Die jüngste Umfrage des VDMA unter 300 Entwicklungs- und Konstruktionsleitern aus dem deutschen Maschinen- und Anlagenbau spricht eine klare Sprache: 83 % der Befragten gehen davon aus, dass die Antriebs- und Steuerungstechnik zunehmend komplexer wird und dass im Maschinenbau eine flexible ­Variantenfertigung mit modularisierten Komponenten an Bedeutung gewinnt. Gleichzeitig sinkt für knapp 77 % der Maschinenbauer die Zeit von der Idee bis zur Markteinführung. Folge: Die Maschinenbauer stehen unter immer größerem Druck. Dem effizienten Engineering in der Maschinenentwicklung kommt eine wettbewerbsentscheidende Rolle zu.

Ein entscheidender Ansatzpunkt zur Verbesserung der Engineering-Produktivität ist die Beseitigung der noch in weiten Teilen existierenden Brüche beziehungsweise Lücken in der Kette der Entwicklungswerkzeuge: Viele Automatisierungshersteller konzentrieren ihre Bemühungen zur Effizienzsteigerung auf Werkzeuge für die Erstellung der Antriebs- und Steuerungs- beziehungsweise Visualisierungsanwendung und damit auf die Implementierungsphasen der Maschine. Damit bleiben aber die Phasen der Konzeptausarbeitung und des Betriebs (Wartung) außen vor. Den gesamten Engineering-Prozess deckt eine Tool-Kette erst ab, wenn sie den kompletten Lebenszyklus einer Maschine von der Idee über die Umsetzung bis zur Inbetriebnahme und den laufenden Betrieb umfasst. Der Lebenszyklus lässt sich dabei in fünf Phasen unterteilen: in die Ideenfindung, die Innovation (Konzepterstellung), die Entwicklung (Ausarbeiten der Lösung), die Produktion (Bau der Maschine) und die Operation (Inbetriebnahme und Betrieb der Maschine beim Endkunden).

Die fünf Phasen der ­Maschinenentwicklung

Die Engineering-Unterstützung in allen fünf Projektphasen.

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■ Die Phase 1 umfasst die Formulierung der Idee und die Erstellung eines Grobkonzepts.
■ In Phase 2 werden Maschinenmodule und deren Funktion definiert sowie die grundlegende Automatisierungsarchitektur festgelegt (zentral beziehungsweise dezentral).
■ In Phase 3 wird die Lösung ausgearbeitet. Diese schließt die Auslegung des Antriebsstrangs und die Auswahl der Antriebs- und Steuerungskomponenten mit ein. Auch die Software-Module werden vorbereitet.
■ In Phase 4 wird die Maschine gebaut und (parallel beziehungsweise zeitversetzt hierzu) die Maschinen-Software fertiggestellt.
■ In Phase 5 wird die fertige Maschine in Betrieb genommen und die Maschinenverfügbarkeit gesichert (Wartung).

Eine Tool-Kette sollte daher mit Ausnahme von Phase 1, für die Papier und Bleistift vollkommen ausreichen, den kompletten Lebenszyklus abdecken. Allerdings ist es nicht zielführend für den kompletten Prozess, nur ein einziges Tool vorzusehen, wie es manche Automatisierungslieferanten versuchen. So ist es kontraproduktiv, wenn beispielsweise ein Wartungswerkzeug Funktionen für die Programmierung der Automatisierungskomponenten bietet. Dies macht das Werkzeug nicht nur unnötig komplex, sondern für das Wartungspersonal auch schwer handhab- und erlernbar. Zudem besteht die Gefahr, dass in früheren Phasen optimierte und bewusst vorgenommene Einstellungen verändert werden. Wesentlich effektiver und sicherer ist es daher, wenn für die verschiedenen Projektierungsphasen maßgeschneiderte Werkzeuge zur Verfügung stehen, die auf die Aufgabenstellung und Arbeitsweise des jeweiligen Projektbeteiligten (Konstrukteur, Steuerungsprogrammierer, Visualisierungsprogrammierer, Servicetechniker) zugeschnitten sind.

