Mechatronik planbar machen

Software - Häufig stellen Kommunikationsbarrieren zwischen den Disziplinen Planung, Aufbau, Bedienung, und Diagnose bei mechatronischen Systemen die Unternehmen vor Probleme. Ein strukturiertes Ablaufdiagramm in einheitlicher Software kann dabei helfen.

31. August 2006

Im Rahmen des jüngsten Forums »Mechatronik im Maschinenbau« tauchte eine Frage immer wieder auf: Wie arbeiten mechatronische Konstruktionsteams effizient zusammen? Die Anforderung der Diskussionsteilnehmer lautete dabei allerdings: Es darf nicht der kleinste gemeinsame Nenner genutzt werden, sondern das größte gemeinsame Vielfache und das so einfach wie möglich. Die Wunschlösung lautet letztendlich: das Ablaufdiagramm. Dieser Ansatz vereint Einfachheit mit Anwendbarkeit in allen Ingenieurdisziplinen. Darüber hinaus ist es eine interessante Lösung, das Ablaufdiagramm nicht nur als gemeinsame Arbeitsgrundlage eines mechatronischen Konstruktionsteams zu nutzen, sondern auch noch als Programmieroberfläche für die Steuerung.

Bei der Umstellung der Konstruktion von disziplingetrennten zu gemischten mechatronischen Konstruktionsteams stellt sich die Frage, auf welcher Basis diskutiert und auf welche Weise die Ergebnisse für alle nutzbar gemacht werden können. Einfache, beschreibende Texte und Zeichnungen, beispielsweise in einer Textverarbeitung, sind zwar weit verbreitet, stellen sich aber schnell als Sackgasse heraus. Bessere Werkzeuge sind oft an die Anforderungen einzelner Disziplinen angepasst und können nicht übergreifend verwendet werden. Für Ingenieure und Techniker einer Fachrichtung sind die Hilfsmittel einer anderen Disziplin nicht optimal oder müssen erst nachträglich erlernt werden. Dies führt zu einer unüberschaubaren Anzahl von Werkzeugen und Hilfsmitteln, die von vielen Beteiligten in einem Unternehmen beherrscht werden müssen. Die Folge sind ein verstärktes Spezialistentum sowie eine erhöhte Fehleranfälligkeit des Maschinenkonstruktions- und Inbetriebnahmeprozesses. Ein weiterer Aspekt ist die Zahl der Hilfsmittel, die teilweise nur in einer bestimmten Konstruktionsphase zum Einsatz kommen. Änderungen, die zum Beispiel während der Inbetriebnahme einer Maschine auftreten, müssen aufwändig in allen vorher genutzten Werkzeugen und Hilfsmitteln nachgehalten werden. Wie diesen Herausforderungen mit verbesserten Abläufen und Werkzeugen in mechatronischen Konstruktionsteams begegnet werden kann, wird deshalb im bereits erwähnten Forum »Mechatronik im Maschinenbau« immer wieder diskutiert.

Optimale Instrumente wählen

Es gibt verschiedene Ansätze, um die Werkzeuge in mechatronischen Entwicklungsteams zu vereinheitlichten. Oft wird versucht, alle Vorteile vorhandener Werkzeuge in einer »omnipotenten« Softwaresuite zusammenzufassen. Diese Vorgehensweise hat einen entscheidenden Nachteil: Die Barrieren zwischen den Disziplinen bleiben bestehen und die Kommunikation innerhalb des mechatronischen Konstruktionsteams wird nicht durch einheitliche Werkzeuge gestärkt. Der Großteil der Synergieeffekte bleibt ungenutzt. Erfolgreicher erscheint deshalb ein vereinfachter Ansatz in Form einer Ergebnissicherung, die sofort für alle Beteiligten Nutzen bringt und in möglichst vielen Phasen des Konstruktions- und Inbetriebnahmeprozesses eingesetzt werden kann. Dabei ist es wichtig, ein technisch strukturiertes Werkzeug zu wählen. Denn eine Text-basierte Beschreibung lässt sich nicht sinnvoll strukturiert nutzen und könnte technisch nicht weiterverwendet werden. Unter Einhaltung dieser Randbedingungen wurden deshalb im Forum das Takt-Zeit-Diagramm sowie das Ablaufdiagramm als Lösung vorgeschlagen. Das Takt-Zeit-Diagramm stellt insbesondere die Gleichzeitigkeit sowie die Zeitabhängigkeit von Prozessen übersichtlich dar. Allerdings ist es leider nicht Teil jeder Ingenieursausbildung. Außerdem ist diese Variante nicht ausreichend standardisiert und zudem komplexer als das Ablaufdiagramm. Das Ablaufdiagramm wiederum ist verhältnismäßig unkompliziert und wird in der Ausbildung von Technikern jeder Disziplin für die Aufgabenstrukturierung angewendet.

