19. JULI 2018

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Automatisierung muss einfach sein


Hardwarekomponenten und Softwaretools der Automatisierungstechnik geben dem Ingenieur zwar ein hohes Maß an Kontrolle und sehr viele Optionen, sie überfordern die meisten Nutzer allerdings damit, selbst beim Versuch einfachste Aufgaben zu bewältigen. Robodev hat einen Automatisierungsbaukasten mit Antrieben, Greifern und Sensoren entwickelt, mit dem jeder Ingenieur ohne Programmierkenntnisse innerhalb von Minuten seine Automatisierungslösung bauen und einrichten kann.

Wo liegt die Zukunft der industriellen Automatisierung? Schneller, höher, stärker wird zwar weiterhin ein Leitgedanke bleiben, aber eine disruptive Innovation geht daraus nicht hervor. Vielmehr ist es notwendig eingeschliffene Gewohnheiten zu überdenken, welche bisher einer neuen Art der Automatisierungstechnik im Weg standen. Allem voran ist dies die strikte Trennung zwischen dem Anbieter von Automatisierungs- lösungen und deren Nutzern.
Wird diese Trennung erst einmal nicht mehr für notwendig und selbstverständlich gehalten, vielleicht sogar bereits als Hindernis zur weiteren Produktivitätssteigerung erkannt, ergeben sich daraus die neuen technischen Anforderungen von selbst: Modularität, Plug & Play Konnektivität und Usability. Die Maßgabe der Wirtschaftlichkeit behält selbstver- ständliche ihre Geltung, aber auch deren Kalkulation bleibt nicht unverändert.

Modularität
Die Produktion ist so individuell wie das hergestellte Produkt. Darin liegt eine der zentralen Herausforderungen für Automatisierung. Mit vorgegebenen Standardlösungen können die individuellen Anforderungen nicht erfüllt werden. Entsprechend müssen individuelle Automatisierungslösungen geschaffen werden, welche auf der Grundlage von Einzelkomponenten die gewünschte Funktionalität realisieren. Wenn also heute bereits aus dem großen Portfolio verfügbarer Standardkomponenten diverse kundenindividuelle Lösungen geschaffen werden, sind dann nicht bereits auch heutige Automatisierungssysteme modular.
Wenn unter „Modulen“ schlicht „Einzelteile“ verstanden werden, kann die Frage mit ja beantwortet werden, aber wie verhält es sich wenn man etwas höhere Forderungen an Modularität stellt? Modularität im relevanten Wortsinn, erfüllt mindestens drei Kriterien:
(1) Die Module sind lose gekoppelt, d.h. es bestehen geringe Abhängigkeiten zwischen den Modulen.
(2) Die Module sind über standardisierte Schnittstellen (mechanisch, elektrisch, datenverarbeitend) gekoppelt. Die Schnittstellen ermöglichen eine wiederholte (Neu-) Verbindung mit geringem Aufwand.
(3) Austauschbarkeit von Teilsystemen und Rekombinierbarkeit zu neuen Systemen.
Ein gängiges Bild von Modulen als Puzzleteilen führt hier in die Irre, da sich ein Puzzle geradezu dadurch auszeichnet, dass die Teile keine austauschbar passenden Schnittstellen bieten und es auch nur genau eine korrekte Kombination der Teile zu einem Ganzen gibt. Deutlich passender wäre das Bild des Legosteins oder – im industriellen Kontext fast von gleicher Bekanntheit – des Aluminium- Strebenprofils. Aus einem Satz Profile und zugehöriger Verbinder kann von Maschinengestellen über den Montagearbeitsplatz bis hin zum Transportwagen eine Vielzahl von Systemen erstellt werden. Besonderes Gewicht soll darauf gelegt werden, dass dies aus einer überschaubaren Anzahl innerhalb des Systems quasi universell einsetzbarer Teile erfolgt, d.h. es besteht weitgehend Deckungsgleichheit bei den Teilen im Transportwagen und dem Arbeitsplatz.