Mehrere Tools – gleiches Look&Feel

Komponentenbasierte Architekturen für ein aufgabenorientiertes Engineering.

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Ist der Engineering-Prozess auf mehrere Tools aufgeteilt, ist es wichtig, auch eine durchgängige Datenhaltung sicherzustellen. Nur dann lassen sich die Übergänge von einem Tool zum nächsten nahtlos gestalten. Dann entfällt zum einen die Mehrfacheingabe von Daten und zum anderen vereinfacht sich die Zusammenarbeit zwischen den Mechanik-, den Elektronik- und den Software-Entwicklern. Gerade hier ist der Informationsaustausch besonders wichtig, da diese Domänen in der Regel nicht nur organisatorisch getrennt sind, sondern auch eine individuelle Sichtweise auf das Projekt haben. Diese Durchgängigkeit ist gegenwärtig bei vielen Tool-Ketten nicht gegeben; das stellt für den Maschinenbauer ein deutliches Hindernis dar.

Lenze hat sich diesem Problem gewidmet und bereits erste Engineering-Tools auf eine neue Architektur umgestellt. Welche Vorteile die damit erreichte Durchgängigkeit bietet, lässt sich am Beispiel der Lenze-Engineering-Umgebungen PLC Designer (für zentrale Architekturen), Engineer (dezentrale Architekturen) und dem Wartungswerkzeug EASY Starter eindrucksvoll zeigen: Alle drei Tools verwenden eine komponentenbasierte Architektur, die auf der .NET-Technologie von Microsoft aufbaut. D.h., die Engineering Tools sind aus einzelnen (bereits erprobten und bewährten) Komponenten zusammengesetzt, wie beispielsweise mit Lenze-Diagnose-Assistent, Parameterliste oder Oszilloskop. Dies verringert den Aufwand für Entwicklung, Test und Wartung aller Tools drastisch.

Der Anwender kommt dadurch in den Genuss maßgeschneiderter Tools, die stabil und zuverlässig arbeiten, ein einheitliches Look&Feel bieten und vom Hersteller leichter auf dem neuesten technischen Stand gehalten werden können.

Wie gleiche Software-Komponente in verschiedenen Tools eingesetzt werden kann, sei am Beispiel des neuen „Bewegungs-Designers“ erläutert. Es handelt sich um ein universell einsetzbares und skalierbares Software-Modul für das Erstellen der Bewegungsausgabe der Maschine, das auf die mechatronische Problemstellung der jeweiligen Anwendung zugeschnitten ist. Dieses Modul kann bei einer komponentenbasierten Architektur in die verschiedenen Tools integriert werden, welche für die jeweilige Engineering-Aufgabe beziehungsweise -Phase optimiert sind. Da diese Module in allen Tools mit der gleichen Datenbasis arbeiten, gehen Informationen während des Engineering-Prozesses nicht verloren beziehungsweise stehen im nächsten Engineering-Schritt zur weiteren Ausarbeitung zur Verfügung. Gerade bei der Planung und Programmierung komplexer Maschinenanwendungen lässt sich damit eine deutliche Effizienzsteigerung erreichen. Der kritische Informationsaustausch zwischen den Domänen Mechanik, Elektronik und Software wird gleichzeitig deutlich verbessert.

Der Anwender bestimmt den Workflow

Zwölf typische Maschinenaufgaben in Form parametrierbarer Module.

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Damit die Vorteile einer durchgängigen Kette aus maßgeschneiderten Werkzeugen voll zur Geltung kommen, muss sich der durch die Werkzeuge vorge­gebene Workflow am Entwicklungs­prozess des Anwenders orientieren. So sollten die Tools den Konstrukteur einer Maschine oder Anlage schon bei der Konzepterstellung (Innovationsphase) und Ausarbeiten der Lösung (Entwicklungsphase) optimal unterstützen. Da in der Praxis meist die Mechanik und die Abläufe der Bewegungen oder wichtige Übergabepunkte an den Schnittstellen von Maschinenmodulen im Vordergrund stehen, hat Lenze die Beschreibung der mechatronischen Aufgabenstellung ins Zentrum des Engineering-Prozesses gestellt.

