Die Idee der digitalen Fabrik – also die Anwendung digitaler 3D-Modelle und Methoden zur Visualisierung, Simulation und Kommissionierung industrieller Produktionsanlagen und -prozesse – ist keine Zukunftsmusik mehr. Im Automobilbau werden heute Fertigungszellen detailliert in ihrem geometrischen Aufbau mit Hilfe computer-gestützter Engineering-Werkzeuge geplant und simuliert. Die hohen Softwarekosten dieser Tools treten im Vergleich zu den Einsparungen durch kürzere Planungszyklen, bessere Planungsqualität und höhere Änderungsfreundlichkeit in den Hintergrund. Und dennoch: Solange diese Werkzeuge einerseits nicht den ganzen Engineering-Workflow bis zur Erstellung des Ablaufprogramms in der SPS oder des Roboters durchgängig abdecken und andererseits überwiegend sequenziell (Toolkette) arbeiten, bleiben wichtige Einsparpotenziale ungenutzt.

Der AutomationML-Ansatz: Er umfasst alle Phasen der Fabrikplanung.

Die Fertigungsplanung im Automobilbau hat sich im Laufe der Zeit in eine Reihe einzelner, spezialisierter Phasen untergliedert, in denen moderne aber separate Design-Software-Werkzeuge Einsatz finden. Dabei unterliegen die Daten beim Engineering einer kontinuierlichen Anreicherung und Veränderung, so dass diese unterschiedlichen Werkzeuge häufig mehrfach genutzt werden. Knackpunkt ist allerdings: Der durchgängige Datenaustausch zwischen den Werkzeugen ist heute nicht ausreichend unterstützt; eine durchgängige computer-gestützte Planung von Fertigungszellen oder -linien, in der sowohl der gesamte geometrische Aufbau als auch die Ablauflogik detailliert geplant, simuliert, geprüft und in Betrieb genommen werden könnten, ist technisch noch nicht gelöst. Durchgängigkeit funktioniert nur gezielt innerhalb der Systemlandschaft eines Herstellers und kann oft nur für Teile der Prozesskette realisiert werden. Es existieren derzeit noch keine offenen, standardisierten und akzeptierten Austausch- oder Zwischenformate, die die gesamte Prozesskette schließen könnten.

Ein Muss: Durchgängiges Engineering

Hier setzt das Projekt „AutomationML“ an: Ein herstellerneutrales Datenformat für den durchgehenden Austausch von Engineering-Daten für alle Phasen der Fabrikplanung zu entwickeln – mit dieser Vorgabe haben vor zwei Jahren neun Unternehmen (Automobilhersteller, Steuerungshersteller, Roboterhersteller, Universitäten) ein gemeinsames Projekt gestartet. Ziel ist es, eine gemeinsame XML-basierende Datensprache für 3DGeometriebeschreibungen, Kinematik und Ablauflogik zu erschaffen. AutomationML ist inzwischen als kostenfreier, offener Standard in der Spezifikation V1.0 veröffentlicht und beschreibt einen einheitlichen, bidirektionalen Datenaustausch zwischen Engineering-Tools von der Planung bis zur Inbetriebnahme und dem fortlaufenden Betrieb fertigungstechnischer Anlagen. Die Motivation für die Umsetzung von AutomationML ist, neue Anlagenkonzepte effizienter planen zu können, ohne jedes Mal erheblichen Aufwand in die Austauschbarkeit von Daten investieren zu müssen; bei konsequenter Umsetzung soll so die Entwicklungsarbeit für alle Nutzer dauerhaft wesentlich vereinfacht werden.

Bringt Zeiteinsparung besonders bei Design-Änderungen: Die effiziente Kooperation zwischen den verschiedenen Bereichen.

