Maschine modular

Steuerungskonzepte - Die Modularisierung von Maschinen in mechatronische Einheiten ermöglicht eine flexible Weiterentwicklung bestehender Anlagen.

02. August 2007

Vor allem bei zentralen Maschinenarchitekturen ist es notwendig, bei einer Funktionsänderung oder Erweiterung der Maschine die Programmierung komplett zu überarbeiten. Um flexibel auf Kundenanforderungen reagieren zu können, muss der Maschinenbauer jedoch in der Lage sein, Erweiterungen schnell vorzunehmen. Nötig dazu ist ein dezentraler Aufbau - das heißt ein Aufbau in logischen Einheiten - der Maschine, der wiederum die sinnvolle Modularisierung der Maschine voraussetzt. In vielen Branchen mangelt es den Maschinenbauern jedoch noch an entsprechendem Know-how und an Erfahrung, um dezentrale Lösungen zu realisieren. Ein großes Problem ist dabei vor allem die Abbildung der Modularität in der Software.

Ein flexibler Maschinenaufbau lässt sich mit dezentralen Architekturen realisieren. Wird eine Maschine in mechatronische Einheiten zerlegt, lassen sich mit geringem Aufwand Software-Templates für diese Funktionseinheiten programmieren. Zu beachten ist hierbei - und das kann je nach Maschinentyp variieren - welche mechatronischen Einheiten sinnvoll sind und bis zu welcher Ebene die Maschine modularisiert werden soll. Im Spritzgussverfahren beispielsweise werden Kunststoff- Formteile hergestellt. Dabei arbeiten in der Maschine bis zu sechs elektrische Achsen. Verschiedene Bewegungsabläufe der Maschine lassen sich in Prozessabschnitte zusammenfassen: Der Einspritzprozess besteht aus dem Plastifizieren und Einspritzen des Materials in die Form. Das Schließen der Form und die Formhöhenverstellung sind mit einer einzigen Bewegungsdefinition möglich. Nach dem Aushärten wird das fertige Teil ausgeworfen. Bei einer Spritzgussmaschine ist deshalb die Unterteilung in Module wie Einspritzeinheit, Schließeinheit, Anfahreinheit sowie Kernzüge und Kernheber sinnvoll. Werden diese mechatronischen Module jeweils in einem eigenen Software-Template abgebildet, so lassen sich zahlreiche Varianten generieren, um beispielsweise Rundtakt- oder Transfertaktmaschinen zu realisieren. Der Maschinenbauer kann das so entwickelte modulare Baukastensystem nutzen, um seine Maschine bedarfsorientiert zusammenzustellen und somit flexibel auf den Fertigungsprozess und damit auf die Anforderungen seiner Kunden reagieren. Die Funktionseinheiten müssen für die Steuerungstechnik sinnvoll gebündelt werden. Fasst man Motoren, Gebersystem, Drucksensor und mögliche Endschalter - also die Mechanik samt Steuerung im Schaltschrank - zusammen, verfügt man über eine mechatronische Einheit. Mit möglichst geringem Aufwand muss für diese Einheit nur noch eine Softwarelösung generiert werden. Archiviert in Bibliotheken, stehen einzelne Bewegungszyklen als vorgefertigte Templates jederzeit zur Wiederverwendung bereit. Um eine Maschine modular aufzubauen, muss ihre Mechanik in mechatronische Einheiten zerlegt werden. Weiterhin muss die Modularisierung der zugehörigen Software erfolgen. Prinzipiell ist es möglich, jeden Bewegungszyklus als Grundstruktur in Software-Blöcken abzubilden. Jeder Software- Block ist einer Funktionseinheit der Maschine zugeordnet. Eine solche Funktionseinheit verfügt über ein Auftragsmodul, ein Sicherheitsmodul, ein Ausführungsmodul sowie eine E/A-Zuordnungs-Liste. Das Auftragsmodul (Jobsender) gibt dem Ausführungsmodul (Jobempfänger) eine Funktion vor, die letzteres ausführen und zurückmelden soll. Wird der Job erfolgreich erledigt und zurückgemeldet, kann der nächste Auftrag erfolgen. Andernfalls wird eine Fehlermeldung generiert. Das Sicherheitsmodul überwacht permanent den Ist- mit dem Sollzustand der Maschine, um im Fehlerfall erforderliche Meldungen auszugeben.

Eine Hauptsteuerung enthält übergeordnet zu den Funktionseinheiten die globale Steuerungskonfiguration. Sie enthält ein Auftragszentrum und eine Sicherheitsüberwachung. Das Auftragszentrum regelt tabellarisch und mehrdimensional die noch ausstehenden Aufgaben. Die Sicherheitsüberwachung überprüft auf dieselbe Weise, ob eine angefragte Bewegung ausgeführt werden darf. Hierzu werden bestimmte Bedingungen abgefragt, beispielsweise, ob alle sicherheitsrelevanten Türen geschlossen sind. Eine weitere übergeordnete Ebene ist der Konfigurationsteil. Hier werden vom Anwender die quantitativen Daten und an der Maschine vorhandene Funktionsgruppen (Optionen) in einer Liste hinterlegt. Manuell kann die Liste um diverse Funktionseinheiten ergänzt werden. Bei jedem Anlaufen der Maschine wird diese Liste durchlaufen und überprüft, ob beispielsweise neue Funktionen in der Maschine integriert wurden. Nach der Überprüfung wird entschieden, ob ein Ausführungsmodul vom Auftragsmodul angesprochen wird. Auf der Konfigurationsebene werden zuvor ausgearbeitete Templates eingefügt. Die früher bei jeder einzelnen Änderung notwendige komplett neue globale und somit aufwendige Programmierung entfällt. Die Konfigurationseinheiten sind flexibler, somit kann auch der Maschinenbauer auf veränderte Kundenanforderungen durch eine simple Änderung der Konfigurationsliste flexibler reagieren. Alle notwendigen Ausführungsmodule sind im Softwarestand hinterlegt. Durch die flexible E/A-Zuordnung können die Module sehr einfach und wirtschaftlich angeknüpft werden. Dies ist nicht zuletzt wichtig für die Modularisierung der E/A-Zuordnung und damit für die Verdrahtung sowie den modularen Schaltschrankbau.

Marcus Finkbeiner, Baumüller/ml

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007