Plug & Play Konnektivität
War im vorausgehenden Abschnitt bereits von Schnittstellen die Rede, sind nun die Schnittstellen zur Übertragung elektrischer Energie und Daten genauer zu thematisieren. In der Welt der Konsumelektronik hat die USB- Schnittstelle Maßstäbe gesetzt für das Konzept einer Schnittstelle mit einheitlichem Steckverbinder, gleichzeitiger Strom- und Datenverbindung und automatischer Identifikation, Initialisierung und Inbetriebnahme (Plug & Play) einer großen Zahl verschiedener Geräteklassen. Bekanntermaßen erfüllt USB jedoch viele der Anforderungen nicht, welche für industrielle Automatisierungs- systeme notwendig sind. Es seien nur mechanische Robustheit, elektrische Leistung und Echtzeitverhalten hervorgehoben.
Entsprechend muss eine Kombination aus mechanisch robustem hybridem Steckverbinder, welcher die erforderliche Performanz hinsichtlich Stromversorgung (auch für Antriebe) und Ethernet-basierte Echtzeitkommunikation, sowie einem erweiterten, auf etablierten Standards aufbauenden, Feldbusprotokoll, welches angeschlossene Geräte unmittelbar nutzbar macht, das angestrebte Ziel in der Automatisierung sein.

Usability
Modularität und Plug & Play sind nur deshalb entscheidende Themen, da Automatisierungslösungen von Menschen gemacht werden und beides ihre Usability deutlich verbessert. Usability, Gebrauchstauglichkeit, am klarsten jedoch als Benutzerfreundlichkeit übersetzt, hat zum Ziel technische Systeme vom Menschen her gedacht zu verbessern. Verschiedene Facetten dieser menschzentrierten Betrachtung seien knapp an einem Steckverbinder verdeutlicht: Ein Verpolschutz verbessert nicht die technische Leistung des Steckers, vermeidet aber Fehlbedienung, welche aus den kognitiven Prozessen des Menschen hervorgehen kann. Im Vergleich sind einrastende Arretierungen meist einfacher und schneller zu nutzen als Schraubverbindungen, was letztlich auf den menschlichen Bewegungsapparat zurückzuführen ist. Farbkodierungen oder Beschriftungen bzw. das Entfallen der Notwendigkeit zur Zuordnung von Kabeln zu Geräten entlasten das menschliche Gedächtnis.
Allgemeiner lässt sich durch Vereinheitlichung, Reduktion auf Wesentliches, konsistente Gestaltungsmerkmale, klare Rückmeldungen, unterstützende visuelle Darstellung, Vor- wegnahme absehbarer Fehlinterpretationen und -nutzung und eine Reihe anderer Maßnahmen die Usability von Hard- und Software verbessern. Außerdem gilt das Prinzip der Ausrichtung auf eine klar gefasste Nutzergruppe. Eine Gestaltung die für Experten adäquat ist, welche täglich mit einem System arbeiten, wird für sporadische Nutzer ungeeignet sein – und umgekehrt.
Bisherige Hardwarekomponenten und Softwaretools der Automatisierungstechnik geben dem Ingenieur zwar ein hohes Maß an Kontrolle und sehr viele Optionen, sie überfordern die meisten Nutzer allerdings damit, selbst beim Versuch einfachste Aufgaben zu bewältigen. Ziel muss auch für die Gestaltung von Automatisierungs-technik das Diktum von Alan Kay sein: „Simple things should be simple, complex things should be possible.“