Für den Erfolg von AutomationML ist eine hohe Akzeptanz ausschlaggebend, daher setzt das Konzept auf Standardisierung und die Integration bereits etablierter XML-Beschreibungsformate: CAEX als flexibles Dachformat, Collada für Geometriebeschreibungen, PLCopen XML für logische Ablaufbeschreibungen. CAEX ist als IEC 62424 und DIN EN 62424 (VDE 0810-24) in Kürze verfügbar. Collada ist ein offener Konsortialstandard der Khronos Group für interaktive 3D-Daten, PLCopen XML ein offener Konsortialstandard zur Nutzung der IEC 61131-3. Der Arbeitskreis DKE/AK 941.0.2 „AutomationML“ hat die Aufgabe, ein solches Datenaustauschformat für den Engineering-Workflow zu definieren und der Normung zuzuführen (DKE Deutsche Kommission im DIN/VDE).

Ein viel versprechendes Ziel, das aber ein gewisses Risiko birgt: Nur wenn diese Umsetzung konsequent erfolgt, wird sich der gewünschte Erfolg einstellen – hier liegt somit auch der springende Punkt dieses Ansatzes.

Der heutige Status

Wie sieht die Praxis heute aus? Eine wichtige Phase im Engineering einer Produktionsanlage ist das „Virtual Commissioning“; hier wird das reale Automatisierungssystem (SPS) via OPC mit der virtuellen mechanischen Simulationsumgebung logisch verbunden. Damit erhält der Anlagenbauer die Möglichkeit, Bewegungen und Funktionsabläufe auszutesten und zu validieren, bevor überhaupt die Produktionsanlage physikalisch gebaut wird. Ein wichtiger Schritt, der heute weitgehend praktisch umgesetzt wird und bereits messbar Kosten spart. Aber das beeinflusst noch nicht die Art und Weise, wie Steuerungen programmiert werden – man muss ja schließlich warten, bis die Simulationsumgebung definiert und das Steuerungsprogramm fertig gestellt ist. Erst dann kann man die beiden Komponenten zusammenschalten, um das Ergebnis zu überprüfen. Mit anderen Worten: Die Entwurfsprozesse für Simulation und Logik laufen unsynchronisiert nebeneinander her, zwar zeitlich parallel, aber ohne Möglichkeiten gegenseitiger Korrekturen schon während der Entwurfsphase.

Effizienter wäre doch, wenn mit dem Testen nicht gewartet werden müsste, bis Programm und Simulation fertig sind, sondern wenn sich schon früher mit dem Abgleich beginnen ließe? Ein reizvolles Szenario, das weitere Einsparung von Zeit und Aufwand verspricht.

Ein solches Modell haben die Firmen Dassault Systemes und Rockwell Automation kürzlich im Rahmen einer Partnerschaft vorgestellt: Daten und Objekte lassen sich hier zu einem beliebigen Zeitpunkt zwischen den Designtools für Mechanik (Delmia Automation V5) und Logik (RSLogix5000 V17) in beiden Richtungen austauschen. Ermöglicht wird dies durch einheitliche XML-Export/Import-Objekt-Interfaces in beiden Tools – mit gleichen Objektstrukturen und gemeinsamen Namensdomänen. Nun lässt sich die virtuelle Kommissionierung effektiv beschleunigen, denn das Warten bis zur Fertigstellung aller Teile entfällt: Es lässt sich all das schon einmal abgleichen und testen, was zu einem beliebigen Zeitpunkt bereits fertig ist. Alle ausgewählten Smart Devices aus der Delmia-Objektbibliothek lassen sich mit den entsprechenden Logix-Add-On-Instruktionen abgleichen: Die Objekte werden aus der Delmia-Umgebung (Mechanik) an die Logix-Umgebung (Ablaufsteuerung) übermittelt und bezüglich Objekt-Attributen und -Instanzen mit den dort vorhandenen Bibliotheksobjekten (AOI) verglichen. Gleiches erfolgt in umgekehrter Richtung. Alle Abweichungen bei den Objekt-Attributen, etwa bei den Übergabeparametern von Bausteinen, werden sofort im jeweils anderen Tool erkannt und gemeldet. Wurde beispielsweise in der Mechanik bei einem Objekt „Steuerpult“ ein Not-Aus-Taster hinzugefügt, so erkennt der Steuerungsprogrammierer diese Änderung sofort und kann sie unmittelbar in seinem Programm berücksichtigen. Die nachfolgende Simulation kann nun auf bereits synchronisierten Objektbibliotheken aufsetzen – mit deutlich verringertem Nacharbeitungsaufwand.

