| von Barbara Stumpp
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Die Funktionsfähigkeit neuer und auch alter Anlagen virtuell in Echtzeit zu simulieren, verkürzt Entwicklungszeit und Inbetriebnahme. Heitec

Eine Situation wie bei Caruso kennen viele Unternehmer und Fertigungsleiter aus eigener Erfahrung: Maschinen laufen über Jahrzehnte zuverlässig, jedoch sinkt die Leistungsfähigkeit – langsam aber stetig. Und irgendwann gibt es für wesentliche Anlagenteile keinen Ersatz oder keine Upgrade-Möglichkeiten mehr. Norbert Finsel, Geschäftsführer von Caruso, stand vor diesem Problem: „Wir stellen Nadelfilze und Vliesstoffe kundenspezifisch in unterschiedlichen Facetten her – insgesamt rund 1,4 Millionen Varianten, die alle noch von Hand eingestellt werden.“ Das Ergebnis: lange Umrüstzeiten und viel Ausschuss bis die Maschine eingefahren ist und stabil läuft. Zusammen mit den Ingenieuren von Heitec wurde eine Lösung erarbeitet, die Anlagen wieder fit zu machen und auf den aktuellen Stand der Automatisierungs- und Produktionstechnik zu bringen.

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Caruso stellt Nadelfilze und Vliesstoffe kundenspezifisch in rund 1,4 Millionen Varianten her. Heitec

Nur außen bleibt alles beim Alten

Insgesamt vier Anlagen mit veralteter Elektrotechnik und Elektronik galt es auf den Stand der Technik zu heben. Deren teils Jahrzehnte alte Komponenten sind auf dem regulären Markt längst nicht mehr verfügbar, allenfalls extrem überteuert im Internet. Die Konsequenz: Fiel eine Maschine aus, stand die Produktion. Hinzu kam, dass eine der veralteten Anlagen mitunter einen Tag lang umgerüstet werden musste, nur um anschließend einen Auftrag in wenigen Stunden abzuarbeiten. „Das war schon mehr als ineffizient“, erinnert sich Finsel an die Zeit vor dem Retrofit. Für ihn gab es daher zwei Möglichkeiten: entweder eine komplett neue Anlage oder eine Modernisierung.

Ein Aufarbeiten der bestehenden Anlage hat einen Vorteil. Laut Maschinenrichtlinie kann man sich beim Erneuern älterer Maschinen ohne konstruktive Veränderungen den Einsatz der aktuellen und teuren Sicherheitstechnik sparen. „Die alte Mechanik ist zwar unschlagbar stabil“, betont Roman Pieloth, Geschäftsgebietsleiter Automatisierung bei Heitec, „für die gut 15 Jahre alten PCs der Anlagen gab es jedoch keinerlei Upgrade-Möglichkeit.“ Neue Hard- und Software musste her. Allerdings ändern sich bei der Elektronik die Komponenten laufend. Daher sind die Baugruppen so auszuwählen, dass sie etwa zehn Jahre Bestand haben. Generelle Vorbedingungen des Retrofit waren:

  • den Kostenrahmen einzuhalten
  • die Maschinen durfte konstruktiv nicht erheblich verändert werden (Maschinenrichtlinie)
  • die Produktionsunterbrechung gering zu halten
  • wesentliche Bedienabläufe beizubehalten damit die Maschinenführer nicht neu einzulernen sind

Vordergründig sollte alles beim Alten bleiben und die Bedienoberflächen nach dem Retrofit wieder wie die bisherige Oberfläche aussehen. Dahinter, das heißt bei Hardware, Betriebssystem und Software-Entwicklungsumgebung, blieb kein Stein auf dem anderen. Die inzwischen störungsanfällige Direktverdrahtung der Sensoren und Aktoren wurde komplett herausgerissen und durch dezentrale Profibus-Module ersetzt. Wäre man bei der alten Technik geblieben, wäre ein immenser zusätzlicher Verdrahtungsaufwand angefallen, um die Informationen, die in den dezentralen Anlagenteilen verfügbar waren, zum zentralen Leitstand zu übertragen.