Wirtschaftlichkeit
Modularität, Plug & Play Konnektivität und Usability sind letztlich Mittel zu dem Zweck Automatisierungslösungen für neue Anwendungen und in einem breiteren Marktsegment zu etablieren. Auch ohne diese Eigenschaften wäre Automatisierungstechnik bereits deutlich umfassender im Einsatz, hinge nicht das entscheidende Kriterium der Wirtschaftlichkeit in neuen Kontexten eng von den genannten Eigenschaften ab. Eine Kostenaufschlüsselung für Sonderlösungen führt dies deutlich vor Augen: Der größte Kostenblock sind meist nicht die Komponenten, sondern das Engineering. Die signifikante Verringerung der Engineeringkosten ist der große Hebel mit dem Automatisierung auf eine neue Stufe gehoben werden kann.
Eine nähere Betrachtung des Engineeringkostenblocks zeigt, es wird nicht genügen nur die Werkzeuge des Ingenieurs weiter zu verbessern. Eine Abkehr vom Modell des rein externen Automatisierungsdienstleisters, welcher anhand eines Lastenhefts nach Monaten eine schlüsselfertige Lösung liefert, die dann nur noch betrieben wird, ist im Ganzen notwendig, um Automatisierung für neue Marktsegmente attraktiv zu machen.
Aus diesem Grund muss der Facharbeiter im produzierenden Betrieb in die Lage versetzt werden aus einem überschaubaren Baukasten von integrierten Standardkomponenten eine Vielzahl von Sonderlösungen in seinem Produktionsumfeld zu schaffen. Nur so kann nachhaltig ein viel niedriger Kostenpunkt für kleinteiligere Automatisierungslösungen erreicht werden, welche im gesamten Wertschöpfungsstrom durchgehend zum Einsatz kommen. Positiv für Produktions- standorte mit hochqualifizierten Produktions- mitarbeitern ist hierbei die Möglichkeit – im globalen Vergleich – über-durchschnittliche Qualifikationen nun unmittelbar in einen Produktivitätsvorsprung übersetzen zu können.

Das Robodev System
Im Bereich Handhabung und Montage hat sich die Robodev GmbH die oben genannten Punkte als Richtlinien gesetzt und in den vergangenen Jahren ein System entwickelt mit dem Automatisierungslösungen einfach betrieb- sintern realisierbar sind. Das Robodev System besteht aus beliebig miteinander kombinierbaren, intelligenten Mechatronik- modulen und einer intuitiv nutzbaren Software. Die Hardware umfasst, neben der Steuerung, verschiedene Antriebe, Greifer, Sensoren zur Objekterkennung und Lokalisierung, Bedienpanel und weitere Automatisierungskomponenten. Mit diesem Modulbaukasten können verschiedenste Applikationen umgesetzt werden. Von der Zuführung, über die Handhabung, Bearbeitung und Montage von Bauteilen sowie Qualitätskontrolle. Auf mechanischer Ebene wird dies durch die Kompatibilität aller Module zu in der Produktion etablierten Montagesystemen erreicht. Elektrisch werden die Module ausschließlich über ein einheitliches Hybridkabel untereinander verbunden. Der Schaltschrank entfällt. Die innovative Software ermöglicht, ohne Programmierkenntnisse, den Automatisierungsprozess grafisch festzulegen.
Im Wesentlichen müssen drei Hürden – mechanisch, elektrisch und programmtechnisch – überwunden werden, um zu einer Automatisierungslösung zu kommen. Während die heute gängigste Methode zur Überwindung der Einsatz eines Teams von gut ausgebildeten Automatisierungstechnikern und Ingenieuren ist, entfällt diese Option, wenn die Projekte kleinteiliger werden, schneller Resultate erforderlich sind – man könnte auch sagen: mehr Agilität gefordert ist – und diese, schon auch organisatorischen Gründen, betriebsintern durchgeführt werden sollen. In diesem oben skizzierten neuen Bereich der Automatisierung muss ein kleines Team des Betriebsmittelbaus bzw. der KVP-Werkstatt, letztlich der einzelne Produktionsmitarbeiter, in die Lage versetzt werden alle Tätigkeiten selbst durchzuführen. Trotz des Ausbaus der beruflichen und akademischen (Aus-)Bildung, sind den Mitarbeiter unterstützende technische Mittel und Assistenzsysteme erforderlich, um das sich ergebende Potential nutzbar zu machen. Entsprechend arbeitet Robodev nach dem Paradigma: Enabling people to make things work.

