Moderne Software unterstützt in durchgängig digital arbeitenden Unternehmen die gesamte Wertschöpfungskette – virtuelle und reale Produktionswelt verschmelzen. Ursprünglich sequenzielle Prozesse werden parallel bearbeitet, wodurch Produkte früher die Fertigungsreife erreichen. Durch die Simulation kompletter Fertigungsabläufe etwa lassen sich Hallenplan, Maschinenaufbau und Automatisierung optimieren, noch bevor diese Komponenten real gebaut werden und Kapital binden. Mit zusätzlichen Funktionen und Schnittstellen treibt ‚TIA Portal‘, das Siemens Engineering-Framework für das Produktions-Engineering, in der neuen Version 14 die Digitalisierung weiter voran. Es unterstützt den digitalen Workflow, indem es sich über offene Schnittstellen in den Produkt- und Produktionslebenszyklus integriert.

Von der ersten Idee für ein neues Produkt bis zu seiner Fertigung entstehen unterschiedlichste Informationen – sehr viele Abstimmungen sind nötig.

Digitaler Workflow

Mit ‚Teamcenter‘ bietet Siemens eine PLM-Software (Product Lifecycle Management) an, die den gesamten Produktlebenszyklus digital abbildet. Es verwaltet Produkt-Entwürfe, Dokumente, Stücklisten und Daten. So unterstützt die Software standardisierte Arbeitsabläufe und Änderungsprozesse, um die Effizienz unternehmensweit zu optimieren. Ziel ist es, Informationen frühzeitig projektweit zur Verfügung zu stellen, um ein paralleles Arbeiten zu ermöglichen und so die Time-to-Market zu verkürzen. Durch den projektweit konsistenten Datenbestand können nachträgliche Änderungen am Produkt- oder Produktions­design schneller durchgeführt werden. ‚TIA Portal‘ in der Version 14 verfügt über Schnittstellen zu ‚Teamcenter‘. Damit bleibt die Produktionsautomatisierung während des gesamten Lebenszyklus Bestandteil des konsistenten Datenbestands eines Produktes.

Mit ‚Simatic S7-PLCsim Advanced‘ und ‚Tecnomatix Process Simulate‘ wird die Simulation der Steuerung im Kontext der gesamten Anlage ermöglicht.

© Siemens

Ein weiterer Schritt zum digitalen ­Unternehmen sind virtuelle Inbetriebnahmen. Darunter versteht man die Simula­tion und Optimierung einer laufenden Maschine, noch bevor die Leistungsklasse der Steuerung ausgewählt ist und die reale Maschine existiert. Die neue Simulationssoftware ‚PLCSim ­Advanced‘ ist eine Option zu ‚Step 7‘ im TIA Portal. Sie erlaubt die Erstellung eines digitalen Zwillings der ‚Simatic S7-1500‘, mit dem das Verhalten der Ein-/Ausgänge simuliert werden kann. Dabei lässt sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit an eine virtuelle ­Zeitbasis an­passen und mit weiteren Prozess­simulationen synchronisieren. Auch Know-how-geschützte Bausteine lassen sich in die Simulation einbinden. Konfigurationen mit mehreren Steuerungen können virtuell betrieben und auch über ein real angeschlossenes Panel visualisiert werden. Zur Optimierung der Produktionsmaschinen, ihrer Bewegungsabläufe und des Hallenaufbaus noch während der Konstruktion und Planung können über öffentliche API-Schnittstellen Co-Simulationen wie ­‚Tecnomatix Process Simulate‘ angebunden werden, die den Fertigungsablauf dreidimensional abbilden. Eine frühzei­tige Evaluierung von Key Performance Indicators (KPI) ist ebenfalls möglich, wenn die virtuelle Anlage mit einem bestehenden MES-System interagiert.

Mit der virtuellen Inbetriebnahme sind ‚Pre Factory Acceptance Tests‘ möglich – also eine Funktionsprüfung, bevor Hardware-Kosten entstehen. Der Aufwand für Hardware-Änderungen reduziert sich dadurch erheblich. Zudem können Unternehmen Bediener und Instandhalter frühzeitig ausbilden, so dass in der Produktion von Anfang an ein hoher Qualitätsstandard sichergestellt ist.

Enginnering via Cloud

Auch in Sachen Cloud-Technologie gibt es in der Version 14 neue Möglichkeiten: Mit ‚Step 7‘, ‚WinCC‘ und ‚Step 7 Safety‘ ist es jetzt möglich, in einer privaten Cloud zu arbeiten. Unternehmen können damit ihre Engineering-Software zentral pflegen und verwalten. Die Mitarbeiter greifen über Remote Desktops auf die Cloud zu. Die Hardware-Anforderungen für diese Arbeitsplätze sind gering, weil die Engineering-Software nicht darauf installiert sein muss – selbst für den Online-Zugriff auf die Steuerung nicht. Zur Inbetriebnahme ermöglicht die Option ‚Cloud Connector TIA Portal‘ den Online-Zugriff einfach vom lokalen Arbeitsplatz aus.

