Fachartikel

Januar 2016

Size matters, heißt es. Wenn es ein Umfeld gibt, bei dem das mehr denn je stimmt, dann im Bereich der Automatisierung. Die Größe der Steuereinheiten reduziert sich bei wachsender Funktionalität. Der Umfang der Daten- und Netzwerksysteme wächst. Der zunehmende Automatisierungsgrad in immer mehr Industriezweigen verhilft Motion Control Systemen zu einer Schlüsselstellung. Der weltweite Markt wird aktuell bis zum Jahr 2020 auf knapp 20 Milliarden Euro bei einem jährlichen Wachstum von etwa sieben Prozent geschätzt. Das größte Wachstum wird derzeit mit durchschnittlich etwa 20 Prozent jährlich im asiatischen Markt vorhergesagt, dessen größter Treiber China mit anteiligen 41 Prozent ist und wo sich einige neue Player in Stellung bringen.

Der schweizerische ABB Konzern, neben Rockwell Automation Inc., Schneider Electric Co., Siemens AG, Bosch Rexroth und Yaskawa Electric Corp. weltweit führend bei Motion Control Systemen hingegen hat erst kürzlich seine Umsatzprognosen bis 2020 gesenkt. Neben dem niedrigen Ölpreis seien geringere Wachstumsaussichten in Asien Gründe dafür, heißt es. Was wie ein Widerspruch aussieht, scheint jedoch bei näherem Blick erklärbar, denn der Industrialisierungsgrad in China entspricht nicht dem in Europa. Der Bedarf an Motion Control Systemen liegt dort momentan hauptsächlich noch im unteren und mittleren Segment mit einfachen, nur bedingt intelligenten Komponenten, die von Firmen wie Googol Technology, Shanghai Weihong und Leadshine Technology hergestellt werden.

In Europa und USA hingegen wird der Markt von einem Bedarf an hochentwickelten Systemen geprägt, die aus kompakter Hardware (Sensoren und Aktuatoren), intelligenter und flexibel programmierbarer Software sowie schneller kabelgebundener oder kabelloser Netzwerkanbindung bestehen. Neben der Modernisierung von bestehenden Automatisierungsanlagen ist dieser Bedarf auch konkret den Entwicklungen im Bereich Industrie 4.0 geschuldet, um die Produktivität weiter zu erhöhen. Federführend sind derzeit die Industriezweige Automotive, Halbleiter und Maschinen- und Anlagenbau.

Standards sind notwendig

Flankiert wird der Automatisierungstrend von Anforderungen an steigende Energieeffizienz und erhöhte Kapazitätsauslastung von Produktionssystemen, selbst bei Fertigungsserien mit kleinen Stückzahlen. Dies bedingt nicht nur die intelligente Steuerung und Überwachung einer Fertigungsstraße. In der Fabrik der Zukunft wird es einzelne Fertigungsstationen geben, die basierend auf der Information des mit elektronischer Intelligenz ausgestatteten Bauteils (Cyber-Physisches System CPS) wie Legobausteine kombiniert und durchlaufen werden. RFID-Daten des Bauteils oder auch an den Aktuatoren der Fertigungsstationen erfasste Sensordaten wie beispielsweise Werkzeugtemperatur werden an die Cloud übertragen, ausgewertet und fließen in die Steuerungssysteme MES (Manufacturing Execution System) und ERP ein. Das zu entstehende Produkt steuert seinen eigenen Herstellprozess.

Erster, herstellerübergreifender Aufbau einer Industrie 4.0 Fertigungsanlage

Smart FactoryXL

Führendes Beispiel in der Industrie ist die Technologie-Initiative SmartFactory KL E.V., ein partnerschaftlich mit dem DFKI arbeitender Verein von Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen, der die weltweit erste herstellerübergreifende Industrie 4.0-Anlage realisiert hat. Erforderlich hierfür sind allerdings das Zusammenspiel von Komponenten unterschiedlichster Hersteller und die Kommunikation über einheitliche Schnittstellen und Protokolle.