Hürde 1: Mechanischer Aufbau
Moderne CAD Systeme erlauben unter Verwendung von bereitgestellten Komponentendaten des Herstellers, die verschiedenen Befestigungselemente und Adapter korrekt zu konstruieren, welche eine Sonderlösung zusammenhalten. Mit Hilfe von CAM Werkzeugen und CNC Maschinen – oder additiven Verfahren – entsteht aus der virtuellen Halterung dann das erforderliche physische Objekt. Die Praxis scheitert jedoch allzu oft an einem dieser Punkte. Beherrschung von CAD/CAM Software, Verfügbarkeit von Maschinen oder schlicht am hohen Aufwand für die Durchführung. Entsprechend suchte Robodev nach einer Gestaltung der Hardwaremodule, welche die Konstruktion und den Bau von speziellen Zwischenstücken weitgehend eliminierte. Die gefundene Lösung ist die Nutzung von Aluminiumprofilen als Grundkörper innerhalb dessen alle Funktionalität realisiert ist und zwar ohne Störkonturen. Unabhängig davon ob es sich um einen Servoantrieb, einen Vakuumgreifer oder ein Bedienpanel handelt. Im Ergebnis können die existierenden und leicht verfügbaren Standardverbinder aus dem vertrauten Sortiment der Montageprofilsysteme genutzt werden.

Hürde 2: Elektronische Verschaltung
Stand der Technik bei der Verdrahtung von Automatisierungsanlagen ist nach wie vor die Zentralisierung der Elektronik in einem oder mehreren Schaltschränken. Dabei muss zunächst ein Stromlaufplan erstellt werden, welcher die Vielzahl verschiedener Leitungen zur Energieversorgung und Datenübertragung erfasst und ordnet. Auf dieser Grundlage erfolgt dann der eigentliche Schaltschrankbau und dessen Verdrahtung, oftmals basierend auf erst noch mit Aderendhülsen zu versehenden offenen Kabelenden die auf (Reihen-)-Klemmen angeschlossen werden. Entsprechend groß ist das notwendige Verständnis und die erforderliche Aufmerksamkeit zur korrekten Verdrahtung. Zumindest für kleine Leistung gibt es heute auch Alternativen. So nutzt das Robodev System statt diverser verschiedener inkompatibler (offener) Einzelkabel für alle Modultypen, vom Aktor bis zum Sensor, die gleiche innovative Hybridverkabelung. Aktuell erprobt Robodev einen optimierten Prototypen von LAPP, der einer einschlägigigen IEC Norm entspricht, was die weltweite Verfügbarkeit gewährleistet. In Kombination mit der vollständigen Integration aller für die Funktionalität eines Robodev Moduls relevanten Elektronik – Buskopplung, Steuerung, Sensorauswertung, Leistungstreiber – ergibt sich so ein System das für den Benutzer sehr einfach zu handhaben ist: Alle Module weisen mindestens zwei verpolsichere und robuste M12 Hybridanschlüsse auf. Der Systemnutzer muss lediglich darauf achten, dass alle Module miteinander verbunden sind und sich auch ein rd.Master Modul (kombinierte Steuerung- und Energieversorung) darunter befindet. Sowohl Reihenfolge als auch Topologie der Verdrahtung spielen keine Rolle, da es sich um ein 48V Gleichstromsystem in Kombination mit einem geswitchten Ethernetfeldbus handelt. Leistungstechnisch können von einem rd.Master bis zu 7 Bewegungsachsen plus eine Vielzahl von Sensor- und Hilfsmodulen versorgt werden. Durch den Plug & Play Mechanismus des Systems ist es noch nicht einmal notwendig manuell Gerätenummern zu vergeben oder die Geräte von Hand der Steuerung bekannt zu machen.