Die Änderung von Projekten

Während die potenziellen zeitlichen Einsparungen der 3D-Simulation beim ersten Entwurf eines digitalisierten Anlagenmodells noch nicht in Erscheinung treten, werden die wesentlichen Vorteile in der Wiederverwendung oder Überarbeitung bereits digitalisierter Modelle offensichtlich. Hier bringt die unmittelbare Synchronisierung der Mechanik/Logik-Objekte bezüglich der durchgeführten Änderungen ganz erhebliche Zeitvorteile. Änderungen sind so viel schneller umsetzbar. Eine frühere und schnellere Abstimmung bei der Kommissionierung kann damit den Produktionsstart der Anlage maßgeblich verkürzen, einen zu engen Terminplan durch Zeitgewinn relativieren oder Lieferverzug bei kritischen Zulieferteilen kompensieren.

Bidirektionaler Objektaustausch

Der gemeinsame Ansatz von Dessault Systemes und Rockwell Automation: Mechanik und Steuerungstechnik im Verbund.

Die Datenübergabe vom Mechanik-Designtool zum Steuerungsprogrammiertool für die virtuelle Kommissionierung ist nicht neu. Entsprechende Lösungen zur Übergabe von Objekten und auch von generiertem Programmcode existieren für unterschiedliche Steuerungsfamilien. Allerdings haben diese Lösungen derzeit meist noch die Einschränkung der Unidirektionalität oder mit anderen Worten: Die Übergabe funktioniert in der Regel nur als Einbahnstraße vom Engineering-Tool hin zur Steuerung. Der Weg zurück von der Steuerung zum Engineering-Tool ist nur mit Einschränkungen, erhöhtem Aufwand und nicht ohne Datenverlust möglich, weshalb diese Übergabe in der Regel meist einmalig am Ende des Designprozesses durchgeführt wird. Neu an dem vorgestellten Ansatz mit dem Logix-System von Rockwell Automation ist die bidirektionale Austauschfähigkeit von Objekten, Bibliotheken und ganzen Projekten über eine offene Objektschnittstelle, die es Engineering-Tools ermöglicht, beliebig oft und in beiden Richtungen Objektdaten auszutauschen. Diese bidirektionale Austauschfähigkeit von Objekten per XML wird beim Virtual Commissioning mit Delmia Automation heute benutzt.

Verbesserte Änderungs-Nachführung

Die Vision für die Nutzung des offenen XML-Objekt-Interfaces in RSLogix geht noch einen Schritt weiter: Design-Tools, die ausführbaren Code für die Steuerung erzeugen, werden anhand dieses Objekt-Interfaces kooperativer mit dem Programmiertool für die Steuerung zusammenarbeiten können. Änderungen, die etwa während der Inbetriebnahme mit dem Werkzeug erzeugt wurden, lassen sich durch Aktualisieren ihrer Bausteinbibliothek jederzeit leicht wieder übernehmen, um den aktuellen Stand der Anlage im Projekt zu speichern. Dieser Ansatz wird den Aufwand der Änderungs-Nachführung bei generierten Steuerungsprogrammen reduzieren. Entsprechende Ansätze sind bereits in der Erprobung.

Selbst wenn das Thema Digital Manufacturing eine enorme Spannbreite hat und von verschiedenen Experten sehr unterschiedlich beurteilt wird, stellt das hier vorgestellte Beispiel der virtuellen Kommissionierung mit synchronisierten Simulations- und Logikobjekten einen wichtigen praktischen Anwendungsfall am Ende der Toolkette dar, der sich mit nachvollziehbaren Einsparungen kommerziell gut begründen lässt.

