Intelligent automation With the proliferation of electronics and software in machines, machine control systems are becoming increasingly complex. Where once only a power button had to be served, there are many motors, cylinders and sensors today. At the same time the need for precision and speed in controlling machines increases. Which architecture can meet these challenges? Which software platform paves best the way to a precise, faster and reliable machine control? Please find answers to these questions and an interesting outlook on the machine control of the future here: www.sps-steuerungen.eu.

1. Intelligente Automatisierung
Die Zukunft der Maschinensteuerung

2. Die Zukunft der
Maschinensteuerung
Optimale Maschinensteuerung erhöht Gewinne für Kunden und
Maschinenbauer: die 5 wichtigsten Punkte
Maschinensteuerung von heute: präziser, schneller, betriebssicher
Maschinen werden mit immer mehr Elektronik, Software und komplizierten
Steuerungen ausgerüstet. Wo früher nur ein Ein-/Ausschalter bedient werden musste,
kommen heute viele Motoren, Zylinder und Sensoren zum Einsatz. Es müssen
mehr Ein- und Ausgänge gesteuert werden, weil mehr Sensoren und Aktuatoren
vorhanden sind. Die Ein- und Ausgänge müssen genauer sein, damit die Sensoren
und Aktuatoren präziser arbeiten können. Ein weiterer Präzisions-Faktor ist die
Geschwindigkeit beim Auslesen und die Reaktionszeit auf diese neu ausgelesenen
Werte. Die Zykluszeiten müssen immer schneller werden, um eine noch genauere und
zuverlässigere Funktion zu garantieren, dabei spielt vor allem das Echtzeitverhalten
der Zyklen eine wichtige Rolle. All diese Faktoren beeinflussen die Steuerung der
Maschine.

3. Auswahl der Marktkomponenten
Das sind sehr viele neue Anforderungen an
die Maschinensteuerung, und es wird immer
komplizierter, derartige Steuerungen mit den richtigen
Marktkomponenten zusammenzustellen. In Bezug
auf die Steuerung, aber auch hinsichtlich der richtigen
Ein- und Ausgangsmodule muss die richtige Wahl
getroffen werden. Unter anderem müssen dafür die
richtigen Ein- und Ausgangsmodule gewählt werden.
Einige fordern eine hohe Genauigkeit, andere nicht.
Dasselbe gilt für die Geschwindigkeit beim Auslesen
und alle weiteren Einstellungen. Bei der Auswahl der
marktverfügbaren Komponenten wird die Spezifikation
der leistungsstärksten Ein-/Ausgänge zugrunde gelegt.
Das wirkt sich meist negativ auf den Preis aus, da
einzelne Ein-/Ausgänge überqualifiziert sind.
Dasselbe gilt für die Geschwindigkeit der Steuerung.
Es wird der Prozess mit der kürzesten Zykluszeit
angestrebt. Die Zykluszeit ist häufig von der
Programmgröße abhängig, was einen gewissen
Spielraum erfordert. Auf dieser Grundlage wird die
Geschwindigkeit der Steuerung ausgewählt. Das
Resultat: die Kosten für Prozesse, die nicht so schnell
ablaufen müssen, sind relativ hoch.
Verschiedene
Kommunikationsmöglichkeiten von
großer Bedeutung
Die kommunikativen Funktionen einer
Maschinensteuerung werden immer wichtiger, da
sie mit immer mehr Umgebungen kommunizieren
muss. Eine Maschine erfordert, dass Einstellungen
vorgenommen oder neu geladen werden müssen
und das Produktionsdaten, Meldung von Störungen
und Daten für die vorbeugende Wartung sicher
übertragen werden – natürlich gehören auch Software-
Updates dazu. Die Verwendung dieser Daten ist
sehr unterschiedlich, da es verschiedene Nutzer
gibt. Der Maschinenstatus wird vielleicht nur für
die Maschinen in der Produktionslinie benötigt. Die
Störungs-Meldungen, die den Service-Leiter und die
Software erreichen, werden letztendlich von einer
in- oder externen Software-Abteilung angepasst.
Hierfür sind effiziente Kommunikationsmöglichkeiten
notwendig. Die Steuerungen werden häufig mit
verschiedenen Schnittstellenmodulen ausgerüstet, um
diese Anforderungen zu erfüllen. Auch das verursacht
wieder zusätzliche Kosten.
Die Rolle des Human Machine Interface
Von einer Aktualisierung der Maschinensteuerung
ist auch die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS)
betroffen, die sich auf demselben Stand befinden
muss wie die Schnittstelle, die der Anwender aktuell
benutzt. Dafür ist eine Farbschnittstelle von Vorteil,
welche durch Antippen oder Wischen und ggf.
auch durch Tasten bedient werden kann. Auf dem
Bildschirm müssen grafische Symbole vorhanden sein,
deren Funktion auch ohne zusätzliche Beschriftung
deutlich wird. So lässt sich z. B. der Status einer
Maschine auf den ersten Blick erkennen. Dasselbe gilt
für Standard-Störungsmeldungen, die der Anwender
eigenständig beheben kann, ohne z. B. einen Techniker
zu informieren.