Standards, die auch das von AT&T, Cisco, GE, IBM und Intel gegründete Industrial Internet Consortium (IIC) definieren möchte und dem sich bereits mehr als 200 Firmen und Institutionen angeschlossen haben. Die erste Referenzarchitektur des Konsortiums wurde im Juni 2015 veröffentlicht. Motion Control Systeme werden hierbei in einem Verbund zu einem Industrial Control System zusammengefasst. Die bisherige, auf Sensordaten basierende Funktion mit automatischer Ausübung einer zeitnahen und hochgranular einstellbaren Aktion an physikalischen Objekten in nächster Umgebung wird erweitert und von Informationen aus benachbarten Systemen abhängig gemacht. Benachbart ist in diesem Fall nicht nur lokal sondern auch funktionsabhängig zu sehen, wie ein Projekt von GE Global Research im Rahmen des IIC zeigt.

Projektleiter Dan Sexton am Versuchsaufbau von GE Global Research zur Synchronisation räumlich getrennter, beweglicher Aufbauten

Dan Sexton von GE Global Research

Bei dem Versuchsaufbau wurden zwei Pendel viereinhalbtausend Kilometer voneinander entfernt in Bewegung gesetzt und sollten synchronisiert werden. Allein schon die Zeit, die Software und Messtechnik benötigen, um die Bewegung zu analysieren, die Position zu bestimmen und diese Daten zum zweiten Pendel ohne Verzug weiterzugeben, schien es fast unmöglich zu machen, beide Teile exakt aufeinander abzustimmen. Doch diese Aufgabe hat GE mit der Installation einer der weltweit schnellsten Datenpipelines der Welt gelöst. Über eine Glasfaserverbindung wurden Oszillationsdaten, Geschwindigkeitsvektoren und weitere Parameter zur Positionsbestimmung mit 100 Gigabits pro Sekunde in Lichtgeschwindigkeit zwischen New York und Kalifornien hin und her übertragen. Das Projekt hat Modellcharakter, denn GE plant zukünftig einzelne Turbinen miteinander zu vernetzen und deren Bewegung zu synchronisieren. Ein hehres Unterfangen, betrachtet man die gut 6.000 Sensoren, die heute bereits beim Test einer Turbine von GE etwa fünf Terabyte an Daten liefern.

Doch neben erfassten Daten und deren direkte Auswirkung auf den Prozessfluss spielen Analysetools eine immer stärkere Rolle. Über die Zeit können aufgrund der gesammelten Sensordaten vorausschauende Aussagen gemacht und als Entscheidungshilfen herangezogen werden. Ein Unternehmen, das sich darauf spezialisiert hat, ist Blue Yonder. Deren Datenforscher und Softwareentwickler kommen aus der Wissenschaft und haben ihre Kenntnisse unter anderen an internationalen Forschungsinstituten wie dem CERN erworben. Industrieunternehmen können mit der Prognosesoftware, bei der Techniken wie Predictive Modeling und Machine Learning kombiniert wurden, anhand der Maschinen-, Sensor- und Verbrauchsdaten Muster erkennen und Trends vorhersagen. Beispielswiese können einzelnen Energietreiber innerhalb einer Produktionsanlage sowie zukünftige Verbräuche bestimmt und für die Automatisierung der Anlage herangezogen werden, um Verbrauchsspitzen zu minimieren oder Kosteneinsparungen durch den Betrieb in Zeiten von günstigeren Stromtarifen realisieren. Gleichzeitig lassen sich über Sensordaten aber auch Fehler in Bauteilreihen oder Wartungsfälle durch Prognosen zu Ausfallrisiken vorhersagen. Im Ersatzteilgeschäft werden neben den historischen Fertigungsdaten weitere externe Faktoren wie beispielsweise Wettereinflüsse, Lieferanten- und Marktforschungsdaten mit einbezogen, um den Bedarf einzuschätzen und die Absatzplanung zu erstellen.