Hierzu wurden hunderte mit Technik des Unternehmens ausgestattete Maschinen analysiert und daraus zwölf ­typische Maschinenaufgaben herausgefiltert. Dieses Antriebs-Know-how stellt die Antriebsauslegungs-Software Drive Solution Designer dem Konstrukteur in Form parametrierbarer Module zur Verfügung. Anhand dieser Module kann der Anwender deren Bewegung beschreiben und anschließend den kompletten Antriebsstrang auslegen, sprich die richtigen Antriebskomponenten und deren Baugröße/Leistungsklasse identifizieren. Dabei ist möglich, unterstützt durch den Drive Solution Designer, zahlreiche Parameter zu ermitteln und deren Einhaltung zu prüfen. Dazu gehören beispielsweise die Leistung, die Kombinierbarkeit der einzelnen Produkte, die thermische und maximale Auslastung, die Lebensdauer und der Energiebedarf der Antriebskomponenten. Da hier der komplette Antriebsstrang (auch bei Mehrachssystemen) modelliert wird, kann auch dessen gesamte Energie-Effizienz betrachtet und ein Energiepass erzeugt werden! Ist die Auslegung abgeschlossen, liegen die erforderlichen konkreten Antriebskomponenten vor und es kann mit der eigentlichen Projektierung fortgefahren werden, also der Ausarbeitung der SPS-, Motion- und/oder CNC-Programme sowie der Visualisierung. Auch hier lässt sich mit Hilfe vorbereiteter mechatronischer Module, beispielsweise in Form vorgefertigter Maschinenlösungen, die Produktivität der Programmierung steigern.

Mechatronisch heißt hier wirklich, dass die Module Mechanik, Elektronik und Software für eine Antriebs- und Automatisierungslösung bündeln und somit ein ganzheitliches mechatronisches Engineering ermöglichen.

Freie Wahl der Architektur

Die Parametrierung und das Be­we­gungsdesign einer Maschinen­aufgabe.

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Lenze bietet einerseits Lösungen für ­dezentrale beziehungsweise Drive-based-Architekturen (Engineer) an; ande­rerseits aber auch für zentrale beziehungsweise Controller-based-Architekturen (PLC Designer). Für die Beschreibung der Bewegung stehen in beiden Projektierungswerkzeugen aber die gleichen werkzeuggestützten Methoden zur Verfügung: Je nach Maschinenaufgabe ist dies die direkte Parame­trierung der abzufahrenden Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen oder die Erstellung von Positionierablaufketten, Kurvenscheiben, CNC/­Robotik-Code und PLCopen-Motion-Funktionen.

Auch bei der Erstellung der Visualisierungsanwendung kann der Anwender je nach der Aufgabenstellung auf Software-Pakete mit maßgeschneiderter Funktionalität zurückgreifen, die aber auf der gleichen Software-Basis aufbauen: für einfachere HMI-Anwendungen VisiWinNET Smart und für komplexe Visualisierungen VisiWinNET Professional.

Als Fazit bleibt: Eine komponentenbasierte Architektur versetzt Automa-tisierungsanbieter in die Lage, deutlich einfacher maßgeschneiderte Engineering-Tools zu entwickeln und zu pflegen, mit denen eine durchgängige Tool-Kette aufgebaut werden kann, die den gesamten Lebenszyklus einer Maschine abdeckt. Das einheitliche Bindeglied zwischen den Engineering-Phasen ist das mechatronische Maschinenmodul. Damit wird die Bündelung der Mechanik-, Elektrik- und Software-Informa-tionen für die Anwendung und ihrer Antriebs- bzw. Automatisierungslösung erreicht. Für den Maschinenbauer bietet eine solche Tool-Kette deutliche Vorteile: Das Engineering kann wesentlich effizienter durchgeführt und Optimierungspotenziale einfacher genutzt werden.

Autor: Olaf Götz ist Produktmanager bei Lenze