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Reinhard Simon berät bei Rockwell Automation Anwender der Automobil- und Zulieferer-Industrie.

Das Automotive-Geschäft

In punkto Digital Manufacturing kommt der Automobilindustrie eine Vorreiter-Rolle zu. Mit welcher Strategie sich Rockwell Automation auf diese Klientel einstellt, erläutert Reinhard Simon im Gespräch mit Computer&AUTOMATION.

Herr Simon, wie wichtig ist Digital Manufacturing heute für das Geschäft von Rockwell Automation?
Simon: Für das heutige Geschäft spielen diese Entwicklungen noch keine messbare Rolle. Wir sehen jedoch, dass einige Anlagenbauer in der Automobilindustrie bereits intensiv mit diesen Methoden arbeiten. Indem wir heute unsere Software-Tools effektiv mit den führenden Design-Tools vernetzen, versprechen wir uns für die nahe Zukunft Vorteile hinsichtlich einer besseren Integrationsfähigkeit.

Sie fahren diesbezüglich ja zweigleisig: Einerseits haben Sie kürzlich eine Kooperation mit Dessault Systemes bezüglich Delmia bekannt gegeben, andererseits unterstützt Rockwell Automation auch das Projekt AutomationML.
Simon: Beide Initiativen folgen dem gleichen Ansatz, der für uns bedeutet, die Engineering-Werkzeuge effizient mit dem Programmierwerkzeug für unsere Steuerungen zu verknüpfen, um wichtige Phasen des Anlagendesigns – 3D-Simulation, Virtual Commissioning, Code-Generierung – von Konvertierungsproblemen zu befreien. Während AutomationML einen generellen zukünftigen Lösungsansatz für alle Engineering-Werkzeuge auf der gesamten Toolkette des Anlagendesigns beschreibt, ist die Kopplung zwischen Delmia Automation und unserer Steuerungswelt RSLogix enger und konkreter gefasst: Konkret sprechen wir hier von der Verkettung zweier wichtiger Tools, die heute bereits einsetzbar sind.

Rockwell Automation und die Automobilindustrie – wie gehen Sie mit den besonderen Anforderungen dieses Geschäftsfeldes um?
Simon: Wichtige Branchen wie die „Automotive“ unterstützen wir über die vertikalen Industrie-Initiativen. Das heißt, neben dem für bestimmte Autohersteller zuständigen Account Management haben wir Industrie-Experten für die im Automobilbau typischen Fertigungsbereiche (Rohbau, Montage, Lack, Powertrain etc.) im Boot. Neben der Konzentration auf Automobilhersteller gilt ein großes Interesse dieser Organisationseinheit den Zulieferfirmen, sprich den Maschinenbauern oder Teilelieferanten. Zu dieser vertikalen Spartenbetreuung, die vorwiegend die zentralen Planungsstäbe der Hersteller berät, ist noch der regionale Vertrieb mit dem direkten Geschäft mit einzelnen Werken befasst.

Wenn die Automobilindustrie, wie derzeit ja Trend, ihre Investitionen nach Osteuropa verlagert, wie will Rockwell Automation diesem Trend begegnen?
Simon: Selbst wenn neue Automobilwerke vorwiegend im Osten entstehen, bleiben deren Zentralen mit ihren Planungsstäben aus heutiger Sicht am bisherigen Standort. Insofern bleibt unser Automotive-Team natürlich fokussiert auf die etablierten Zentralen der Autohersteller – hier werden schließlich die wesentlichen Entscheidungen für weltweite Projekte getroffen! Allerdings wurden bereits wichtige Weichen in der Organisation gestellt. – Unser Unternehmen hat das vertikale Automotive-Team neu aufgestellt und ihm einen stärkeren internationalen Fokus verliehen, nicht nur in Bezug auf Osteuropa.