Bei zukünftigen Motion Control Systemen werden damit Hardware und Software-Komponenten noch stärker verzahnt werden. Die Einhaltung von hohen Sicherheitsstandards besonders bei der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine darf hierbei nicht außer Acht gelassen werden. Ein gutes Beispiel aus Deutschland kommt von B&R. Mit SafeROBOTICS stehen dem Anwender verschiedene Funktionsbausteine zur Verfügung, die über Eingabe einzelne Parameter einfach und flexibel auf die Rahmenbedingungen abgestimmt werden können. Damit kann der gesamte Arbeitsraum eines generalisierten, seriellen Roboters samt den Einzelgeschwindigkeiten an allen Gelenken und auch dem Werkzeugarbeitspunkt kontrolliert werden. Die akkuraten Achspositionen werden über die Servoverstärker ACOPOS abgesichert und die Koordinaten aller Überwachungspunkte einschließlich Werkzeugaufnahmeflansch und Werkzeugarbeitspunkt können so berechnet werden. Dank einer Leistungsdichte von 4 Ampere pro Liter Raumbedarf und einer Abtastzeit von minimal 50 µs für den kompletten Regelbereich ist der Drei-Achs-Servoverstärker mit einem 69 Prozent kleineren Bauraum einer der effizientesten und präzisesten am Markt. Der gesamte ansteuerbare Raum wird im SafeROBOTICS System über rotierende Quader oder Ebenen in zwei Hauptkategorien eingeteilt: aktiver Arbeitsraum oder sicherer Sperrbereiche. Im Arbeitsraum können zusätzlich einzelne Bereiche mit festen Positionen für spezielle Funktionen vorgesehen werden. Erhöht wird die Sicherheitsanwendung durch die Berechnung des Bremsweges für jedes bewegliche Objekt in Abhängigkeit von aktueller Geschwindigkeit und Stellung des Roboters. Die ermöglicht eine exaktere Bestimmung der Arbeitsraumgrenzen innerhalb des Betriebsraums des Roboters. Anhand eines festen und eines der Bewegung des Flansches folgenden Richtungsvektors wird der Winkel innerhalb des Raums errechnet und so die Orientierung des Werkzeugaufnahmeflansches überwacht. Neu im System ist die Parametrierung zusätzlicher Überwachungspunkte zur Bestimmung der Geschwindigkeit, so dass auch passive Gelenke eines seriellen Roboters berücksichtigt werden können. Vor Inbetriebnahme helfen dem Anwender einzelne Diagnosebausteine mit deren Hilfe nicht nur die Funktionsparameter des Roboters sondern auch die Einstellungen der Überwachungsfunktion überprüft werden können. Neben den Positionskoordinaten, der Geschwindigkeit der bewegten Objekte und dem Orientierungswinkel kann so auch der Bremsweg bestimmt werden.

Bei Arbeitsprozessen, bei denen sich die zu bearbeitenden Objektgrößen oder deren Lage innerhalb eines Arbeitsganges nicht eindeutig vorgeben lassen, wie beispielsweise bei der Zufuhr individueller Teile in Nullserien oder der Palettierung verschieden großer Pakete, erhält das dreidimensionale maschinelle Sehen eine immer größere Bedeutung. Google hatte sich 2013 unter sieben Roboterherstellern auch das Startup Industrial Perception ausgewählt, da deren Robotersysteme mit infrarotbasierten Stereokameras in der Lage waren, Objekte unterschiedlichster Größe in unterschiedlichsten Positionen korrekt zu erkennen und ergreifen. Das Startup Toposens aus München hat nun ein System entwickelt, das durch seine kompakte Abmessung mit 5x5x1 Zentimeter Größe, niedrigen Energieverbrauch und hohe Präzision neue Anwendungsgebiete auch im Bereich Robotics ermöglicht. Die ausschlaggebende Innovation des Systems ist eine Auflösung von über 50.000 Punkten pro Sekunde (ca. 1.000-3.000 Punkte mit 60 Frames pro Sekunde) in Echtzeit, die unabhängig vom Scannen durch Luft, Metall oder Wasser bis zu einer Entfernung von 10 Metern erreicht wird. Die zugrunde liegende Technik der Abstandsmessung mittels Ultraschalls wurde durch einen speziell entwickelten Algorithmus und intelligente Hardwarekonfiguration verfeinert, so dass eine exakte Verarbeitung der empfange-nen Signale auf der Sensorplatine erfolgt. Dadurch ist es möglich, einzelnen Schallwellen spezifische Punkte im Raum zuzuordnen, welche Längen-, Breiten- und Tiefen- sowie Größeninformationen beinhalten. Bis Ende 2015 soll ein Software-Developer-Kit zur Verfügung gestellt werden mit dem Anwender auf Basis des smarten Sensorsystems nicht nur maschinelles Sehen sondern auch Gestensteuerungen entwickeln können. Über die Weiterleitung der vom Sensorsystem erfassten Daten an andere Systeme können Prozessinformationen mit hoher Messrate und -Dynamik gewonnen werden. Konkrete Anwendungen in der Robotik können neben der Erkennung von Objekten auch die Interaktion von Maschinen mit Menschen sowie das Überwachen von Gefahrenbereichen sein. Besonders gut eignet sich das System zur Verwendung in autonom fahrenden Logistiktransportsystemen oder dem Scannen von Logistik-Paketen auf Größe und groben Inhalt.

