Schnittstellen benachteiligt kleinere Maschinenbauer im Wettbewerb, kann aber auch gleiche Wettbewerbsbedingungen für Unternehmen schaffen, die bereit sind, modulare Software und standardisierte, offene Protokolle einzuführen.

Die Art und Weise, wie Software organisiert ist, kann die Möglichkeiten einer Maschine jetzt und in Zukunft erweitern oder einschränken. Wie modulare Hardware verbessert auch modulare Software die Geschwindigkeit und Effizienz des Maschinenbaus.

Angenommen, Sie entwerfen eine Maschine und möchten zwischen zwei Phasen einen zusätzlichen Schritt hinzufügen. Wenn Sie modulare Software verwenden, können Sie einfach eine Komponente hinzufügen, ohne sie neu zu programmieren oder neu zu programmieren. Und wenn Sie sechs Abschnitte haben, die alle das Gleiche tun, können Sie Code einmal schreiben und ihn in allen sechs Abschnitten verwenden.

Mit modularer Software ist die Konstruktion nicht nur effizienter, sondern ermöglicht es Ingenieuren auch, die Flexibilität zu bieten, die sich Kunden wünschen. Angenommen, der Kunde möchte eine Maschine, die Produkte unterschiedlicher Größe verarbeitet, und die größte Größe erfordert eine Änderung der Funktionsweise eines Abschnitts. Mit modularer Software können Konstrukteure den Abschnitt einfach austauschen, ohne die übrigen Funktionen der Maschine zu beeinträchtigen. Diese Änderung könnte automatisiert werden, um dem OEM oder sogar dem Kunden einen schnellen Wechsel zwischen Maschinenfunktionen zu ermöglichen. Es muss nichts neu programmiert werden, da sich das Modul bereits in der Maschine befindet.

Maschinenbauer können eine Standard-Basismaschine mit optionalen Funktionen anbieten, um den individuellen Anforderungen jedes Kunden gerecht zu werden. Die Entwicklung eines Portfolios aus mechanischen, elektrischen und Softwaremodulen erleichtert die schnelle Montage konfigurierbarer Maschinen.

Um die größtmögliche Effizienz aus modularer Software zu ziehen, ist es jedoch wichtig, Industriestandards zu befolgen, insbesondere wenn Sie mehr als einen Anbieter nutzen. Wenn der Antriebs- und Sensorlieferant die Industriestandards nicht befolgt, können diese Komponenten nicht miteinander kommunizieren und alle Effizienzvorteile der Modularität gehen verloren, wenn man herausfinden muss, wie die Teile verbunden werden.

Wenn Ihr Kunde außerdem plant, den Datenstrom mit einem Cloud-Netzwerk zu verbinden, ist es wichtig, dass die Software unter Verwendung branchenüblicher Protokolle erstellt wird, damit die Maschine mit anderen Maschinen zusammenarbeiten und mit Cloud-Diensten kommunizieren kann.

OPC UA und MQTT sind die gängigsten Standard-Softwarearchitekturen. OPC UA ermöglicht nahezu Echtzeitkommunikation zwischen Maschinen, Steuerungen, der Cloud und anderen IT-Geräten und kommt einer ganzheitlichen Kommunikationsinfrastruktur wahrscheinlich am nächsten, die es gibt. MQTT ist ein leichteres IIoT-Messaging-Protokoll, das es zwei Anwendungen ermöglicht, miteinander zu kommunizieren. Es wird häufig in einem einzelnen Produkt verwendet, sodass beispielsweise ein Sensor oder ein Laufwerk Informationen von einem Produkt abrufen und an die Cloud senden kann.

【Cloud-Konnektivität】

Noch immer sind vernetzte Maschinen mit geschlossenem Kreislauf die Mehrheit, doch vollständig mit der Cloud vernetzte Fabriken erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Dieser Trend könnte das Niveau der vorausschauenden Wartung und der datengesteuerten Produktion erhöhen und stellt die nächste große Änderung in der Fabriksoftware dar; Es beginnt mit der Remote-Konnektivität.

Cloud-vernetzte Anlagen analysieren Daten aus verschiedenen Prozessen, verschiedenen Produktionslinien und mehr, um umfassendere Darstellungen des Produktionsprozesses zu erstellen. Dadurch können sie die Gesamtanlageneffektivität (OEE) verschiedener Produktionsanlagen vergleichen. Hochmoderne OEMs arbeiten mit vertrauenswürdigen Automatisierungspartnern zusammen, um cloudfähige Maschinen mit modularen Industrie 4.0-Funktionen anzubieten, die die Daten senden können, die Endbenutzer benötigen.

Für Maschinenbauer wird der Einsatz von Motion-Control-Automatisierung und die Verfolgung eines ganzheitlichen Gesamtprozessansatzes, um die Anlagen oder Unternehmen ihrer Kunden effizienter zu machen, mit Sicherheit mehr Geschäfte machen.