4. Ein Blick in die Zukunft der
Maschinensteuerung
Wenn eine Maschinensteuerung angepasst wird, ist
es wichtig zu wissen, was künftig von ihr verlangt
wird. Zu diesem Thema hat das Fraunhofer-
Institut einen Bericht mit dem Titel „Industrie 4.0“
veröffentlicht. Dieser Bericht legt dar, in welche
Richtung sich der Steuerungsmarkt entwickeln wird
und was von künftigen Maschinensteuerungen
verlangt wird. Kernaussage ist, dass wir anderen
Ländern gegenüber immer einen Schritt voraus
sein müssen, um unsere aktuelle Marktposition zu
stärken.
In „Industrie 4.0“ werden auch die
Kommunikationsmöglichkeiten erörtert, mit denen
Produktionsdaten mit anderen Maschinen der
Produktionslinie geteilt und zugleich als Wartungs-
und Verwaltungsdaten nach außen übertragen
werden können. Dieser Aspekt ist sehr wichtig, da
es einen kontinuierlichen Druck auf Preis, Zeit und
Qualität gibt.
Der Maschinenbauer muss in der Lage sein,
Kunden eine neue Maschinengeneration
anzubieten, die zu einer verbesserten
betriebswirtschaftlichen Effizienz führt. Durch hohe
Qualitätsstandards, sichere Maschinen und geringe
Kosten kann dies erzielt werden.
Eine spezifische Lösung für jede
Maschine
Es ist schwierig, auf dem Markt die richtigen
Komponenten für eine optimale E/A-Konfiguration
zu finden, die in gleichem Maße mit Schnelligkeit
und Präzision überzeugen. Um zu verhindern,
dass Geld für E/A-Module ausgegeben wird, die
beispielsweise schneller und präziser arbeiten als
erforderlich, ist eine maschinenspezifische Lösung
eine gute Alternative. Dasselbe gilt für die optimale
Geschwindigkeit der Steuerung, die passenden
Kommunikationsmöglichkeiten und die richtige
MMS. Eine maschinenspezifische Lösung kann
nicht nur all diese Anforderungen erfüllen, sondern
häufig auch zu niedrigeren Kosten realisiert
werden.
Passende Softwareplattformen
Für die Software-Entwicklung muss zunächst eine
Technologie-Auswahl vorgenommen werden.
Derzeit stehen dafür verschiedene Software-
Plattformen wie Windows Embedded, Android und
Embedded Linux zur Verfügung. Diese Plattformen
sind sehr unterschiedlich und erfordern
verschiedene Kenntnisse. Zudem werden die
Technologien sukzessive weiterentwickelt, d. h. die
Kenntnisse von heute sind morgen schon wieder
veraltet. Die Wahl der besten Software-Plattform
und der Mikroprozessoren ist nicht einfach. Daher
müssen maschinenbauspezifische Plattformen
verwendet werden, die Firmen bereitstellen und
auf dem Markt anbieten.
Optimale Leistung
Dazu muss eine Maschine serienmäßig hergestellt
werden. Unter dem Begriff „Maschine“ verstehen
wir alle Typen und Derivate einer bestimmten
Maschine.

