Ein modularer Ansatz bei der Maschinenentwicklung bringt dem Maschinenbauer wesentliche Vorteile: die Flexibilität steigt, Testzeiten und Fehlerraten sinken und es bleibt mehr Zeit für die Ausarbeitung der Maschinenausprägungen, die dem Kunden wichtig sind.

Ein modularer Ansatz bei der Maschinenentwicklung bringt dem Maschinenbauer wesentliche Vorteile: die Flexibilität steigt, Testzeiten und Fehlerraten sinken und es bleibt mehr Zeit für die Ausarbeitung der Maschinenausprägungen, die dem Kunden wichtig sind. Lenze

Maschinenbauer sind hin und her gerissen: Auf der einen Seite wird darüber philosophiert, ob die Ansätze der Industrie 4.0 einer Modularisierung der Maschinen zusätzlichen Drive geben. Andererseits wollen viele nachwievor ihren bekannten und lieb gewonnenen Systeme weiter nutzen. Das Problem: Solche Systeme machen eine durchgängige mechatronische Modularisierung schwer bis unmöglich. Die Modularisierung ist aber mehr denn je gefragt, damit sich Maschinen flexibel und intelligent bauen und möglichst auch noch miteinander vernetzt einsetzen lassen – ohne dabei übermäßig komplex zu sein. Die Spezialisten von Lenze sehen dabei vor allem Sondermaschinenbauer, die am meisten von der Modularisierung profitieren.
Wie die Praxis bei einem Sondermaschinenbauer aussieht, zeigt der Blick in die Hallen eines Herstellers für Kaschieranlagen aus dem Ostwestfälischen. Regelmäßig überlegen sich Kunden nach Auskunft der Geschäftsführung erst dann eine Maschine zu bestellen, wenn die Vorbestellungen nach einer Fachmesse – etwa im Umfeld der Möbelindustrie – entsprechend gut ausgefallen sind. Zuerst kommt also der Verkauf und erst danach machen sich die Hersteller Gedanken über die dafür notwendigen Betriebsmittel – Konstruktion und Engineering inklusive. Die Hintergründe für diese Entscheidung sind klar: Reduzierung des gebundenen Kapitals, höhere Liquidität, sinkendes Risiko für Fehlinvestitionen.

Schnellerer Reifegrad

„Der Einsatz neuer Technologie macht es möglich, unsere Innovation schneller und effektiver zur Serienreife und damit auf den Markt zu bringen“, heißt es beim Hersteller von Beschichtungsanlagen. Deshalb greift das Unternehmen für die Antriebs- und Automatisierungstechnik seit Neuestem auf eine Lösung von Lenze zurück, die vorbereitete Standards vor allem für wiederkehrende Aufgaben, aber auch die nötige Offenheit und Flexibilität für die Umsetzung der Kernprozesse bietet. Erst damit lassen sich die modular konzipierten Anlagen nach Erfahrung des Unternehmens in sehr gut miteinander kombinierbare Einzelprozesse teilen und später bausteinartig zusammenfügen.
Nicht selten, dass das Unternehmen mit diesen Mitteln eine neue Maschine in vier Tagen zum Laufen bringt. „Das glaubt uns keiner“, merkt ein Softwareentwickler an und verweist darauf, dass das Unternehmen schließlich jung und dynamisch aufgestellt sei. Letztlich sind es die Softwaremodule der Application Software Toolbox FAST, die „die Grundbausteine für unsere Arbeit bilden“. Mit ihnen lassen sich vor allem Standardfunktionen aus einem Baukasten heraus realisieren. „Das verschafft uns Zeit. Zeit, um Maschinen schneller verkaufen zu können und Zeit für nachhaltige Optimierungen“, bringt es der Softwarenentwickler auf den Punkt. Die Ostwestfalen sind mittlerweile dabei, ihre bislang monolithisch geprägten Arbeitsweisen zu ändern und von der Entwicklung über das Engineering bis hin zur Realisierung modular zu arbeiten. „Dieser einschneidende Kurswechsel ging nicht im Handstreich, weil auch wir dafür unsere Komfortzone verlassen mussten“, gibt der Entwickler unumwunden zu.
Eine oder mehrere Steuerungen, je nach Maschinenkomplexität, darunter die passenden Servoregler über den schnellen Motion-Bus vernetzt – und dann das Ganze aus einem Guss mit Softwaremodulen projektiert, die wie die Lenze-Hardware ebenfalls aus dem Baukasten kommen. Dauerte eine Inbetriebnahme nach dem mechanischen Aufbau in der Vergangenheit noch fünf Wochen, sind sie in Ostwestfalen heute im Schnitt in eineinhalb Wochen fertig. Für das auf Kaschieranlagen spezialisierte Unternehmen bedeutet der dramatische Zeitgewinn spürbare Wettbewerbsvorteile.

Für eine konsequente Modularisierung müssen die komplexen Bewegungs­abläufe konsequent in ihre funktionalen Einheiten zerlegt werden.

