Was OEMs und Konstrukteure über Motoren, Antriebe und Steuerungen wissen müssen.

Egal, ob Konstrukteure eine bewegungszentrierte Maschine verbessern oder eine neue Maschine bauen, es ist wichtig, dass sie zunächst die Bewegungssteuerung im Blick haben. Dann können sie das Design auf die beste Art und Weise entwickeln, um eine effektive und effiziente Automatisierung zu erreichen.

Bewegungsbasierte Maschinen sollten um ihre Kernfunktionen herum konstruiert und gebaut werden. Bei einer Druckmaschine, die beispielsweise auf bestimmte Wickelanwendungen angewiesen ist, konzentrieren sich die Konstrukteure auf die kritischen Teile und entwickeln den Rest der Maschine zur Unterstützung der Kernfunktionen.

Das klingt nach einem 101-Grundkurs in Konstruktionstechnik, doch angesichts des Zeitdrucks und der traditionell in die Abteilungen Mechanik, Elektrik und Software aufgeteilten Teams kann die Konstruktion schnell zu einem weitgehend linearen Prozess werden. Die Entwicklung mit Blick auf die Bewegungssteuerung erfordert jedoch einen mechatronischen Ansatz, der die Entwicklung der ersten Konzepte, die Festlegung der Systemtopologie und des Maschinenansatzes sowie die Auswahl der Verbindungsschnittstelle und der Softwarearchitektur umfasst.

Hier sind einige wesentliche Aspekte von Motoren, Antrieben, Steuerungen und Software, die Ingenieure von Beginn jedes Maschinenkonstruktionsprojekts an berücksichtigen sollten, um Ineffizienzen, Fehler und Kosten zu reduzieren und es OEMs gleichzeitig zu ermöglichen, Kundenprobleme in kürzerer Zeit zu lösen.

【Der Designprozess】

Wie und wohin sich Teile bewegen, ist typischerweise der Schwerpunkt der Ingenieursarbeit, insbesondere bei der Entwicklung innovativer Maschinen. Obwohl innovative Konstruktionen mit Abstand am zeitaufwändigsten sind, bieten sie oft den höchsten ROI, insbesondere wenn die Teams die neuesten Erkenntnisse aus dem virtuellen Engineering und modularen Designs nutzen.

Der erste Schritt bei der Entwicklung einer Maschine von Grund auf besteht darin, sich zu fragen: Welche Funktionen sind für diese Maschine entscheidend? Es könnte beispielsweise darum gehen, eine Maschine zu bauen, die leicht zu reinigen, wartungsarm oder hochpräzise ist. Identifizieren Sie die Technologie, die die gewünschte Funktion, Leistung oder Wartungsfreundlichkeit bietet.

Je komplexer das zu lösende Problem, desto schwieriger ist es, die wichtigsten Funktionen zu bestimmen. Erwägen Sie die Zusammenarbeit mit einem Anbieter bewegungszentrierter Automatisierung, der Sie bei der Definition der kritischen Details und der Wahl des richtigen Ansatzes unterstützt.

Dann fragen Sie: Was sind die Standardfunktionen der Maschine? Um beim Beispiel der Druckmaschine zu bleiben: Die Spannungs- und Sensorsteuerung zum Abwickeln des zu bedruckenden Materials ist ziemlich standardisiert. Tatsächlich sind etwa 80 % der Aufgaben einer neuen Maschine Variationen der Aufgaben früherer Maschinen.

Durch den Einsatz modularer Hardware und Code-Programmierung zur Erfüllung der technischen Anforderungen für Standardfunktionen wird der für die Fertigstellung des Projekts erforderliche Entwicklungsaufwand erheblich reduziert. Darüber hinaus werden bewährte Funktionen verwendet, was die Zuverlässigkeit erhöht und Ihnen ermöglicht, sich auf komplexere Teile des Designs zu konzentrieren.

Durch die Zusammenarbeit mit einem Motion-Control-Partner, der Standardfunktionen mit modularer Hardware und Software bereitstellen kann, können Sie sich auf die Mehrwertfunktionen konzentrieren, die Ihr Produkt von denen der Konkurrenz abheben.