Bei der modellbasierten Software-Entwicklung lassen sich Automatisierungsfunktionen, die in Simulationsumgebungen beziehungsweise auf Basis von Modellen erstellt wurden, über die neue Option ‚Target 1500S for Simulink‘ mittels ODK-Schnittstelle (Open Development Kit) in das Steuerungsprogramm übernehmen. Ein ablauffähiger Step-7-Code wird dabei automatisch erzeugt. Manuelle Eingaben für die Übersetzung sind nicht nötig, wodurch die damit verbundene Gefahr von Fehleingaben ausgeschlossen ist. Die häufig sehr komplexen Funktionen lassen sich auch in die Simulation und virtuelle Inbetriebnahme einbeziehen,  was  für Übersichtlichkeit sorgt. Über eine ODK-Schnittstelle verfügen ‚Simatic Software Controller‘, ‚Open Controller‘ und die neue ‚CPU 1518 ODK‘.

Integrated Engineering

‚Integrated Engineering‘ steht im TIA Portal für eine einheitliche Bedienoberfläche mit gemeinsamen Diensten für unterschiedliche Aufgaben. Diese Durchgängigkeit bezog sich bisher auf die Projektierung von Steuerungen, HMI- und Antriebssystemen, inklusive Safety und Security. Mit der Version 14 von TIA Portal wurden zusätzlich die ­‚Simatic S7 1500 T CPU‘ mit erweiterter Motion-Control-Funktionalität und Komponenten der Niederspannungs-Energieverteilung integriert.

Der Kurvenscheiben-Editor mit grafischer Ober­fläche bietet Hilfen zur Optimierung eines ruckfreien Bewegungsablaufs.

© Siemens

Ein Beispiel: Elektronische Getriebe und Kurvenscheiben erhöhen die Fle­xibilität und Dynamik einer Servo-­Antriebslösung. Die neue ‚Simatic S7 1500 T CPU‘ verfügt über Technologieobjekte, um entsprechende Servoantriebe anzusteuern und zu synchronisieren. Ein Kurvenscheiben-Editor, der in das TIA Portal integriert ist, vereinfacht die Projektierung des Bewegungszusammenhangs zwischen Leit- und Folgeachsen. Genutzt werden standardisierte PLCOpen-Anweisungen im Rahmen der gewohnten PLC-Projektierung.

Auch Geräte der Niederspannungs-Energieverteilung aus dem ‚Sentron‘-Portfolio, wie Kompaktleistungsschalter ‚3VA‘ und die Messgeräte ‚7KM PAC‘, sind in der neuen Version integriert. Die Geräte werden über Profinet parametriert und diagnostiziert und ermöglichen ein effizientes Energiemanagement.

Neuerungen gibt es auch bei der ‚Simatic Energy Suite‘, die bis dato der Konfiguration von messenden Komponenten für die ‚Simatic S7 1500‘ diente – mit Hilfe von Energieobjekt-Tabellen. Darin legt der Projekteur Messgrößen, -einheiten und Aktualisierungszyklen fest. Auf Knopfdruck wird der entsprechende Programmcode für den Controller generiert.

Visualisierungsbausteine, die mit dem entsprechenden Energieobjekt verknüpft werden können, stehen als Download zur Verfügung. In der aktuellen Version können Energiewerte nun direkt mit Produk­tionsdaten verknüpft werden. So lässt sich beispielsweise der Energieverbrauch pro Tag, Schicht, Linie oder Produktionseinheit ermitteln und damit die Grundlage für maschinennahe Energie-Effizienz-Maßnahmen schaffen. Daten, die die ‚Simatic Energy Suite‘ erfasst, können für ein standortübergreifendes Energiemanagement an ‚Simatic Energy Manager Pro‘ angebunden werden.

Visualisierungen automatisch generieren

Die Visualisierung gleicher oder ähnlicher Komponenten braucht mit Hilfe des neuen ‚Simatic Visualization Architect Sivarc‘, einer Option zu ‚Simatic WinCC‘, nur einmal projektiert zu werden. Entsprechende Komponenten sind zum Beispiel Fördereinrichtungen oder Fertigungszellen. Der Anwender projektiert einmal ein entsprechendes Template. Zusätzlich werden einmal die Regeln zu seiner Verwendung definiert. ‚Sivarc‘ generiert dann automatisch nach den festgelegten Regeln für jede im Projekt vorkommende Komponente des gleichen Typs die entsprechende Visualisierung und verknüpft dabei die HMI-Variablen mit den zu­gehörigen Steuerungsvariablen. Das Konzept unterstützt auch Know-how-geschützte Bausteine sowie Safety-Bausteine.