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Die Bedienoberfläche sollte im Wesentlichen gleich bleiben, damit die Bediener nicht neu eingelernt werden müssen. Heitec

Mithilfe der virtuellen Maschine bildete das Team die funktionalen Gegebenheiten der Anlagen in Echtzeit nach. So konnte die neue Steuerungs-Software getestet werden, ohne an die reale Anlage zu müssen und die Produktion zu blockieren. „Wir haben nur eine Maschine gut vier Wochen lang intensiv virtuell und real getestet“, so Pieloth. Die Idee war, das virtuelle Modell dieser Maschine dann so anzupassen, dass sich bei den anderen Maschinen der Umrüstvorgang beschleunigt. Das Ergebnis: Bei den Maschinen zwei bis vier brauchte Heitec lediglich jeweils ein verlängertes Wochenende für den kompletten Umbau.

Nicht besser, aber zuverlässiger und schneller umzurüsten

Die Leistungsdaten der Maschinen waren nach dem Retrofit dieselben wie vorher, eine Steigerung war auch nicht das Ziel. Dafür verhindert die überarbeitete Bedienung in Verbindung mit der neu dazu gekommenen Rezepturverwaltung, in der alle Einstellungen für jede der zahllosen Produktvarianten gespeichert sind, Fehleingaben und damit Ausschuss. Die Software prüft bei einem neuen Auftrag zuerst, ob die entsprechende Maschine für die jeweilige Rezeptur bereits eingerichtet ist. Dadurch verringert sich das Umrüsten auf einen Optimierungslauf. Der braucht zwar ebenfalls etwas Zeit, da der Großteil an Informationen auf Knopfdruck abrufbar ist, aber wesentlich weniger als vor der Modernisierung. Waren vor dem Retrofit zwischen acht und 15 Stunden für einen Produktionsanlauf notwendig, schaffen es die Caruso-Mitarbeiter jetzt in ein bis zwei Stunden ohne Probeanlauf.

Technik im Detail

Retrofit bei Caruso

Bei dem Caruso-Projekt wurde die Konstruktion der Anlagen auf einem CAD-System (Virtuos V) nachgebildet und die Physik der Maschine, das heißt alle Bewegungen (Kinematik) sowie erforderliche Prozessparameter, in Virtuos M realisiert. Anschließend wurden beide Modelle miteinander verheiratet. Die Basis der Automatisierungsarchitektur bildet eine Server-Client-Applikation mit einem Server (Standard-Industrie-PC) und bis zu sechs Clients sowie den Kopfstationen (SPS) als neue intelligente Einheiten an jeder Maschine. In den vier Anlagen wurde die klassische Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung durch dezentrale Peripherie ersetzt. Insgesamt sind 1 200 I/O-Punkte mit den jeweiligen Steuerungen über Profibus vernetzt: 120 analoge und 680 digitale Eingänge sowie 24 analoge und 376 digitale Ausgänge.

In der Heimat virtuell optimieren, umrüsten in Fernost

Bei einer Füge- und Schweißstation, die zusammen mit der Firma Emag Automation für Audi erstellt wurde, war das Ziel, mithilfe virtueller Inbetriebnahme die Softwareentwicklung zu verkürzen und die Anlage früher in Betrieb zu nehmen. Aufgabenstellung war die Konstruk­tion einer autarken Automatikstation, die einen Nockenwellenversteller auf die Nockenwelle fügt, mittels Laser verschweißt und die Schweißnaht anschließend bürstet und ölt. Heitec überführte die Emag-Konstruktion in ein virtuelles Modell ­– bevor der Bau der Maschine begonnen hatte. Parallel dazu starteten Elektrokonstruktion und Software-Entwicklung.