Für eine konsequente Modularisierung müssen die komplexen Bewegungs­abläufe konsequent in ihre funktionalen Einheiten zerlegt werden. Lenze

Virtuelle Vorinbetriebnahme

Das durchgängige Antriebs- und Steuerungskonzept reduziert einerseits die bis dato übliche Anzahl an Komponenten – was den Projektierungs- und Integrationsaufwand reduziert und auch Fehlerrisiken minimiert. Andererseits ist es mit dem Lenze-System möglich, geforderte Maschinenszenarien durch virtuelle Achsen parallel zum mechanischen Aufbau einer Anlage zu simulieren und zu testen. Auf diese Weise gehen die Mitarbeiter mit einer fertig programmierten Steuerung sowie ebenfalls fertig parametrierten – und damit einbaufertigen – Antriebsachsen in die Inbetriebnahme, ohne dass die Maschine mechanisch fertig sein muss. Somit gehört es inzwischen durchaus zum gewohnten Bild, dass in dieser Phase nur Regler und Motoren auf dem Schreibtisch liegen, „Das geht komfortabel vom Schreibtisch aus“, meint der Entwickler. Gleiches gilt für die Visualisierung.
Letztlich macht diese Situation beim Maschinenbauer eine Kernforderung der Industrie 4.0 konkret greifbar – die Effizienz bei kleinen Losgrößen. Dieser begegnet man durch konsequente Modularisierung. Dazu wird auf allen drei Ebenen modularisiert: Mechanik, Hardware und Software. Diese gilt es mit neuen Methoden und technischen Möglichkeiten miteinander schlüssig zu verbinden.

Für die Programmierung der verschiedensten Funktionen stehen Bausteine zur Verfügung, die sich flexibel miteinander kombinieren lassen. Eigenes Know-how ist ebenfalls integrierbar.

Für die Programmierung der verschiedensten Funktionen stehen Bausteine zur Verfügung, die sich flexibel miteinander kombinieren lassen. Eigenes Know-how ist ebenfalls integrierbar. Lenze

Mehr Optionen im Feldbus

Lenze hat etwa für Ethercat die Funktion ‚optionale Teilnehmer‘ integriert. Bei klassischen Feldbussystemen müssen Entwickler vorher, das heißt bei der Projektierung exakt wissen, wie viele Teilnehmer Bestandteil des Systems sind und wo sie in der Feldbustopologie angeordnet sind. Fehlt bei der Inbetriebnahme oder im späteren Betrieb ein Teilnehmer, gibt es eine Störung. Dieses Verhalten kann zwar verhindert werden, ist aber in der Programmierung zu berücksichtigen Das macht die Modularisierung in diesem Bereich so aufwendig. Mit den ‚optionalen Teilnehmern‘ können Maschinenbauer mit der maximalen Grundkonfiguration projektieren und daraus durch Aus- oder Abwahl beliebig viele kundenspezifisch abgespeckte Varianten definieren – allein durch Konfigurieren und das mit Klartext. Auch die Virtualisierung der Maschine wird dadurch möglich.
Und wenn in einem Bus alle an ihrem Platz sitzen, dann bliebe noch die Frage des Fahrers zu klären, der sowohl die Richtung, als auch die Abfahrzeiten vorgibt: Modularität in der Industrie 4.0 heißt, dass es Stellen geben muss, die den Takt samt des einzig gültigen Zeitstempels vorgeben. Diese für eine synchrone Produktion unerlässliche Funktion hat bei Lenze zur Entwicklung der Sync Bridge geführt. Die auf Ethercat basierende technische Einheit synchronisiert unterschiedliche Teilnehmer, die für sich zwar ebenfalls in Echtzeit arbeiten, dessen Verbund es aber an einer Masteruhr fehlt. Die Sync Bridge wird damit zur Instanz, die für alle auf die Uhr schaut.
In Zukunft geht es nicht mehr darum, sich auf einzelne und vergleichsweise eng umrissene Maschinenfunktionen zu konzentrieren. Vielmehr bestehen die Aufgaben darin, diese Funktionsmodule ebenfalls standardisiert miteinander zu verknüpfen. Das Ergebnis sind dann wirklich durchgängig modular aufbaubare Maschinen- und Anlagenkonzepte.
Dieses Ziel lässt sich nur dann erreichen, wenn auf der horizontalen Automatisierungsebene herstellerübergreifende Kommunikationsstandards wie Ethercat oder CANopen zum Einsatz kommen. Zudem sind in vertikaler Richtung Standards wie PLCopen sowie Pack ML gefragt, mit denen komplette Anlagenteile miteinander sprechen können. Die Modularisierung im Maschinenbau kann also erst dann ihre Vorteile ausspielen, wenn sich in einer Produktion alle an das Protokoll halten und die gleiche Sprache sprechen.
Für den Maschinenbauer aus Ostwestfalen sind es genau diese Punkte, die den Erfolg ausmachen. Der Spezialist für Kaschieranlagen versteht es nämlich gut, die eigenen Maschinen mit zugekauften Modulen anderer Hersteller schnell zu modularen und in sich offenen Produktionen zu verknüpfen.