5. Bei der Konfiguration einer maschinenspezifischen
Steuerung werden die Module so ausgewählt, dass
sowohl der einfachste als auch der komplizierteste
Maschinentyp gebaut werden kann. Auf diese Weise
kann die Maschinenleistung optimiert und die
Bedienung exakt auf den Anwender abgestimmt
werden.
Gleichzeitig wird für die richtige Kommunikation mit
anderen Maschinen und der Außenwelt gesorgt.
Komponenten von
maschinenspezifischer Steuerung
Das funktioniert jedoch nur, wenn die
maschinenspezifische Steuerung mit Bausteinen
hergestellt werden kann. Wichtige Bausteine dafür
sind ein Soft-SPS-Stack gemäß IEC61131-Standard,
MMS-Schicht, MMS-Schnittstelle für Monochrom und
Farbe, verschiedene Bildschirmgrößen, Tasten zum
Antippen und Wischen, verschiedene Prozessorkerne
bis hin zu Mehrkernprozessoren der Spitzenklasse
und Kommunikationsmodule. Als Betriebssystem
wird hier die lizenzfreie, offene Plattform Linux
gewählt. Denn sie ermöglicht es dem Kunden
oder Endkunden, Anwendungen hinzuzufügen.
Diese Bausteine können wie folgt in einer globalen
Architektur wiedergegeben werden.
Soft-PLC Program (which include IO, LCD, Communication interfaces and keyboard access)
Operating system
(realtime) Linux, Android
Microcontroller
ARM, Single/multi core, OpenGL 2D/3D graphics
Soft-PLC
(IEC 61131-3)
System Components (configurable)
• Motion Control and PID functions
• Machine vision & image processing
• Custom specific protocols
• Error logging / Alarm services
• Remote monitoring and Diagnostics (Web based)
• Software update
Customer applications
C++ / Python
Analog IO
Digital IO
LCD
Keyboard
LEDs
Wireless
Connectivity
Ethernet
Profibus
Profinet
Modbus
EtherCAT
Intelligent
Camera
Interface
Motion
Controller
Interface

6. Mit Hilfe dieser Bausteine kann in sehr kurzer Zeit
eine Steuerung erzielt werden, die eine maximale
Maschinenleistung realisiert und die richtigen
Kommunikationsmöglichkeiten bietet. Auf diese
Weise kann die Maschine nicht nur mit anderen
Maschinen in der Produktionslinie, sondern auch
mit BackOffice-Anwendungen kommunizieren.
Der Vorteil: verschiedene Maschinen in einer
Produktionsumgebung können problemlos und
effizient verwaltet werden.
Sicht auf Daten
Das Management dieser Maschinen umfasst
die Produktionsdaten (produzierte Menge,
Ausbalancieren der Maschinensteuerung, richtige
Produktion etc.) und die Maschinenwartung.
Eine Übersicht zeigt die Betriebsstunden und
den eventuellen Teileverschleiß an. So werden
Ausfallzeiten verhindert, die Wartungsabteilung
arbeitet effizienter und schließlich kann der
Endkunde viel Geld sparen.
Die Zusammenarbeit zwischen
Maschinensteuerung, Maschinendaten und
einer BackOffice-Anwendung (auch End-zu-End-
Anwendung genannt), ist die Grundvoraussetzung
für eine optimale Funktionsweise. Dabei ist es
von Vorteil, wenn alle Bestandteile von derselben
Firma geliefert werden können. So erübrigen sich
Diskussionen darüber, ob es an der Steuerung oder
am BackOffice liegt, und auch bei Erweiterungen
können Kosten eingespart werden. Das sorgt für
eine bessere Qualität und eine höhere Effizienz.
Dabei ist jedoch wichtig, dass umfassendes
Fachwissen über die Maschinensteuerung und die
BackOffice-Anwendung vorliegt – aus technischer
Hinsicht grundverschiedene Welten.
END USER
Web Portal
SERVICE CONTROL
Web Portal
BACKOFFICE
Business Layer
INTERNET
SQL AZURE
Configuartion Database
Hystorical Data
APPS
Schematisch kann die End-zu-End-Anwendung wie
folgt wiedergegeben werden.