Den gesamten Funktionsumfang testen

Wichtig ist das reibungslose Zusammenspiel aller Anlagenkomponenten zu testen. Hierzu gehört beispielsweise auch die Schweißmaschine, wobei nur die Schnittstelle zur SPS interessant ist, also welche Signale beide Einheiten austauschen. „Spannend war die Ansteuerung des Modells“, so Michael Kasseckert, Entwicklungsingenieur bei Heitec. Der Simula­tionsrechner mit dem virtuellen Modell kommuniziert nicht nur mit der SPS, sondern parallel auch mit der Robotersteuerung. Deshalb lässt sich die Anlage nicht nur abschnittsweise testen, sondern in ihrem gesamten Funktionsumfang mit allen Automatik-Schrittketten, ohne etwas in der SPS überbrücken zu müssen. „Somit lassen sich sämtliche ‚was passiert, wenn‘-Szenarien testen“, betont Kasseckert.

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Da sowohl Robotersteuerung als auch SPS mit dem Simulationsrechner gekoppelt sind... Heitec

Dazu übermittelt die Robotersteuerung dem Simulationsrechner die jeweiligen Achswinkel des Sechs-Achs-Roboters. Mit diesen Daten kann das Tool die Bewegungen exakt visualisieren, die der Roboter in der Realität fahren würde. Zusammen mit den Signalen der SPS, die das restliche Geschehen der Anlage steuern, lässt sich der komplette Vorgang der Anlage in einem Verbund testen. „Im Rahmen der virtuellen Inbetriebnahme konnten wir bereits einige Probleme frühzeitig erkennen, mit dem Kunden besprechen und lösen“, so Kasseckert. Eine virtuelle Inbetriebnahme parallel zum Aufbau der realen Anlage verkürzt nicht nur die Entwicklungszeit, die Ingenieure können auch Szenarien durchspielen, die an der realen Maschine nicht möglich oder zu gefährlich sind. Mithilfe der virtuellen Maschine und der virtuellen Inbetriebnahme lassen sich die Projektlaufzeiten um rund 15 % und die reale Inbetriebnahmezeit um bis zu 80 % verringern. Außerdem sind mit gleicher Manpower umfangreichere Tests realisierbar. Das Einsparpotenzial bei der Durchlaufzeit beträgt etwa vier bis sechs Wochen. Eine weitere Option: Mitarbeiter können bereits geschult werden, bevor die Maschine aufgebaut ist. Und die virtuelle Einarbeitung liefert häufig Ansätze für eine effizientere Herstellung des Produkts.

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lassen sich alle möglichen Szenarien und Fahrprofile testen. Heitec

Mechatronisches Denken ist Pflicht

Zentraler Punkt bei allen Projekten ist der mechatronische Ansatz: Mechanik, Elektrik, Pneumatik/Hydraulik und Steuerungs-Software müssen als Einheit ­betrachtet werden. Der Vorteil dieses Konzepts ist, dass die Aufteilung der Maschinen in mechatronische Module eine stärkere Standardisierung erlaubt, was deren Wiederverwendung unterstützt. Mit diesen Modulen lässt sich die virtuelle Maschine einer geplanten Anlage aus Bausteinen zusammensetzen. Außerdem kann mit einem solchen Baukasten das Engineering – zumindest bis zu einem gewissen Grad – automatisiert werden. Die virtuelle Maschine bietet noch weitere Vorteile, die über den Lebenszyklus einer Anlage wirken: Mit virtuellen Maschinen lassen sich Änderungen und Erweiterungen der Anlagen testen und die besten Varianten ermitteln. Für Audi ist das ein wichtiger Aspekt, da die Anlage in China aufgestellt wird. Geplante Modifikationen nehmen die Ingenieure zuerst am virtuellen Abbild vor, ohne die Anlage vor Ort anzuhalten oder nach China zu reisen – eine Videokonferenz reicht aus.

Barbara Stumpp

ist freie Fachjournalistin in Freiburg.

(sk)

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