Hürde 3: Ablaufsteuerung
Effizienz kann in erster Annährung definiert werden als das Verhältnis des Ertrags/Nutzens zum Einsatz/Aufwand. Gegeben diesen Maßstab ist die Effizienz bei der Programmierung von Ablauf- oder Robotersteuerungen sehr niedrig. Wenn das Ziel nicht eine komplexe Bahnsteuerung mit exakt definierten Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofilen und/oder feinfühliger Kraft- bzw. Impendanzregelung ist – und dies erfordert nach wie vor nur ein sehr geringer Teil an Anwendungen, dann kann es kaum gerechtfertigt werden, dass mehrere Personentage bis -wochen erforderlich sind, um den Ablauf zu programmieren. In Kenntnis der gängigen SPS- und Robotersprachen ging Robodev daher einen radikal anderen Weg bei der Programmierung: Es gibt keine.
Zumindest nicht im herkömmlichen Sinne einer textuellen Programmiersprache. Stattdessen wurde ein grafischer Ansatz gewählt. Dieser bildet nun nicht den syntaktischen Text lediglich in zusammengesteckte Piktogramme ab – mit zweifelhaftem Nutzen, sondern beschreibt den Ablauf entlang des Flusses von Informationen. Konkret sieht dies im Robodev System so aus, dass sich der Benutzer zunächst mit einem Browser im lokalen Netzwerk auf der Steuerung einloggt, d.h. er kann jedes Endgerät (PC, Laptop, Tablet) nutzen und muss keinerlei Software installieren. Unmittelbar sind alle angeschlossenen Geräte verfügbar und ihre Einzelfunktionen können direkt genutzt werden (Handbetrieb). Zur Definition des Automatisierungsablaufs öffnet der Benutzer den Prozesseditor und findet sich zunächst auf einem leeren Blatt wieder. Jedes virtuelle Blatt repräsentiert einen Schritt (Phase) des Automatisierungsablaufs. Per Drag & Drop fügt der Benutzer nun Eingabe-, Geräte-, Logik- und Ausgabeblöcke hinzu. Jeder Block hat Eingänge und Ausgänge, z.B. hat der Geräteblock einer Linearachse einen Eingang für die Zielposition und einen Ausgang für die aktuelle Ist-Position. Um festzulegen, was in der aktuellen Phase geschehen soll, zieht der Benutzer Verbindungen (Pfeile) von einem Blockausgang zu einem Blockeingang, z.B. vom Ausgang eines Eingabe-Zahlenblocks zum Eingang Zielposition der Linearachse. Jede Phase kann einzeln getestet werden. Ist das Ergebnis zufriedenstellend, legt der Benutzer eine neue Phase an. Dort definiert er erneut, was in diesem Schritt geschehen soll. Schließlich verknüpft er die beiden Phasen über eine Bedingung, z.B.“ Linearachse hat Zielposition erreicht.“ In jedem Fall muss der Benutzer nur das für den aktuellen Prozessschritt Relevante überblicken und verstehen. Dabei kann er auch in jeder Phase unmittelbar festlegen, welche Informationen auf dem Bedienpanel sichtbar bzw. welche Möglichkeiten zur Beeinflussung der spätere Maschinenbediener haben soll. Sobald alle Phasen definiert und verknüpft wurden, muss final nur noch der Automatikmodus gestartet werden. Der Automatisierungsablauf wird nun deterministisch zyklisch abgearbeitet und das Robodev System ist in Betrieb genommen und versieht zuverlässig seinen Dienst.
So einfach kann Automatisierung sein.

[Autor: Dr. Julien Mintenbeck, Robodev GmbH] 

Datum:
06.07.2018
Unternehmen:
Bilder:
Robodev

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