In einem typischen Konstruktionsprojekt erstellen Maschinenbauingenieure die Struktur der Maschine und ihre mechanischen Komponenten. Elektroingenieure fügen die Elektronik hinzu, einschließlich Antriebe, Kabel und Steuerungen. Anschließend schreiben Softwareingenieure den Code. Bei jedem Fehler oder Problem muss das Projektteam zurückgehen und es beheben. Im Konstruktionsprozess wird viel Zeit und Energie darauf verwendet, das Design aufgrund von Änderungen oder Fehlern neu zu gestalten. Glücklicherweise gehören die Konstruktion mechanischer Komponenten mit CAD-Software und isolierte Planung und Konstruktion nahezu der Vergangenheit an.

Heutzutage ermöglicht virtuelles Engineering Teams, die Funktionsweise von Maschinen auf mehreren parallelen Wegen zu entwerfen. Dadurch werden Entwicklungszyklen und Markteinführungszeit drastisch verkürzt. Durch die Erstellung eines digitalen Zwillings (einer virtuellen Darstellung der Maschine) kann jede Abteilung eigenständig arbeiten und gleichzeitig Teile und Steuerungen mit dem Rest des Teams entwickeln.

Mit einem digitalen Zwilling können Ingenieure verschiedene Maschinendesigns und Ihre Maschinentechnologien schnell testen. Beispielsweise erfordert ein Prozess, dass Material in eine Maschinenzufuhr eingebracht wird, bis die gewünschte Menge erreicht ist, und anschließend geschnitten wird. Das bedeutet, dass Sie eine Möglichkeit finden müssen, die Zufuhr anzuhalten, wenn das Material geschnitten werden muss. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Herausforderung zu meistern, und jede kann sich auf die Funktionsweise der gesamten Maschine auswirken. Das Ausprobieren verschiedener Lösungen oder das Verlagern von Komponenten, um zu sehen, wie sich dies auf den Betrieb auswirkt, ist mit einem digitalen Zwilling einfach und führt zu effizienterem (und weniger) Prototyping.

Durch virtuelles Engineering können alle Designteams erkennen, wie die gesamte Maschine und ihre sich überschneidenden Konzepte zusammenarbeiten, um ein oder mehrere bestimmte Ziele zu erreichen.

【Auswahl der Topologie】

Komplexe Designs mit mehreren Funktionen, mehr als einer Bewegungsachse und mehrdimensionalen Bewegungen sowie schnellerer Ausgabe und Durchsatz machen die Systemtopologie ebenso kompliziert. Die Wahl zwischen zentraler, steuerungsbasierter oder dezentraler, antriebsbasierter Automatisierung hängt von der zu entwickelnden Maschine ab. Die Funktion der Maschine – sowohl ihre Gesamt- als auch ihre lokalen Funktionen – beeinflusst die Entscheidung für eine zentrale oder dezentrale Topologie. Auch der Platzbedarf im Schaltschrank, die Maschinengröße, die Umgebungsbedingungen und sogar die Installationszeit beeinflussen diese Entscheidung.

Zentralisierte Automatisierung. Die koordinierte Bewegungssteuerung komplexer Maschinen lässt sich am besten mit einer Controller-basierten Automatisierung realisieren. Motion-Control-Befehle werden üblicherweise über einen standardisierten Echtzeitbus wie EtherCAT an spezifische Servo-Umrichter weitergeleitet, die dann alle Motoren antreiben.

Mit der steuerungsbasierten Automatisierung können mehrere Bewegungsachsen koordiniert werden, um eine komplexe Aufgabe zu erfüllen. Diese Topologie ist ideal, wenn die Bewegung im Mittelpunkt der Maschine steht und alle Teile synchronisiert werden müssen. Wenn es beispielsweise entscheidend ist, dass sich jede Bewegungsachse an einer bestimmten Position befindet, um einen Roboterarm richtig zu positionieren, entscheiden Sie sich wahrscheinlich für die steuerungsbasierte Automatisierung.

Dezentrale Automatisierung. Dank kompakterer Maschinen und Maschinenmodule reduziert oder eliminiert die dezentrale Bewegungssteuerung die Maschinensteuerung. Stattdessen übernehmen kleinere Umrichterantriebe die dezentrale Steuerung, ein E/A-System wertet die Steuersignale aus und ein Kommunikationsbus wie EtherCAT bildet ein durchgängiges Netzwerk.