7. Langfristige Verfügbarkeit
Erfolgsfaktor Liefergarantie.
Maschinensteuerungen müssen langfristig
verfügbar sein. Die Steuerung ist für den
Anschein einer Maschine mitbestimmend.
Bei einer Steuerung, die aus verschiedenen
Marktkomponenten besteht, entsteht eine
Abhängigkeit zu den einzelnen Lieferanten. Es
muss sichergestellt werden, dass die Komponenten
in gleichbleibender Qualität langfristig verfügbar
sind. Zudem werden Änderungen an einem
Modul häufig nicht gemeldet, wenn es noch
dieselbe Funktionalität besitzt. Diese Änderungen
können jedoch zu Problemen bei der Installation
bestimmter Anlagen führen. Maschinenspezifische
Steuerungen ermöglichen hier eine bessere
Kontrolle. Ebenfalls ist es wichtig, dass der
Lieferant der Steuerung, eine Liefergarantie für
den gesamten Produktionszeitraum gibt. Denn falls
ein Bauteil nicht mehr verfügbar ist, muss dieses
durch ein gleichwertiges Teil ersetzt und die neue
Konfiguration umfassend getestet werden, z.B.
durch einen sogenannten Feldtest. Nur auf diesem
Wege kann auf Komponentenebene umfassend
kontrolliert werden, ob es Differenzen gibt und
welche Tests jetzt erforderlich sind. In erster Linie
muss sichergestellt werden, dass die Steuerung in
exakt derselben Form verfügbar ist, solange der
Maschinenproduzent dies wünscht.
Zusammenfassung
Zusammenfassend gibt das Fraunhofer-Institut mit
dem Bericht „Industrie 4.0“ zu verstehen, dass wir
der Konkurrenz nur einen Schritt voraus bleiben
können, wenn wir neue Funktionen hinzufügen
und vor allem die Möglichkeiten der heutigen
Kommunikation voll ausschöpfen. Diese neuen
Eigenschaften erfordern eine umfangreichere
Maschinensteuerung und eine Kommunikation
mit einem BackOffice. Die Herausforderung: alles
muss zu einem geringeren Gesamtpreis machbar
sein. Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung
eines Maschinenbauers kann die Spezifikation
einer Maschinensteuerung exakt bestimmen.
Beschränkungen, die die auf dem Markt
verfügbaren Komponenten diktieren, müssen
dabei nicht mehr berücksichtigt werden. Jede R&D
Abteilung eines Unternehmens kann individuell
bestimmen, welche Komponenten für eine
hochmoderne, zukunftssichere Maschine wirklich
benötigt werden. Die 5 wichtigsten Punkte sind:
1. Richtige E/A-Konfiguration bzgl.
Schnelligkeit, Menge, Präzision, lokal/fern
2. Optimale MMS für Anwendung
3. Standardisierung von Anwendungen und
Unabhängigkeit bei Erweiterungen
4. Kommunikationsmöglichkeiten
5. Gesamtkosten

8. Das Unternehmen ist seit über 36 Jahren im Bereich Industrielle Automatisierung aktiv.
Die Spezialisierung über das Vertical Machine&Systems richtet sich speziell an den
Maschinensteuerungsmarkt.
Weitere Informationen
Herr Arjan Kleiboer
Tel: +316 270 873 32
Arjan.kleiboer@ict.nl