Um zu beurteilen, ob das Ablaufdiagramm tatsächlich eine geeignete Lösung darstellt, gilt es weitere Fragen zu beantworten: Wie weit trägt der Ansatz des Ablaufdiagramms? Für welche Aufgaben kann das Ablaufdiagramm genutzt werden und welche anderen spezialisierten Werkzeuge kann es ersetzen? Betrachtet man die Phasen der Maschinenerstellung, so zeigt sich, dass das Ablaufdiagramm von der Idee des Maschinenablaufs bis zur Inbetriebnahme als Werkzeug geeignet ist. Mechanische Konstruktionszeichnungen, Elektropläne sowie Stücklisten kann es allerdings nicht ersetzen. Jedoch ist es für die Zusammenarbeit eines mechatronischen Konstruktionsteams nicht zwingend erforderlich, dass alle Details jeder Disziplin vereinfacht und gemeinsam besprochen werden. Lediglich die Kernaufgaben und Schnittstellen zwischen den Disziplinen müssen einer gemeinsamen Ergebnissicherung unterliegen. Der Kern des Konstruktionsprozesses einer Maschine ist der Ablauf der Maschinenfunktionen.

Bisher wird der Maschinenablauf vom Mechanik-Konstrukteur oft selbstständig festgelegt, die anderen Disziplinen werden nicht einbezogen. Bei einer mechatronischen Konstruktion sollte die Vorgehensweise eine andere sein. Auf Basis eines einfach strukturierenden Werkzeugs wie dem Ablaufdiagramm können alle Mitglieder des mechatronischen Teams bereits zu Beginn der Entwicklung mitarbeiten und ihre Lösungen parallel entwickeln.

Bereichsübergreifend denken und planen

Rückkopplungen aus diesen Lösungen auf die Mechanik sind bereits frühzeitig möglich. Auf diese Weise lassen sich die Nachteile eines kostenintensiven Umkonstruierens oder unproportional hohe Softwareaufwendungen vermeiden. Die Effizienz ließe sich weiter steigern, wenn die Ergebnissicherung des mechatronischen Konstruktionsteams auf Basis des Ablaufdiagramms sofort in die Werkzeuge der einzelnen Disziplinen hineinwirken würde. Für einige Disziplinen ist das bereits heute möglich. ie Software-Entwicklung ist häufig das Sorgenkind der Maschinenbauer, denn sie kann oftmals erst nach der Fertigstellung der mechanischen und elektrischen Konstruktion richtig beginnen. Damit bestimmt sie wiederum den Zeitpunkt der Inbetriebnahme und liegt stets im kritischen Zeitpfad. Als Folge entsteht vielfach die Hälfte der Software bei Inbetriebnahme unter entsprechendem Termindruck und genügt aus diesem Grund nicht den späteren Qualitätsansprüchen der Wartung und Instandhaltung. Die Benutzung des Maschinen-Ablaufdiagramms als Maschinenprogramm versetzt den Softwareentwickler zu einem frühen Zeitpunkt in die Lage, Softwaremodule für jeden Maschinenablauf zu planen und großenteils zu entwickeln. Die enge Verzahnung der Software mit dem Maschinenablauf sowie der gemeinsamen Arbeitsgrundlage des mechatronischen Entwicklungsteams steigert unmittelbar die Effizienz und entschärft den kritischen Pfad. Die Automatisierungssoftware VLC von Phoenix Contact ist genau so ein Werkzeug, um Maschinenabläufe zu planen. Das Besondere dabei ist, dass die Programmierung der SPS ebenfalls in dem Tool vorhanden ist. Folglich kann die VLC-Lösung als Soft-SPS oder Standard-SPS genutzt werden, um die Maschine mit den eingebauten Diagnose- sowie Inbetriebnahmewerkzeugen einzurichten und während des Betriebs zu steuern. Die Automatisierungssoftware VLC beweist in der Praxis, dass das Ablaufdiagramm von der Planung der Maschinenabläufe bis zur Diagnose im Störungsfall durchgehend genutzt werden kann. Die Hindernisse zwischen den einzelnen Bereichen werden aufgehoben, sodass neben den Konstrukteuren auch die Inbetriebnehmer ins mechatronische Team einbezogen werden können. Die Ergebnisse der Inbetriebnahme lassen sich unmittelbar in der Konstruktion verwenden. Damit wird einer übertriebenen Spezialisierung entgegengewirkt. Zusätzliche Kapazitäten innerhalb des Unternehmens sowie das Know-how der Mitarbeiter werden deutlich effizienter genutzt. Fehler und Probleme im Zusammenspiel aller Maschinenkomponenten lassen sich so bereits vor der Inbetriebnahme erkennen und beseitigen.

Claus Kühnl, Phoenix Contact

Erschienen in Ausgabe: 01/2006