Dezentrale Automatisierung ist ideal, wenn ein Teil der Maschine die Verantwortung für die Ausführung einer Aufgabe übernimmt und nicht ständig an die zentrale Steuerung zurückmelden muss. Stattdessen arbeitet jeder Teil der Maschine schnell und unabhängig und meldet sich erst zurück, wenn seine Aufgabe erledigt ist. Da in einer solchen Anordnung jedes Gerät seine eigene Last verarbeitet, kann die gesamte Maschine von einer stärker verteilten Verarbeitungsleistung profitieren.

Zentralisierte und dezentrale Steuerung. Obwohl die zentrale Automatisierung für Koordination sorgt und die dezentrale Automatisierung eine effizientere Verteilung der Rechenleistung ermöglicht, ist eine Kombination aus beidem manchmal die beste Wahl. Die endgültige Entscheidung hängt von übergeordneten Anforderungen ab, einschließlich Zielen in Bezug auf: Kosten/Nutzen, Durchsatz, Effizienz, Zuverlässigkeit im Laufe der Zeit und Sicherheitsspezifikationen.

Je komplexer das Projekt, desto wichtiger ist ein Partner für die Bewegungssteuerungstechnik, der Sie zu den verschiedenen Aspekten beraten kann. Wenn der Maschinenbauer die Vision und der Automatisierungspartner die Werkzeuge mitbringt, erhalten Sie die beste Lösung.

【Maschinenvernetzung】

Die Schaffung einer sauberen, zukunftssicheren Vernetzung ist ebenfalls ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Bewegungssteuerungen. Das Kommunikationsprotokoll ist ebenso wichtig wie der Standort von Motoren und Antrieben, denn es geht nicht nur um die Funktion der Komponenten, sondern auch darum, wie sie miteinander verbunden werden.

Ein gutes Design reduziert die Anzahl der Kabel und die zu verlegenden Entfernungen. Beispielsweise könnten 10 bis 15 Kabel zu einem Remote-Terminal durch ein Ethernet-Kabel mit einem industriellen Kommunikationsprotokoll wie EtherCAT ersetzt werden. Ethernet ist nicht die einzige Option. Egal, welches Protokoll Sie verwenden, achten Sie auf die richtigen Kommunikationstools oder Busse, um gängige Protokolle nutzen zu können. Die Wahl eines guten Kommunikationsbusses und ein Plan für die gesamte Anordnung erleichtern zukünftige Erweiterungen erheblich.

Achten Sie von Anfang an auf ein gutes Design im Schaltschrankinneren. Platzieren Sie Netzteile beispielsweise nicht in der Nähe von elektronischen Komponenten, die durch magnetische Störungen beeinträchtigt werden könnten. Komponenten mit hohen Strömen oder Frequenzen können elektrische Störungen in den Leitungen verursachen. Halten Sie daher Hochspannungskomponenten von Niederspannungskomponenten fern, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten. Prüfen Sie außerdem, ob Ihr Netzwerk sicherheitszertifiziert ist. Andernfalls benötigen Sie wahrscheinlich festverdrahtete redundante Sicherheitsverbindungen, damit ein Teil im Falle eines Ausfalls seinen eigenen Fehler erkennt und reagiert.

Mit der zunehmenden Verbreitung des industriellen Internets der Dinge (IIoT) sollten Sie erweiterte Funktionen hinzufügen, die Sie oder Ihre Kunden möglicherweise noch nicht nutzen können. Durch die Integration dieser Funktionen in die Maschine können spätere Upgrades der Maschine vereinfacht werden.

【Software】

Branchenschätzungen zufolge werden OEMs schon bald 50–60 % ihrer Maschinenentwicklungszeit auf Softwareanforderungen konzentrieren müssen. Die Entwicklung weg von der Mechanik hin zur Schnittstelle benachteiligt kleinere Maschinenbauer im Wettbewerb, kann aber auch zu fairen Wettbewerbsbedingungen für Unternehmen führen, die modulare Software und standardisierte, offene Protokolle einsetzen.

Die Organisation von Software kann die Leistungsfähigkeit einer Maschine heute und in Zukunft erweitern oder einschränken. Wie modulare Hardware verbessert auch modulare Software die Geschwindigkeit und Effizienz des Maschinenbaus.