Ein weiterer wichtiger Punkt in einer digitalen Produktion ist eine detaillierte und auf die Maschine zugeschnittene Diagnose. Sie hilft die Verfügbarkeit einer Maschine zu erhöhen, da Störungen zielgerichtet gemeldet und schneller beseitigt werden können. Drahtbruch oder Kurzschluss etwa werden durch die Systemdiagnose des Automatisierungssystems automatisch erfasst und angezeigt – auch wenn sich die PLC im STOP-Mode befindet. Jedoch entstehen die meisten Störungen durch Fehler im mechanischen Prozess, zum Beispiel durch Blockaden. Die Erkennung und Anzeige dieser Störungen muss nicht mehr aufwendig programmiert werden. Neu ist die Option ‚Prodiag‘. Damit wählt der Anwender die Prozessgrößen aus, die er überwachen möchte. Er definiert in einer Maske kritische Werte dafür und gibt entsprechende Meldetexte ein, gegebenenfalls mit Hinweisen zur Fehlerbehebung.

Koordiniert im Team arbeiten

Zeitgleiches Arbeiten an einem Projekt im Team ermöglicht die Option ‚TIA Portal Multiuser‘. Das gemeinsam zu bearbeitende Projekt wird dazu auf ­einem Multi-User-Server abgelegt. Das kann ein gesonderter Server oder auch der Rechner eines Teammitglieds sein. Die Teammitglieder arbeiten in gesonderten Sessions, haben dabei alle den Überblick über das gesamte Projekt und bekommen angezeigt, wer welches Gerät, welches Objekt oder welche Funktion bearbeitet. System­gestützte Synchronisation reduziert den Koordinationsaufwand. Sollten zwei Teammitglieder auf dasselbe Teilprojekt zugreifen, wird der Konflikt ­sofort beiden signalisiert, um ­Fehler zu vermeiden.

Transparenz im laufenden Betrieb

Der ‚Prodiag-Code-Viewer‘: Der links im S7-Graph markierte Schritt wird rechts detailliert gezeigt.

© Siemens

Eine effiziente Diagnose, auch von Fehlern im mechanischen Prozess, ist für eine hohe Anlagenverfügbarkeit unerlässlich. Die Möglichkeit, Klartextmeldungen für diese erweiterte Diagnose mit ‚Prodiag‘ zu projektieren, wurde bereits angesprochen. Im laufenden Betrieb können Überwachungen ergänzt oder bestehende Überwachungen geändert werden. Sie werden ohne zusätzliches Laden direkt ins HMI-System übernommen.

Mit Hilfe der neuen PLC Code Viewer ist es nun möglich, eine Detaildiagnose der entsprechenden Stelle im Anwenderprogramm am Panel anzuzeigen. So können neben den einfachen Meldetexten die Sprachen Kontaktplan KOP, Funktionsplan FUP und S7-Graph am Panel visualisiert und mögliche Ursachen einer Störung schnell erkannt werden. Die TIA-Portal-Engineeringsoftware wird dafür auf dem Panel nicht benötigt.

‚Simatic Controller‘ verfügen über einen Webserver, mit dessen Hilfe zur Laufzeit Variablentabellen, Traces sowie der Diagnosepuffer angezeigt werden können. Weiter ist es möglich, Webseiten für den Zugriff auf Diagnose- oder Produktionsdaten zielgruppenspezifisch zu gestalten, so dass der Anwender genau die für ihn bestimmten Informationen und Zugriffsmöglichkeiten erhält.

Neu ist ‚WebUX‘ als Option zu ‚WinCC‘ für den mobilen Zugriff auf die Anlagenvisualisierung. Damit wird neben den gängigen WinCC-Controls  die Dynamisierung von Objekten per Script auf einem Webserver unterstützt.

Zugriff auf Prozessdaten über OPC UA

Um den Zugriff auf Prozessdaten zu gewährleisten, verfügen die ‚S7-1500‘-Controller über einen optionalen OPC-UA-Server. Das OPC-UA-Protokoll erlaubt nicht nur den Austausch von Maschinendaten, sondern auch eine maschinenlesbare semantische Beschreibung. Durch diese semantische Interoperabilität wird das Protokoll zu einem Kern-Element von Industrie 4.0 und spielt eine wichtige Rolle im digitalen Unternehmen. Für den Zugriff eines OPC-UA-Clients auf Daten der PLC genügt es, in den CPU-Einstellungen einen Haken zu setzen. Die Kommunikation kann über OPC-UA-Security-Mechanismen verschlüsselt und signiert werden.

Autorin:
Rihab Ehm ist Marketing Managerin bei Siemens.