Speziell im Bereich Verpackungsanlagen bietet Baumüller den neuen dezentralen, mit integrierter Sicherheitstechnik ausgestatteten, Antrieb b maXX 2500, der mit den robusten Servomotoren DSD, DSC und DSP kombiniert bis 6,5 kW leistet. Der Antrieb kann flexibel über unterschiedlichste Feldbussarten wie etwa EtherCat, Powerlink, VARAN, PROFINET oder IRT in Antriebsnetzwerke von Maschinenherstellern integriert und per Handheld gesteuert werden. Verschiedenste Umgebungsbedingungen und Einbaulagen sollen aufgrund einer neuartigen Kühlung und geschütztem Bauraum (IP65) die Leistungsfähigkeit des Antriebs nicht beeinflussen. Bei der Umrichter-Generation b maXX 5000 können einzelne Module über das sogenannte Drive-Connect-System flexibel und ohne weiteren Aufwand integriert werden. Über zusätzliche, steckbare Sicherheitsmodule lassen sich Funktionalitäten skalieren oder Parameterspeicher lokal integrieren. Die Verwendung des digitalen Protokolls Endat 2.2 vermindert die Störanfälligkeit des Systems und liefert neben einer hohen Übertragungssicherheit (Hiperface DSL) gleichzeitig eine verkürzte Inbetriebnahme durch einfache Nullpunktverschiebung und Verrechnung des Messwerts. Weitere Daten wie Temperatur und Beschleunigung können mit dem Protokoll direkt mitgesendet werden. Wird das System mit einer Einkabellösung verdrahtet, ergeben sich neue Freiheitsgrade im Design von Maschinen. Bei der Konstruktion kann der Anwender diese über das Engineering Framework ProMaster zusammen mit Bewegungsprofilen visualisieren und über das integrierte Variantenmanagement flexibel konfigurieren.

Kinexion Systemaufbau: Aufbau des Systems zur Positionsbestimmung in Innen-und Außenräumen

Kinexion Systemaufbau: Aufbau des Systems zur Positionsbestimmung in Innen-und Außenräumen

Mit Kinexon adressiert eine weitere Firma aus München die Positionsbestimmung von Objekten in definierten Innen- oder Außenräumen, eine Schwesteraufgabe neben der Bewegungssteuerung. Das neuartige, funkbasierte System ermöglicht ähnlich einem GPS-System, jedoch mit einer bis auf 10 Zentimeter genauen Auflösung eine wesentlich detailliertere Positionsermittlung. Dabei wird das Signal des zu ortenden Objekts, das mit einem 16 Gramm leichten Funktag ausgestattet ist, mit den Signalen von zwei im Raum fix montierten, sogenannten Ankern in Relation gesetzt. Beachtenswert ist, dass die Anker lediglich einen Stromanschluss benötigen, so dass aufwändige Ethernet-Verkabelung entfällt.