Nehmen wir beispielsweise an, Sie entwerfen eine Maschine und möchten zwischen zwei Phasen einen zusätzlichen Schritt einfügen. Bei modularer Software können Sie einfach eine Komponente hinzufügen, ohne neu programmieren oder codieren zu müssen. Und wenn Sie sechs Abschnitte haben, die alle dasselbe tun, können Sie den Code einmal schreiben und ihn in allen sechs Abschnitten verwenden.

Modulare Software ermöglicht nicht nur eine effizientere Konstruktion, sondern bietet Ingenieuren auch die von Kunden gewünschte Flexibilität. Angenommen, der Kunde benötigt eine Maschine für Produkte unterschiedlicher Größe, und die größte Größe erfordert eine Änderung der Funktion eines Abschnitts. Mit modularer Software können Konstrukteure den Abschnitt einfach austauschen, ohne die übrigen Funktionen der Maschine zu beeinträchtigen. Dieser Wechsel lässt sich automatisieren, sodass OEMs oder sogar Kunden schnell zwischen Maschinenfunktionen wechseln können. Es ist keine Neuprogrammierung erforderlich, da das Modul bereits in der Maschine integriert ist.

Maschinenbauer können eine Standard-Basismaschine mit optionalen Funktionen anbieten, um die individuellen Anforderungen jedes Kunden zu erfüllen. Die Entwicklung eines Portfolios aus mechanischen, elektrischen und Softwaremodulen erleichtert die schnelle Zusammenstellung konfigurierbarer Maschinen.

Um die Effizienz modularer Software optimal zu nutzen, ist es jedoch unerlässlich, Industriestandards einzuhalten, insbesondere wenn Sie mehrere Lieferanten nutzen. Wenn Antriebs- und Sensorlieferant die Industriestandards nicht einhalten, können die Komponenten nicht miteinander kommunizieren, und die gesamte Effizienz der Modularität geht bei der Suche nach der richtigen Verbindung der Teile verloren.

Wenn Ihr Kunde außerdem plant, den Datenstrom mit einem Cloud-Netzwerk zu verbinden, ist es wichtig, dass die Software unter Verwendung branchenüblicher Protokolle erstellt wird, damit die Maschine mit anderen Maschinen zusammenarbeiten und eine Schnittstelle zu Cloud-Diensten herstellen kann.

OPC UA und MQTT sind die gängigsten Standardsoftwarearchitekturen. OPC UA ermöglicht eine nahezu Echtzeitkommunikation zwischen Maschinen, Steuerungen, der Cloud und anderen IT-Geräten und kommt einer ganzheitlichen Kommunikationsinfrastruktur wohl am nächsten. MQTT ist ein schlankeres IIoT-Messaging-Protokoll, das die Kommunikation zwischen zwei Anwendungen ermöglicht. Es wird häufig in einem einzelnen Produkt eingesetzt, beispielsweise um einem Sensor oder einem Antrieb zu ermöglichen, Informationen aus einem Produkt abzurufen und in die Cloud zu senden.

【Cloud-Konnektivität】

Vernetzte Maschinen mit geschlossenem Regelkreis sind zwar noch immer die Mehrheit, doch Fabriken, die vollständig mit der Cloud vernetzt sind, erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Dieser Trend könnte die vorausschauende Wartung und datengesteuerte Produktion vorantreiben und stellt die nächste große Veränderung in der Fabriksoftware dar; er beginnt mit der Fernkonnektivität.

Cloud-vernetzte Anlagen analysieren Daten aus verschiedenen Prozessen, Produktionslinien und mehr, um umfassendere Darstellungen des Produktionsprozesses zu erstellen. So können sie die Gesamtanlageneffektivität (OEE) verschiedener Produktionsanlagen vergleichen. Moderne OEMs arbeiten mit vertrauenswürdigen Automatisierungspartnern zusammen, um cloudfähige Maschinen mit modularen Industrie-4.0-Funktionen anzubieten, die die benötigten Daten an Endnutzer übermitteln können.

Maschinenbauer können durch den Einsatz von Motion-Control-Automatisierung und einem ganzheitlichen Gesamtprozessansatz zur Steigerung der Effizienz der Anlagen oder Unternehmen ihrer Kunden mit Sicherheit mehr Aufträge gewinnen.