Kinexion Hardware

Kinexion Hardware: Kompaktes System mit minimalem Verkabelungsaufwand zur Positionsbestimmung

In der mobilen Variante arbeiten die Anker sogar batteriebetrieben. Neben der Ortung kann zusätzlich die Orientierung, Rotation oder Beschleunigung des Objekts bestimmt werden. Gegen Störungen oder Einschränkungen durch andere Funksignalen oder bauliche Gegebenheiten ist das System laut Hersteller immun. Die mit Updateraten von bis zu 200 Hertz erfassten Daten werden in einem eigens entwickelten Smart Analytics-System ausgewertet und die Ergebnisse dem Anwendern über webbasierte Tools zur Verfügung gestellt.

Anwendungen im industriellen Bereich sind neben dem Tracking von automatischen Transportfahrzeugen und Gabelstaplern die Positionsbestimmung von Werkzeugen, Werkstücken oder Logistikcontainern. Bei der Prozessautomatisierung lässt sich das System beispielsweise zur Überwachung von Verschraubungsvorgängen einsetzen.

Bosch: Einsatz von vernetzten Werkzeugen bei der Flugzeugmontage zur Dokumentation der Qualitätssicherung

Bosch: Einsatz von vernetzten Werkzeugen bei der Flugzeugmontage zur Dokumentation der Qualitätssicherung

Letzteres ist ein Teilaspekt, den auch Hersteller Bosch als zukunftsweisend für seinen Bereich der Powertools identifiziert hat. In einem Testprojekt im Rahmen des IIC sollen nicht nur die Bedarfe und Einsatzorte von Powertools überwacht und ausgewertet, sondern auch die Maschinendaten erfasst werden. Durch einen Abgleich der Ist-Daten mit den Vorgaben wird die Einhaltung der Qualitätsstandards dokumentiert. Ein Einsatzbereich liegt bei der Konstruktion und Montage von Flugzeugen, da es genaue Vorschriften darüber gibt, welche Teile mit welchen Schrauben und welcher Kraft verbunden werden müssen. Verbindungen an den Tragflächen erfordern andere Kräfte als jene an einem Fenster. Die aufwändige Dokumentation von Schraubvorgängen wie beispielsweise bei großen Passagierflugzeugen, wo tausende Schrauben festzuziehen sind, kann so komprimiert und abgesichert werden.

Bei Wartungs- oder Reparaturfällen können einzelne Aufgaben jedoch oft nur von speziell geschultem Personal durchgeführt werden. Neben der Vorhersage von Wartungsintervallen (Predictive Maintenance ) durch Auswertung von Sensor- und Maschinendaten gilt es den kostenintensiven Prozess des eigentlichen Wartungsablaufs zu optimieren.

Dieser Aufgabe hat sich unter anderem die Firma iTiZZiMO gewidmet. Maschinenhersteller können ihre Systemlandschaft direkt mit iTiZZiMOs Plattform Simplifier vernetzen.

iTiZZiMO Remote Service

iTiZZiMO Remote Service

Personen vor Ort können sich die ausgewerteten Daten auf einem Tablet, Smartphone oder Wearables wie einer Datenbrille visualisieren lassen. Über den Augmented Reality Ansatz werden fallrelevante Zusatzinformationen als Text, Bild oder sogar animiertes 3D-Modell der Person vor Ort angezeigt. So lassen sich kritische Situationen erkennen und ein direkter Kontakt mit Kollegen herstellen, um per Ferndiagnose Details der Ursache zu finden oder sich Schritt für Schritt durch die Reparaturanleitung führen lassen. Damit kann die Wartung schneller und kostengünstiger als bisher vorgenommen werden. Die Dokumentation der Wartung erfolgt zeitgleich über ein Ticketsystem.

Fazit: Beim steigenden Einsatz von Motion Control Systemen ist mit einem überproportionalen Wachstum von Softwarelösungen und Netzwerkinfrastruktur zu rechnen, um aus den gewonnenen Daten sinnhafte Services zu schaffen.

Dieser Artikel wurde zuerst im Magazin ke-next (verlag moderne industrie – Mediengruppe des Süddeutschen Verlag) veröffentlicht.

Autor
AutorBritta Muzyk-Tikovsky